RS 485 kurz erklärt Sieben Tipps zu RS 485: Signale und Stromversorgung richtig isolieren

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Die Schnittstelle RS 485 wurde für serielle Hochgeschwindigkeitsbusse für die Datenübertragung über große Entfernungen entwickelt und ist in der Automatisierungstechnik stark verbreitet. So gelingt die praktische Anwendung.

In diesem Beitrag beantworten wir häufig gestellte Fragen im Zusammenhang mit RS-485-Transceivern. Die Antworten geben sieben wertvolle Tipps zur Isolation von Signal- und Stromversorgungs-Leitungen in RS-485-Anwendungen.

1. Wann muss ich einen RS-485-Bus isolieren? Die Isolation unterbindet unerwünschte Gleich- und Wechselströme zwischen verschiedenen Systemkomponenten, während Signale und die Stromversorgung gleichzeitig durchgelassen werden. In der Regel dient die Isolation dazu, Personen oder Bauelemente vor gefährlichen Spannungen und Stromstößen zu schützen.

Sie unterbindet aber auch Masseschleifen, zu denen es bei der Kommunikation zwischen weit entfernten Knoten häufig kommt. Durch die Isolation ist auch die Kommunikation zwischen Knoten möglich, deren Massepotenziale deutlich weiter differieren als vom RS-485-Standard empfohlen.

2. Wie viele Knoten lassen sich mit einem RS-485-Bus verbinden? Um die maximale Anzahl an Buslasten zu berechnen, spezifiziert der RS-485-Standard den hypothetischen Begriff der Einheitslast (Unit Load, UL), die für eine Impedanz von ca. 12 kΩ steht. Gemäß dem Standard können an einen RS-485-Bus maximal 32 ULs angeschlossen werden.

Wie vielen UL ein Knoten entspricht, wird als ungünstigstes Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Leckstrom berechnet: UL = (U_in / I_Leck)_max . Daraus lässt sich die maximal mögliche Zahl der Knoten ableiten: Knotenzahl = 32 / UL.

Die meisten isolierten Bus-Transceiver entsprechen einer Einheitslast von einem Achtel, sodass maximal 256 Knoten an einem RS-485-Bus zulässig sind.

3. Wie hängen Übertragungsrate und Länge bei einem isolierten RS-485-Bus zusammen? Übertragungsrate und Übertragungsdistanz stehen in umgekehrtem Verhältnis zueinander, wobei die genaue Beziehung vom Widerstand und der Induktivität der Leitung abhängt. Für die zuverlässige Kommunikation über die gewünschte Entfernung ist die Leitung daher ebenso entscheidend wie die Transceiver.

Die Leitung ist genauso wichtig wie der Transceiver

In Bild 1 ist Region 3 derjenige Bereich, in dem die maximale Distanz erreicht wird, während in Region 2 die erwähnte inverse Beziehung zwischen Datenrate und Distanz gilt. In Region 1 schließlich sind die Übertragungsverluste vernachlässigbar und die maximale Datenrate wird durch die Anstiegs- und Abfallzeiten des Treibers bestimmt. Auch wenn der RS-485-Standard maximal 10 MBit/s empfiehlt, sind mit der heutigen Technik bis zu 50 MBit/s möglich.

4. Was versteht man unter „Fail-Safe Biasing“? Der Empfängerausgang muss laut RS-485-Standard bei einer differenziellen Eingangsspannung (U_ID) von mehr als 200 mV einen High-Status haben, während bei weniger als –200 mV der Low-Status vorliegen muss.

Fail-Safe Biasing: Wann entstehen ungültige Zustände?

In drei Fällen kann ein ungültiger Ausgangszustand entstehen:

• Unterbrochene Verbindung zum Bus

• Kurzschluss auf dem Bus

• Kein aktives Treibersignal auf dem Bus (Idle)

U_ID wäre in allen Fällen 0 V, und ein nicht „fail-safe“, also nicht ausfallsicher ausgelegter Empfänger hätte ein nicht definiertes Ausgangssignal. Durch Fail-Safe Biasing (mithilfe eines Widerstandsnetzwerks) wird eine differenzielle Spannung auf den nicht aktiv angesteuerten Bus gelegt, damit die Empfänger einen High-Status haben.

Ohne Fail-Safe Biasing könnten die Abschlusswiderstände die Busspannung auf 0 V absenken, was einen inkorrekten Ausgang oder ein oszillierendes Signal zur Folge haben kann. Implementieren lässt sich das Fail-Safe Biasing, indem man einen RS-485-Transceiver durch ein Widerstandsnetzwerk ergänzt.

Bei vielen isolierten RS-485-Transceivern ist das Fail-Safe Biasing bereits integriert, um die drei eben angeführten Situationen abzudecken. Diese Funktion muss daher bei diesen Bausteinen nicht mit externen Schaltungen implementiert werden.

Signalreflexionen vermeiden

5. Wann ist ein Abschluss für den RS-485-Bus erforderlich, und welche Vor- und Nachteile hat er für das System? In den meisten RS-485-Anwendungen werden Abschlusswiderstände, die dem Wellenwiderstand des Kabels entsprechen, verwendet, um Signalreflexionen zu vermeiden. Abschlusswiderstände sollten Sie an jedem Ende einer RS-485-Leitung anordnen, selbst wenn das Netzwerk bei sehr kurzen Kabeln auch ohne Abschlusswiderstände einwandfrei funktionieren würde.

Obwohl die in den Widerständen entstehenden Gleichstromverluste nachteilig sind, überwiegen in den meisten Anwendungen die Vorteile.

6. Welche Art von Schutz vor Störgrößen ist bei isolierten RS-485-Bauelementen erforderlich? Welcher Schutz bei einem isolierten RS-485-Baustein benötigt wird, hängt von der Art der Störungen ab, die im System zu erwarten sind, und welcher Schutz erforderlich ist. Handelt es sich um elektrostatische Entladungen (ESD), elektrisch schnelle Transienten (EFT) oder um Stoßspannungen? Viele isolierte RS-485-Transceiver haben an den Bus-Anschlüssen der Transceiver eingebaute Schutzvorkehrungen gegen Störgrößen gegen das isolierte gleitende Massepotenzial.

Abgesehen davon kann bei ordnungsgemäßem System-Design die Isolationsbarriere genutzt werden, um diesen Störgrößen eine hohe Impedanz entgegenzustellen.

Schutz vor Störungen: ESD, EFT und Stoßspannung

Sind bei einem System keine differenziellen Störgrößen zu erwarten und werden alle Störungen gegen Masse des Endgeräts getestet, lässt sich durch Verbinden des Schutzleiters (PE) mit der Logikseite des isolierten Transceivers dafür sorgen, dass alle mit hoher Spannung einhergehenden Störgrößen an der Isolationsbarriere entstehen. Mit dieser Maßnahme können Sie auf externe Bauelemente wie etwa TVS-Dioden oder impulsfeste Widerstände verzichten.

Bild 2 illustriert diese Techniken für einen verbesserten Schutz vor Störgrößen am Beispiel des ISO1410.

7. Wie lässt sich eine isolierte Stromversorgung für einen isolierten RS-485-Knoten bereitstellen? Welches die beste Möglichkeit ist, eine isolierte Stromversorgung für einen isolierten RS-485-Knoten zu implementieren, hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

Eine Variante besteht darin, einen Transformatortreiber wie den SN6501 zu verwenden, der im Push-Pull-Betrieb mit einem Übertrager und einem optionalen, gleichrichtenden LDO auf der Sekundärseite arbeitet (Bild 3).

Dieser Transormatortreiber liefert eine isolierte Leistung bis zu 1,5 W. Dank seiner Flexibilität eignet er sich für nahezu beliebige Anwendungen, bei denen der Übertrager und das Windungsverhältnis gemäß den Isolationsanforderungen und der Ausgangsspannung für die Stromversorgung gewählt werden können.

Für Leistungen bis 5 W lässt sich anstelle des SN6501 der SN6505 einsetzen. Der SN6505 bietet zusätzlich Schutzfunktionen wie Überlastungs- und Kurzschlussschutz, Übertemperatur-Abschaltung, Softstart und eine Anstiegsraten-Steuerung mit, sodass sich eine robuste Lösung realisieren lässt.

Als weitere Möglichkeit für Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen eignet sich die Bausteinfamilie ISOW78xx, die im SOIC-16-Gehäuse mit Signal- und Stromversorgungs-Isolation aufwartet (Bild 4). Dieser Transformatortreiber lässt sich mit einem nicht-isolierten RS-485-Transceiver kombinieren. Diese Kombination ist kompakt gestaltet, kommt ohne Übertrager aus und schafft die Voraussetzungen für eine einfache Zertifizierung.

* Anthony Viviano ist Product Marketing Engineer Isolation bei Texas Instruments in Dallas / USA. Vikas Thawani ist System Engineer Isolation bei Texas Instruments in Bangalore / Indien.

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