AT509840B1 - Unterdrückung von überspannung verursacht durch indirekten blitzschlag - Google Patents

Unterdrückung von überspannung verursacht durch indirekten blitzschlag Download PDF

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Abstract

Eine Ankoppelschaltung für einen Busteilnehmer (101) an eine Busleitung (102) eines Feldbusses mit gleichspannungsfreier und differentieller, EIA-485/EIA-422 konformer Signalübertragung nach einem TTP-Protokoll, bei welcher die beiden Eingänge/Ausgänge (108, 109) einer Sende/Empfangskomponente (104) des Busteilnehmers (101) mit einer ersten Wicklung eines Signalübertragers (103) und die beiden Pole der Busleitung (102) mit einer zweiten Wicklung des Signalübertragers verbunden sind und die erste Wicklung eine Mittenanzapfung (107) aufweist, wobei die Mittenanzapfung (107) mit dem lokalen Bezugspotential des Busteilnehmers (101) über einen Kondensator (105) verbunden ist, dessen Kapazität mindestens das 100-fache der parasitären Kapazität (110) des Übertragers (103) beträgt..

Description

österreichisches Patentamt AT509 840 B1 2013-03-15
Beschreibung
ANKOPPELSCHALTUNG FÜR EINEN BUSTEILNEHMER
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Ankoppelschaltung für einen Busteilnehmer an eine Busleitung eines Feldbusses mit gleichspannungsfreier und differentieller, EIA-485/EIA-422 konformer Signalübertragung nach einem TTP-Protokoll, bei welcher die beiden Eingän-ge/Ausgänge einer Sende/Empfangskomponente des Busteilnehmers mit einer ersten Wicklung eines Signalübertragers und die beiden Pole der Busleitung mit einer zweiten Wicklung des Signalübertragers verbunden sind.
[0002] Induktive Busankoppler verwenden zur galvanischen Isolierung einen Signalübertrager, der als galvanische Trennung zwischen Datenbus und Busteilnehmer wirkt. Dadurch sind Potentialunterschiede zwischen den Busteilnehmern sowie den Busteilnehmern und der Busleitung zulässig. Unter Berücksichtigung der Eigenschaften realer Signalübertragers im Gegensatz zu theoretisch idealen Übertragern kommt es auf Grund der kapazitiven Kopplung zwischen den Übertragerwicklungen zur Einkopplung zumindest eines Teils auftretender dynamischer Störungen. Solche überkoppelnden Störungen können zu Übertragungsfehlern führen, oder den angeschlossenen Komponenten dauerhaften Schaden zufügen. Deshalb muss gegebenenfalls eine entsprechende Schutzbeschaltung diese Störungen hinreichend unterdrücken. Insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen, wie bei der Signalübertragung auf Feldbussen im Luftfahrtsbereich, können vor allem auf indirekten Blitzschlag zurückgehende, transiente Gleichtaktstörungen zu Übertragungsfehlern führen bzw. eine Zerstörung der Komponenten verursachen und der Ausgangspunkt oft katastrophaler Fehlleistungen des Gesamtsystems sein. Gleichtakt Störungen, verursacht durch indirekten Blitzschlag, können zwischen Bezugspotentialen der Busteilnehmer auftreten und werden oft als „Masse Versatz" bezeichnet oder sie können durch Einkopplung in die differentielle Busleitung auftreten.
[0003] Bei Störungen durch indirekten Blitzschlag muss man erfahrungsgemäß von einem niedrigen Innenwiderstand der Störquelle ausgehen. Befindet sich der Kondensator zur Störunterdrückung auf der eingehenden Seite des Transformators, wie beispielsweise bei der sogenannten „Bob Smith Termination" angewendet, wird die Störspannung, die Werte im kV-Bereich aufweisen kann, durch Ableitung über den Kondensator nur unwesentlich verringert *. Ein wesentlicher Nachteil ist auch, dass zusätzlich ein sehr hoher Störstrom auftritt, welcher permanenten Schaden an den Bauteilen verursachen bzw. die Bauteile völlig zerstören kann.
[0004] Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, derartige Störungen auf Seite der Busteilnehmer auf ein ungefährliches Maß zu unterdrücken, ohne dabei die Signalqualität zu beeinträchtigen.
[0005] Diese Aufgabe wird mit einer Ankoppelschaltung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher erfindungsgemäß die erste Wicklung eine Mittenanzapfung aufweist, welche mit dem lokalen Bezugspotential des Busteilnehmers über einen Kondensator verbunden ist, dessen Kapazität mindestens das 100-fache der parasitären Kapazität des Übertragers beträgt.
[0006] Dank der Erfindung werden übersprechende Störungen auf Seite des Busteilnehmers unterdrückt. Die Unterdrückung erfolgt in einer Art und Weise, dass zwar Gleichtakt-Störungen unterdrückt werden, das Gegentakt-Nutzsignal jedoch keiner Dämpfung unterliegt. Die kapazitive Anbindung der Mittenanzapfung an ein lokales Bezugspotential ist zweckmäßig, wenn angeschlossene Komponenten dem differentiellen Nutzsignal eine Gleichspannung überlagern.
[0007] Da sich der Kondensator zur Störunterdrückung auf der isolierten Seite befindet, wirkt zusätzlich zum niedrigen Innenwiderstand der Störquelle auch noch die parasitäre Koppelkapazität des Transformators. Erst dadurch wird es einerseits möglich, die Störspannung wesentlich zu reduzieren, und andererseits kommt es zu einem nur geringen Stromfluss, da die parasitäre
Siehe z.B.: Bob Smith Termination, Xmultiple Application Not 23-222, July 2003 [http: //www.xmultiple.com/Application%20Notes/applicationnote23-222.pdf] 1 /4 österreichisches Patentamt AT509 840 B1 2013-03-15
Koppelkapazität im pF-Bereich liegt und somit Strom auf Werte begrenzt, die nicht mehr zu einer Zerstörung von Bauelementen führen.
[0008] In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kapazität des Kondensators 5 bis 500 nF beträgt.
[0009] Um eine möglichst niederohmige Anbindung an das Bezugspotential zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn der Signalübertrager nahe der Sende/Empfangskomponente des Busteilnehmers angeordnet ist.
[0010] Vorteilhaft ist es weiters, wenn das lokale Bezugspotential der gemeinsamen Masse entspricht, doch kann auch vorgesehen sein, dass das lokale Bezugspotential einem Pol einer Versorgungsspannung entspricht, da auch die Pole der Versorgungsspannung eine feste kapazitive Ankopplung an Masse aufweisen.
[0011] Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher die einzige Figur eine Ankoppelschaltung für einen Busteilnehmer an eine Busleitung zeigt.
[0012] Nun wird an Hand der Fig. eine Realisierung der Ankoppelschaltung auf Basis eines Datenbusses mit EIA-485 oder EIA-422 konformer Signalübertragung beschrieben.
[0013] Ein Busteilnehmer 101 wird mittels eines Signalübertragers 103 an eine Busleitung 102 angekoppelt. Der Busteilnehmer 101 weist eine Sende/Empfangskomponente 104 auf, von welcher zur Vereinfachung lediglich die Empfangskomponente dargestellt ist, und ein lokales Bezugspotential 106, in diesem Beispiel Masse.
[0014] Die Anschlüsse 108, 109, nämlich die Eingangsanschlüsse der Sen- de/Empfangskomponente 104 des Busteilnehmers 101 sind mit einer ersten Wicklung eines Signalübertragers 103 und die beiden Pole einer Busleitung 102 sind mit einer zweiten Wicklung dieses Signalübertragers verbunden. Die erste Wicklung des Übertragers 103 weist eine Mittenanzapfung 107 auf, die über einen Kondensator 105 mit dem Bezugspotential 106 verbunden ist.
[0015] Eine direkte Ankopplung der Mittenanzapfung 107 an das lokale Bezugspotential 106 ist für typische EIA-485 oder EIA-422 konforme Sende/Empfangskomponenten 104 nicht möglich, da den Anschlüssen 108 und 109 eine Gleichspannung überlagert ist.
[0016] Praktisch ausgeführt ist der Signalübertrager 103 mit dem Busteilnehmer 101 in einem gemeinsamen Gehäuse oder auch auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufgebaut, da es empfehlenswert ist, den Übertrager möglichst nahe der Sende/Empfangskomponente 104 anzuordnen, um eine möglichst niederohmige Anbindung an das Bezugspotential 106 zu erreichen.
[0017] Durch den Ableitkondensator 105 wirkt die erfindungsgemäße Ankoppelschaltung gegen dynamische Gleichtaktstörungen in Form eines Potentialunterschieds zwischen dem Busteilnehmer 101 und der Busleitung 102 und die Sende/Empfangskomponente 104 wird gegen Überspannung an den Anschlüssen 108 und 109 gegen das lokale Bezugspotential 106 geschützt.
[0018] Nachstehend wird die genauere Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert. Insbesondere durch indirekten Blitzschlag bedingte Störungen in Form dynamische Potentialunterschiede zwischen dem Busteilnehmer 101 und der Busleitung 102 bewirken einen Stromfluss über die parasitäre Koppelkapazität 110 des Signalübertragers 103. Ohne Kondensator 105 würde dieser Stromfluss an den hochohmigen Anschlüssen 108 und 109 der Sende/Empfangskomponente 104 eine hohe Störspannung gegen das lokale Bezugspotential 106 bewirken. Durch Verwendung eines Kondensators 105 fließt der überkoppelnde Störstrom nicht in die, oder aus den Anschlüssen 108 und 109 der Sende/Empfangskomponente 104 sondern fast ausschließlich durch die busteilnehmerseitige Wicklung des Signalübertragers 103 und in weiterer Folge über den Kondensator 105 gegen das lokale Bezugspotential 106. Die Störströme durch die Signalübertragerwicklung verlaufen entgegengesetzt, wodurch sich kein Magnetfeld aufbaut. Somit wirken in der Übertragerwicklung hauptsächlich die ohmschen Leiterwider- 2/4

Claims (5)

  1. österreichisches Patentamt AT509 840B1 2013-03-15 stände und nur ein geringer induktiver Widerstandsanteil durch Streuinduktivitäten oder Asymmetrien in Wicklung oder Stromfluss. Das Maß der erzielbaren Störunterdrückung errechnet sich näherungsweise durch das Teilerverhältnis der parasitären Kapazität 110 des Übertragers 103 und jener des Kondensators 105 wie folgt: ustär l, CA UR cK [0019] Mit: Ustör - Störspannung zwischen Busteilnehmer 101 und Busleitung 102. UR = Restspannung an den Eingängen 108 und 109 gegen das Bezugspotential 106. CA = Kapazität des Kondensators 105 CK = parasitäre Kapazität 110. [0020] Die parasitäre Kapazität von Signalübertragern liegt typisch im Bereich von 10pF bis 50pF. Bei einer Kapazität des Kondensators von z.B. 47nF errechnet sich laut obiger Formel eine Störunterdrückung von ca. 1000 bis 5000. Die Praxis hat gezeigt, dass die Kapazität sinnvollerweise mindestens das 100-fache der parasitären Kapazität 110 des Übertragers 103 betragen sollte. Übliche Werte der Kapazität des Kondensators 105 liegen zwischen 5 bis 500 nF. [0021] Das gleichspannungsfreie, differentiell übertragene Nutzsignal unterliegt keiner zusätzlichen Dämpfung durch den Ableitkondensator 105, da für differentielle Signale kein Strom über den Kondensator 105 fließt. Patentansprüche 1. Ankoppelschaltung für einen Busteilnehmer (101) an eine Busleitung (102) eines Feldbusses mit gleichspannungsfreier und differentieller, EIA-485/EIA-422 konformer Signalübertragung nach einem TTP-Protokoll, bei welcher die beiden Eingänge/Ausgänge (108, 109) einer Sende/Empfangskomponente (104) des Busteilnehmers (101) mit einer ersten Wicklung eines Signalübertragers (103) und die beiden Pole der Busleitung (102) mit einer zweiten Wicklung des Signalübertragers verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklung eine Mittenanzapfung (107) aufweist, welche mit dem lokalen Bezugspotential des Busteilnehmers (101) über einen Kondensator (105) verbunden ist, dessen Kapazität mindestens das 100-fache der parasitären Kapazität (110) des Übertragers (103) beträgt.
  2. 2. Ankoppelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators (105) 5 bis 500 nF beträgt.
  3. 3. Ankoppelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Bezugspotential der gemeinsamen Masse entspricht.
  4. 4. Ankoppelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Bezugspotential einem Pol einer Versorgungsspannung entspricht.
  5. 5. Ankoppelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalübertrager (103) nahe der Sende/Empfangskomponente (104) des Busteilnehmers (101) angeordnet ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 3/4
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