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Fehlerhaftes Elektronik-Design: Warum die Kapazität oder Induktivität der Drosseln in einer Datenleitung nicht zu hoch sein sollten
Ein stimmiges Elektronik-Design ist maßgeblich für die reibungslose Funktionsweise eines Bussystems. Falsche Bauteile – wie beispielsweise eine Spule mit zu hoher Induktivität – können bereits zu Ausfällen des kompletten Systems führen. So war es auch bei einem Maschinenbauunternehmen, dessen Geräte sich vom Bussystem abmeldeten. Bereits im Vorfeld hat der Unternehmer mehrere Versuche unternommen, die Störung zu beheben – einerseits, indem er den Bus aktiv abgeschlossen hat, anderseits durch den Anschluss eines Repeaters vor den Geräten. Beide Maßnahmen führten jedoch zu keinem befriedigenden Ergebnis.
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Auf dem Profibus ist auf den ersten Blick nichts zu erkennen.
Zweidrähtig gewickelte Spule weist zu hohe Induktivität auf
funktionieren müssen sowie Slaves, der sich als schwerhörig erwiesen. Besondere Aufmerksamkeit fiel auf eine zweidrähtig (auch bifilar) gewickelte Drossel in der Schaltung. Drosseln sind Spulen, die Ströme in elektrischen Leitungen begrenzen und Energie in Form ihres Magnetfeldes zwischenspeichern können. Die beim Kunden eingesetzte Drossel wies eine besonders hohe Kapazität und Induktivität von 51000nH auf. Allgemein wird diese Drossel daher nicht gerne im Feldbus-Umfeld eingesetzt. Wir nutzen in der Regel Drosseln von 110nH, so wie sie auch im Steckverbinder beim Profibus zur Geräteentkopplung eingesetzt werden. Die hohe Kapazität und Induktivität der verbauten Drossel konnte eine erste mögliche Fehlerursache für die Störung im System sein.
Bei der Messung mit dem Oszilloskop (Messung der elektrischen Spannung) und dem Profitrace auf dem Profibus zwischen Drossel und dem Sendeempfänger (auch Transceiver) ist uns aufgefallen, dass das Telegramm schwingt – im Wesentlichen das Master-Telegramm, vereinzelt aber auch andere Telegramme. Wir vermuteten, dass das System durch die unterschiedlichen Reflexionskanten mitbeeinflusst wurde. Durch das Abkoppeln mit einem Repeater konnten wir jedoch keine signifikante Verbesserung erzielen.
Signalerfassung mittels Schmitt-Trigger-Schaltung
Um die digitalen Signale im Bus-System zu erfassen, nehmen die Hersteller eine viermalige Abtastung auf dem Rechteckdach nach einer Schmitt-Trigger-Schaltung vor. Was passiert genau dabei? Wenn digitale Signale über lange Kabelstrecken geschickt werden, kann sich das Signal im Kabel so stark verändern, dass die digitalen Verknüpfungsglieder es nicht mehr verarbeiten können. Eine Schmitt-Trigger-Schaltung kann nun aus diesem mangelhaften digitalen Signal wieder die ursprüngliche Form zurückgewinnen und wertvolle Informationen liefern.
Fazit: Durch Busabschluss, Repeater sowie die Kabellängen konnten wir lediglich die Wellenlänge beziehungsweise die Frequenz vom Resonanzverhalten verändern, jedoch nicht – wie gewünscht – die Amplitude. Möglich ist dies nur über die Reduzierung der Reflexionskanten. Dafür sind die Drossel im nächsten Schritt entfernt worden.
Oszillokopmessung zwischen CAN Drossel un Transiver. Zu sehen ist, bei einem Schmitt-Trigger Schaltung mit einer Schaltschwelle bei 0,8V , dass aus einem Rechteck jetzt mehrere Rechtecke interpretiert werden. Damit fühlt sich das Gerät nicht mehr angesprochen und wird schwehrhörig.
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Auf den zweiten Blick ist ein Impedanzwechsel zu sehen.
CAN Drossel auf der Leiterplatte.
