Benutzer:WvBraun/Spannungsschnittstelle

Hier ist ein Artikel zur Spannungsschnittstelle im Bau.

Eine Spannungsschnittstelle ist eine Schnittstelle zum Transport von Informationen über elektrische Verbindungen. Die zu übertragenden Informationen werden hierbei als elektrische Spannungswerte abgebildet. Diese Art der Schnittstelle ist bei elektrischen Geräten weit verbreitet und wird nach wie vor in der Digital- und Analogtechnik verbreitet eingesetzt. Das Anwendungsgebiet reicht von einfachen Steuer- und Verbindungsaufgaben bis hin zu hochkomplexen Kommunikationssystemen.

Die Spannungsschnittstelle wird bei der Informationsübertragung mit hohen Datenraten und auf weiten Entfernungen zunehmend von der Lichtschnittstelle verdrängt, bei welcher die Informationen als Lichtsignale über Lichtwellenleiter übertragen werden.

Funktionsprinzip und Topologien

Grundlagen

Prinzipieller Aufbau der Übertragungsstrecke einer Spannungsschnittstelle

Das Medium, auf dem die Übertragung der Signale stattfindet ist im einfachsten Fall eine elektrische Zweidrahtleitung. Für die Übertragung wird am Entstehungsort der Information (Quelle) eine der Information entsprechende Spannung angelegt. An der anderen Seite der Leitung kann die übertragene Spannung vom Empfänger (Ziel) gemessen und weiter zur Verarbeitung der Information herangezogen werden.

Im Idealfall besitzen die Teile der Leitung keinen Widerstandsbelag und keinen Induktivitätsbelag und die Koppelkapazität zwischen den beiden Drähten der Leitung ist ebenfalls nicht vorhanden. Die Quelle wird als ideale Spannungsquelle angenommen und der Eingangswiderstand des idealen Empfängers ist unendlich groß. Des Weiteren werden bei der idealen Übertragung keine Störungen des Signals von Außen betrachtet. Aus diesen Annahmen ergibt sich, dass zu jedem Zeitpunkt die Spannung am Ort der Quelle gleich der Spannung am Ort des Ziels ist. In diesem Fall ist die Informationsübertragung optimal möglich, da die Übertragungsstrecke keinerlei Einfluss auf die übertragene Spannung und so auf die Information selbst hat.

$R'=0,\,L'=0,\,C'=0,\,R_{i}=0,\,R_{M}=\infty \to u_{Ziel}(t)=u_{Quelle}(t)$

Ersatzschaltbild einer Zweidrahtleitung

In der Realität führen der Widerstandsbelag $2\cdot R'$ auf der Leitung, der Ausgangswiderstand $R_{i}$ der Quelle und der Eingangswiderstand $R_{M}$ des Ziels zu einem Spannungsabfall und somit zu einer Veränderung des Signals. Das Signal wird abgeschwächt. Diese Art der Störung ist abhängig von der angelegten Spannung und kann durch die Multiplikation der Quellenspannung mit einem konstanten Faktor $c_{R}$ ausgedrückt werden:

$u_{Ziel}(t)=c_{R}\cdot u_{Quelle}(t)={\frac {R_{M}}{2R'+R_{i}+R_{M}}}u_{Quelle}(t)$

Betrachtet man nun noch zusätzlich den Induktivitätsbelag $2L'$ und die Koppelkapzität $C'$ erhält man für die Leitung ein System, welches sowohl den aktuellen Pegel des zu sendenden Signals als auch das Zeitverhalten des Signals beeinflusst. Um so länger die Leitung ist, um so stärker fallen die genannten Beläge ins Gewicht und um so stärker wird das Spannungssignal verfälscht. In der Realität sind außerdem noch Störungen von außen zu betrachten, welche das Signal zusätzlich additiv verfälschen. Um so länger die Leitung ist, um so stärker fallen auch die Leitungsbeläge und die Störungen ins Gewicht. Dadurch ist die sinnvolle Länge einer Leitung für die Spannungsschnittstelle in Abhängigkeit vom verwendeten Material und der Umgebung limitiert.

Asymmterische Spannungsschnittstelle

Die asymmterische Spannungsschnittstelle ist die technisch einfachste Realisierung einer Schnittstelle zwischen zwei Systemen, welche mit elektrisch übertragenen Informationen arbeiten. Eine solche Schnittstelle benötigt nur eine elektrische Leitung pro Informationskanal. Zusätzlich wird für alle Leitungen gemeinsam eine gesonderte Leitung benötigt, welche das Bezugspotential realisiert.

Die zu übertragende Information wird nun als Potentialdifferenz zwischen der Signalleitung des Kanals und dem Bezugspotential codiert und übertragen. Meist liegen in elektronischen Systemen die Informationen schon als elektrisches Signal vor, welches ohne weiteren technischen Aufwand als Schnittstellensignal verwendet werden kann. Das Signal kann aber auch ohne großen Aufwand verstärkt werden.