Erläuterungen

Kanäle getrennt oder nicht? Das ist hier die Frage!

Bei mehrkanaligen Klemmen wie den EL3xxx/ ELM3xxx oder äquivalenten elektronischen Messgeräten von Beckhoff (wie EPP35xx) ist eine besondere Eigenschaft ganz wesentlich und je nach Anwendung intensiv zu beleuchten: die galvanische Trennung zwischen den Kanälen. Es gibt nur zwei Klassen:

• Die Kanäle sind galvanisch nicht getrennt:
• Sie haben im Gerät zumindest ein gemeinsames Massepotential, das manchmal auch von außen per Leitungsanschluss oder Powerkontakt zugänglich ist.
  
• Solche Geräte sind i.d.R. einfacher (und damit preiswerter) im inneren Aufbau als die nachfolgende Klasse. Dass die Kanäle aber elektrisch gekoppelt sind, führt zu Effekten, die bedacht werden müssen. Das betrifft sowohl statische (DC) Eingangssignale die einen Nebenkanal (im Gerät) per ohmscher Kopplung „mitziehen“ (Gleichtakt-Effekt, Common-Mode), als auch dynamische (AC) Signale, die ebenfalls „mitziehen“ oder induktiv/kapazitiv überkoppeln (Übersprechen, Cross-Talk).
• Industrielle automatisierte Maschinen und Prüfstände bewegen sich in einem räumlich abgegrenzten, normalerweise beherrschten Raum und haben meist eine gemeinsame Energieversorgung, i.d.R. ein 24 V-DC-Netz mit gemeinsamer Masse (0 V). Bei sachgerechter Verdrahtung kommt es in den meisten Anwendungen nicht zu Potentialdifferenzen größer 30 V. Deshalb verfügen die meisten Analogkanäle für industrielle Nutzung (auch bei Beckhoff) nicht über eine aufwändige galvanische Trennung, sondern sind darauf ausgelegt, bei Gleichtaktunterschieden bis ca. 30 V (Common-Mode-Spannung) spezifikationsgemäß zu arbeiten.
• Die meisten Analogkanäle von Beckhoff sind ohne galvanische Trennung im Gerät untereinander aufgebaut.
• Die Kanäle sind galvanisch getrennt:
• Sie sind vollständig isoliert voneinander ausgeführt, ihre Massen und Versorgungen haben im Gerät und Gerätestecker keine Verbindung. Aber auch die Isolierung hat eine Grenze, die in der sog. Isolationsspannung oder Potentialtrennung quantifiziert wird.
  
• Solche Geräte sind aufwendiger im inneren Aufbau als die Vertreter der vorgenannten Klasse. Der große Vorteil ist aber, dass zumindest der „ohmsche“ Common-Mode-Effekt (das „Mitziehen“) des DC-Signals (siehe Anmerkung) vernachlässigbar ist, solange die Potentialtrennung nicht überschritten wird. Allerdings kann auch bei diesem Konzept Übersprechen von AC-Signalen bemerkbar sein, wenn auch grundsätzlich um viele Größenordnungen weniger ausgeprägt als bei nicht-isolierten Kanälen. Werden die Kanäle anwendungsseitig außerhalb des Geräts wieder verbunden (gemeinsame Masse, gemeinsame Versorgung) wird das Konzept umgangen und die genannten Effekte treten wieder auf.
• Die Kanäle solcher Geräte verhalten sich unabhängig voneinander und sind deshalb einfacher einsetzbar, es müssen weniger Überlegungen bezüglich der Potentialunterschiede angestellt werden – allerdings erkauft durch einen deutlich höheren Preis. Sie finden deshalb gerne in Prüfständen und komplexen Messszenarien Anwendung (gestapelte Batteriezellen, hohe Spannungen).
• Beckhoff bietet für besondere Anwendungen einige EL3xxx/ELM3xxx Analogeingangsgeräte mit galvanisch getrennten Kanälen wie die EL3174-0002, EL3314-0002, ELM3702-0101, ELM3102-0100 u.a. Zu beachten ist die jeweils angegebene Isolationsspannung und in welcher Qualität (funktionale Isolierung, doppelte Isolierung, Basisisolierung) sie ausgeführt ist.
• Gemischter Aufbau
• Beide Klassen können in einem Gerät gemischt werden, indem die Kanäle in Gruppen mit jeweils gemeinsamer Masse zusammengefasst werden.
  

Anmerkung: Unabhängig davon, ob und wie die Kanäle untereinander getrennt sind, kann bei automatisierungstechnischer Ausrüstung immer davon ausgegangen werden, dass Feldseite und Kommunikationsseite voneinander galvanisch getrennt sind.

• Bei EtherCAT-Komponenten bedeutet
• Feldseite: digitale oder analoge Ein-/Ausgänge, RS232/485, Ethernet, …
  also alles was „vom Feld“ = von außen angeschlossen wird.
• Bei EtherCAT-Klemmen bedeutet
• Kommunikationsseite: „innerer“ Teil, EtherCAT-Rückwandkommunikation „E-Bus“,
• Bei Feldbus-Box-Modulen bedeutet
• Kommunikationsseite: „innerer“ Teil, EtherCAT‑Anschlüsse IN/ OUT.
  

Die Höhe und Qualität dieser Trennung werden in den technischen Daten angegeben.

Die Trennung Feld-/ Busseite erlaubt im Übrigen auch bei Geräten die feldseitig keinen Bezug zur Systemversorgung haben (z.B., weil sie keine Powerkontakte haben) die Kanäle als isolierte Insel zu betreiben. Bei 1-kanaligen Analog-Messmodulen entstehen so galvanisch einzeln getrennte Kanäle.