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.

Zweidrähtig gewickelte Spule weist zu hohe Induktivität auf

Bei unserem Besuch zum Troubleshooting fanden wir einen Bus vor, der eigentlich hätte funktionieren müssen sowie Slaves, der sich als schwerhörig erwiesen. Besondere Aufmerksamkeit fiel auf eine 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 auf. Allgemein werden Drosseln daher nicht gerne im Feldbus-Umfeld eingesetzt. Wir nutzen in der Regel Drosseln von maximal 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 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 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 muss die derzeitige Drossel im nächsten Schritt auf jeden Fall entfernt werden.

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