Über die gegenseitige Beeinflussung von nicht-isolierten differentiellen Kanälen

Dieser Abschnitt setzt folgende Kapitel als Vorkenntnis voraus

• „Erläuterungen zu galvanisch (un)getrennten Kanälen“
• „Massebezug: Typisierung SingleEnded / Differentiell“
• „Begriffsklärung GND/Ground“

Wir wollen uns im Folgenden weiter mit den im Gerät ungetrennten Kanälen beschäftigen, die Signale mit einer gemeinsamen Masse (PGND) zugeführt bekommen. Die gemeinsame Masse der verbundenen Kanäle (ggf. von außen zugänglich) und die differentielle Messung erzeugen nämlich ein elektrisches Phänomen, das anwendungsseitig durch eine kurze Berechnung zu kontrollieren ist, um sicherzustellen, dass das Gerät die an es gerichteten Erwartungen erfüllen kann - insbesondere, wenn es sich um hochgenaue Messtechnik der ELM3xxx Serie (bzw. äquivalente Beckhoff Messgeräte, wie EPP35xx) handelt, also mit dem Anspruch geringster Messunsicherheit.

Hinweis: hier wird insbesondere die (hochohmige) Spannungsmessung betrachtet, für Erläuterungen zur Strommessung siehe Kapitel „Massebezug: Typisierung SingleEnded / Differentiell“.

Dazu noch ein detaillierter Einblick in das differentielle Innenleben am Beispiel einer Schaltung mit zwei ungetrennten Kanälen:

R_in sei der Eingangswiderstand des Kanals (siehe Gerätedokumentation, Angabe Eingangsimpedanz/Innenwiderstand). Er setzt sich real aus zwei Widerständen mit je R_in/2 zusammen. Die beiden Widerstände bilden einen Spannungsteiler für den jeweiligen Kanal und definieren eigentlich den jeweiligen CMP (CommonMode-Point) mit seiner Spannung U_{CMP, ch(n)} vs. AGND, je nachdem welche Spannung

außen über +Input/ -Input anliegt. Der CMP ist das kanal-lokale AGND. Da aber alle AGND zusammenhängen, sind alle und damit alle an +Input/-Input anliegenden Spannungen an der AGND-Definition beteiligt!
Denn es muss werden: U_{CMP, ch1} = U_{CMP, ch2} = … = AGND.

Die Kenntnis über die finale Potentialhöhe von AGND ist wichtig, um beurteilen zu können, ob spezifizierte Einsatzgrenzen überschritten werden, denn an jedem Kanal werden sich eigene, ggf. unsymmetrische Spannungsdifferenzen U_{ch(n), +/-Input vs. AGND} einstellen! Durch die AGND-Verschiebung kann sogar eine ausgehende Spannung an einem nicht angeschlossenen Kanal messbar sein, welche auch begrenzt belastbar ist (Quellenwiderstand ist dann der halbe Eingangswiderstand).

Diesem auf den ersten Blick komplexen Thema kann man sich aber recht einfach nähern und damit eine hohe Einsatzsicherheit der kostengünstigen, ungetrennten differentiellen Kanäle herstellen. Folgender Ablauf wird empfohlen:

1. Berechnen von U_AGND bezogen auf U_PGND
   PGND (Anlagenmasse, Versorgung) wird aus o.a. Gründen als Referenzebene gewählt,
2. Berechnen aller Eingängen auf Potentialdifferenz zu AGND im Gebrauch
   (für Schritt zwei und drei siehe im Folgenden die Berechnungstabelle),
   → download
3. Prüfung auf Überschreitung der Spezifikation.
   

Zu 1.: Berechnung AGND

U_AGND kann als ein gewichteter Mittelwert der externen Spannungen berechnet werden, wobei die Gewichtungsfaktoren die elektrischen Leitwerte (Kehrwerte der Eingangswiderstände) der einzelnen Eingänge gegen AGND sind. Für Gleichspannungen:

.

Hinweis: n ist der Kanalindex und geht von 1 bis zum letzten angeschlossenen Kanal N. Alle Spannungen U sind bezogen auf PGND. Sind die Innenwiderstände aller Eingänge (theoretisch) gleich, ergibt sich für U_AGND vereinfachend der Mittelwert aller Eingangsspannungsdifferenzen:

.

Bei einigen Messmodulen ist die interne analoge Masse AGND extern zugänglich, dort kann die Spannung einfach gemessen werden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass das eingesetzte Messgerät (im typischen Fall ein Multimeter) die Spannung U_AGND durch seinen eigenen Innenwiderstand nicht verzerrt!

Eine Auswahl:

Zu 2.: Berechnung Inputs

Nachdem wir von U_AGND Kenntnis erlangt haben, sind die max. zulässigen Spannungen bzw. die Spannungen an den Anschlusskontakten zu berechnen.

Die Schritte zwei und drei können einfach mit dieser beispielhaften Tabelle
→ download
durchgeführt werden:

Zu 3.: Prüfung

Die Ergebnisse sind mit den Spezifikationsgrenzen lt. Dokumentation in Bezug auf

• Gebrauchsgrenze: „max. zul. Spannung während bestimmungsgemäßem Betrieb“,
• Zerstörgrenze: „Spannungsfestigkeit – Zerstörgrenze“

zu vergleichen.
 

Hinweise:

• Wie an den obigen Schritten zu sehen, führen Änderungen an den Inputs meist zu einer Veränderung von AGND, gleichgültig ob das Signal +Input und -Input gleichförmig (gleicher Betrag, gleiches Vorzeichen) verändert (Gleichtaktbeeinflussung, CommonMode) oder getrennt. Eine Beeinflussung der anderen Kanäle wird bei starker Vergrößerung immer in den Messwerten sichtbar sein.
  Ausnahme: wenn sich +Input um den gegen-gleichen Betrag ändert wie -Input, dann bleibt der CMP des Kanals und sein Einfluss auf die anderen Kanäle unverändert
• diese Erläuterungen betreffen differentielle Kanäle. Single-Ended Kanäle sind dagegen einseitig mit einer Signalmasse verbunden (die nicht notwendigerweise PGND sein muss) und damit unvermeidlich miteinander gekoppelt, je nach Verdrahtung ist AC-Übersprechen zu beobachten. Eine AGND-Verschiebung im Gerät tritt auch hier auf, da AGND bei diesen Geräten üblicherweise aber nicht zugänglich ist, stellt diesen den Regelbetrieb des Geräts dar und wird von der Spezifikation abgedeckt.
  Vgl. dazu die Beckhoff-Definition von „SingleEnded“ im Kapitel „Massebezug: Typisierung SingleEnded / Differentiell“
  

Dazu nun im Folgenden einige Beispiele ¹⁾:

• Beispiel 1:
  
  ELM3004-0000, alle Kanäle im U ±10 V Modus, alle negativen Eingänge (–Input) an PGND (externes Bezugspotential) angeschlossen (SingleEnded-Betrieb), Kanal 1 misst +10 V, alle anderen Kanäle –10 V, R_in = 4,1 MΩ
• Gebrauchsgrenze: typ. ±12,5 V gegen –Uv (AGND)
• Nach Formel: V_AGND = –2,5 V
• V_{+Input(1), AGND} = +10 V−(−2,5 V) = +12,5 V OK
  V_{-Input(1), AGND} = 0 V−(−2,5 V) = +2,5 V OK
  V_{+Input(2), AGND} = −10 V−(−2,5 V) = −7,5 V OK
  V_{-Input(2), AGND} = 0 V−(−2,5 V) = +2,5 V OK
  V_{+Input(3), AGND} = −10 V−(−2,5 V) = −7,5 V OK
  V_{-Input(3), AGND} = 0 V−(−2,5 V) = +2,5 V OK
  V_{+Input(4), AGND} = −10 V−(−2,5 V) = −7,5 V OK
  V_{-Input(4), AGND} = 0 V−(−2,5 V) = +2,5 V OK
  
• Beispiel 2:
  
  ELM3002-0000, beide Kanäle im U ±2.5 V Modus. Kanal 1 misst einen High-Side Shunt (also +Input(1) an +24 V) mit −300 mV, Kanal 2 einen Low-Side Shunt (also -Input(2) an PGND) mit +800 mV.
• Gebrauchsgrenze: typ. ±12,5 V gegen –Uv (AGND)
• Nach Formel: V_AGND = +12,125 V
• V_{+Input(1), AGND} = +24 V−12,125 V = +11,875 V OK
  V_{-Input(1), AGND} = +23,7 V−12,125 V = +11,575 V OK
  V_{+Input(2), AGND} = 0,8 V−12,125 = −11,325 V OK
  V_{-Input(2), AGND} = 0 V−12,125 V = −12,125 V OK
  
• Beispiel 3:
  
  Wie oben, aber der High-Side Shunt an +30 V geschaltet:
• Nach Formel: V_AGND = +15,125 V
• V_{+Input(1),AGND} = +30 V − 15,125 V = +14,875 V NOK
  V_{-Input(1),AGND} = +29,7 V − 15,125 V = +14,575 V NOK
  V_{+Input(2),AGND} = 0,8 V − 15,125 = −14,325 V NOK
  V_{-Input(2),AGND} = 0 V − 15,125 V = −15,125 V NOK
  
• Beispiel 4:
  
  ELM3002-0000, Kanal 1 im U ±30 V Modus (anderer R_in!), Kanal 2 im U ±10 V Modus. Beide negativen Eingänge (–Input) an PGND (externes Bezugspotential) angeschlossen. Kanal 1 misst +20 V, Kanal 2 misst +2 V:
  Gebrauchsgrenzen:
  Kanal 1: typ. ±35 V gegen –Uv (AGND), Kanal 2: typ. ±12,5 V gegen –Uv (AGND)
• Nach Formel: V_AGND = +7,816 V
• V_{+Input(1), AGND} = +20 V – 7,816 V = +12,2 V OK
  V_{-Input(1), AGND} = 0 V − 7,816V = -7,8 V OK
  V_{+Input(2), AGND} = 2 V − 7,816V = -5,8 V OK
  V_{-Input(2), AGND} = 0 V − 7,816V = -7,8 V OK
  
• Beispiel 5:
  
  Wie oben, aber Kanal 1 misst +30 V:
• V_AGND = +13,059 V
• V_{+Input(1), AGND} = +30 V − 13,059 V = +16,9 V OK
  V_{-Input(1), AGND} = 0 V − 13,059 V = −13,1 V OK
  V_{+Input(2), AGND} = 2 V − 13,059 V = −11,1 V OK
  V_{-Input(2), AGND} = 0 V − 13,059 V = −13,1 V NOK
  

¹) Die angegebenen Werte zu Gebrauchsgrenze und R_in sind beispielhaft zu sehen, gültige Spezifikationswerte sind der jeweiligen Gerätedokumentation zu entnehmen.