Digitale Galvanische Isolation

Masseschleifen unterbrechen

Masseschleifen können durch darin induzierte Ströme die leitungsgebun--dene Kommunikation stören. Auch unterschiedliche Massepotenziale der miteinander verbundenen Geräte können Probleme verursachen. Am Beispiel einer USB-Schnittstelle wird gezeigt, wie solche Schleifen Gerätefunktionen beeinträchtigen und wie digitale Isolatoren das Problem beseitigen können. Diese Überlegungen lassen sich auch auf andere Schnittstellen wie RS-232, RS-485 oder CAN übertragen.

Daten über größere Entfernungen hinweg zu übertragen bringt potenzielle Probleme mit sich. So können zum Beispiel Masseschleifen die Ursache für Interferenzen sein, die zwischen den Massepotenzialen am Anfang und am Ende einer Übertragungsstrecke eine Rauschspannung induzieren. Ist eine Rauschspannung ausreichend hoch, können Datenfehler am Empfänger auftreten. Wie entstehen Masseschleifen, und wie lässt sich diese Problematik mit einer galvanischen Isolation umgehen?

Diskutiert werden im Folgenden Masseschleifen im Zusammenhang mit USB-Schnittstellen, wobei andere Schnittstellen wie RS-232, RS-485 oder CAN ebenfalls empfindlich gegenüber Masseschleifen sind. Dabei wollen wir uns auf die Unterbrechung von Masseschleifen als Ansporn für die galvanische Isolierung dieser Schnittstellen konzentrieren. Daneben gibt es diesbezüglich jedoch andere wichtige Überlegungen, zum Beispiel die Sicherheit von Bedienpersonal und der Schutz von Elektronik, die eine entsprechende Isolation verlangt.

Masseschleifen sind, wie der Name bereits andeutet, physikalische Schleifen in der Masseführung eines Systems, die aus mehreren Massepfaden zwischen Schaltungen entstehen.

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Bild 1: Durch Masseschleifen können Interferenzen und Rauschströme in einem Datenübertragungspfad entstehen

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Bild 1: Durch Masseschleifen können Interferenzen und Rauschströme in einem Datenübertragungspfad entstehen

Diese Massepfade können sich wie eine große Schleifenantenne verhalten, die Rauschen aus der Umgebung aufnimmt und so Ströme in das Massesystem induziert. Das 50-Hz- beziehungsweise 60-Hz-Magnetfeld der Netzspannung ist eine häufige Quelle für das durch Masseschleifen aufgenommene Rauschen, auch Netzbrummen genannt. Analog kann auch ein verteiltes Massesystem Rauschspannungen an unterschiedlichen Orten aufnehmen und Ströme in der Masseschleife verursachen.

Da die Masse eine niedrige Impedanz hat, fließen oft sehr hohe Rauschströme. Hunderte Millivolt Rauschen können in Masseschleifen Ströme mit mehreren Ampere verursachen. Bild 1 zeigt ein Beispiel, wie durch Masseschleifen verursachte Interferenzen in einem Datenübertragungspfad entstehen können. Das Gerät »Device #1« treibt ein massebezogenes Signal, das Gerät »Device #2« empfängt.

Die Signalleitung an jedem der beiden Geräte liegt auf Masse. Die Masseverbindung könnte zum Beispiel die Abschirmung eines Koaxialkabels sein. Ein zweiter Pfad mit niedriger Impedanz ist zwischen den Schutzleitern (G) der Stromversorgungen vorhanden. Diese beiden Masseverbindungen erzeugen eine große Schleife, die aus dem Magnetfeld einer in der Nähe befindlichen Störquelle eine Rauschspannung aufnimmt.

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Bild 2: Mit einem Optokoppler lassen sich Masseschleifen unterbrechen, allerdings sind diese Bauteile nur für relativ langsame Signale geeignet

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Bild 2: Mit einem Optokoppler lassen sich Masseschleifen unterbrechen, allerdings sind diese Bauteile nur für relativ langsame Signale geeignet

Diese Interferenz schwächt das Signal an Device #2 und behindert die Übertragung. Generell sollten Entwickler also vorsichtig vorgehen und Masseschleifen durch Anschluss eines einzigen Massepunktes vermeiden.

Allerdings benötigen manche Schnittstellen, wie zum Beispiel USB, eine Masseverbindung zwischen Sender und Empfänger. Diese Masseverbindung muss unterbrochen werden, während der Informationsfluss vom Sender zum Empfänger aufrechterhalten bleibt.

Mit anderen Worten, die beiden Geräte sind galvanisch zu isolieren. Optokoppler bieten eine mögliche Methode, um Masseschleifen zu unterbrechen (Bild 2).

Device #1 treibt die LED eines solchen Bauteils, das den Stromfluss in einem Fototransistor bewirkt.

Eine Masseverbindung durch das Kabel besteht nicht mehr. Dies verhindert, dass zwischen Device #1 und Device #2 Rauschströme fließen. Die Informationen werden in Form von Licht übertragen.

1. Teil: Masseschleifen unterbrechen
2. Teil: Optokoppler verzögern das Signal