Aktiver RS-485 Modbus Terminator

Störungen und Fehler auf dem RS485 BUS?
Stabile RS485-Kommunikation leicht gemacht

Modbus RTU und RS485 sind seit Jahrzehnten bewährte Standards in der Industrie- und Gebäudeautomation. Trotzdem zählen Kommunikationsprobleme auf dem Bus nach wie vor zu den häufigsten Fehlerquellen in der Praxis.

Ein oft unterschätzter Punkt dabei ist die korrekte Terminierung und Vorspannung (Bias) der Datenleitungen. Genau hier setzt unser aktiver Modbus Terminator an.

Warum überhaupt ein Modbus Terminator?

RS485 ist ein differentielles Bussystem, das speziell für längere Leitungen und mehrere Teilnehmer ausgelegt ist. Damit das zuverlässig funktioniert, muss der Bus an den Enden korrekt abgeschlossen werden.

Fehlt dieser Abschluss oder ist er falsch dimensioniert, kommt es zu:

• Signalreflexionen
• undefinierten Pegeln im Ruhezustand
• sporadischen Kommunikationsfehlern
• instabilen oder nicht reproduzierbaren Busproblemen

Passiver vs. aktiver Abschluss

Ein klassischer passiver Abschlusswiderstand (typisch 120 Ω) reduziert zwar Reflexionen, löst jedoch nicht das Problem schwebender Pegel, sobald kein Teilnehmer aktiv sendet.

Der aktive Modbus Terminator kombiniert daher zwei Funktionen:

• saubere Leitungsanpassung
• aktive Bias-Vorspannung der Datenleitungen

Dadurch befindet sich der Bus auch im Leerlauf in einem klar definierten logischen Zustand.

Ein Blick auf die Schaltung

Die Schaltung des aktiven Modbus Terminators besteht aus mehreren funktionalen Blöcken:

• Abschlusswiderstände zur Impedanzanpassung
• Bias-Widerstände zur Pegeldefinition
• RC-Tiefpass zur Filterung von Störungen

Die Vorspannung der Modbus-Leitungen A und B erfolgt über eine externe Versorgungsspannung (typisch 24 V).

Der integrierte Tiefpass – warum er so wichtig ist

Um Störungen aus der Versorgungsspannung und hochfrequente Einkopplungen zu unterdrücken, ist die Bias-Schaltung mit einem RC-Tiefpass versehen.

Berechnung der Grenzfrequenz des RC-Tiefpasses

Die Grenzfrequenz f_c eines RC-Tiefpasses berechnet sich nach folgender Formel:

$$f_c = \frac{1}{2 \cdot \pi \cdot R \cdot C}$$Einzusetzende Werte:$$R = 120\ \Omega$$$$C = 100\ \mu\text{F} = 100 \cdot 10^{-6}\ \text{F}$$

Einsetzen in die Formel:$$f_c = \frac{1}{2 \cdot \pi \cdot 120 \cdot 100 \cdot 10^{-6}}$$

Ergebnis:$$f_c \approx 13{,}3\ \text{Hz}$$
Damit werden schnelle Störungen zuverlässig gedämpft, während die DC-Bias-Spannung stabil erhalten bleibt. Das sorgt für einen ruhigen und definierten Buszustand, selbst in elektrisch rauen Umgebungen.

Störungen auf RS485-Bussen

In der Praxis wirken unterschiedliche Störarten auf einen Modbus-Bus ein.
Besonders relevant sind dabei zwei Formen:

Gleichtaktstörungen (Common-Mode)

Bei Gleichtaktstörungen werden beide Leitungen A und B gleichzeitig in die gleiche Richtung beeinflusst. Typische Ursachen sind:

• Schaltnetzteile
• Motoren und Frequenzumrichter
• Erdpotenzialunterschiede
• lange parallele Leitungsführungen

RS485-Empfänger können solche Störungen grundsätzlich gut unterdrücken – allerdings nur innerhalb ihres zulässigen Gleichtaktbereichs.

Gegentaktstörungen (Differential-Mode)

Gegentaktstörungen wirken entgegengesetzt auf A und B und sind besonders kritisch, da sie direkt das Nutzsignal verfälschen können.

Ursachen sind unter anderem:

• fehlende oder falsche Terminierung
• Reflexionen am Leitungsende
• unsymmetrische Leitungsimpedanzen

Genau hier zeigt der aktive Modbus Terminator seine Stärke: Er reduziert Reflexionen und stabilisiert den Buspegel auch im Ruhezustand.

Gleichtakt- und Gegentaktstörungen im Vergleich

Die folgende Grafik verdeutlicht den Unterschied zwischen Nutzsignal, Gleichtakt- und Gegentaktstörungen auf einem RS485-Bus:

Während Gleichtaktstörungen auf beide Leitungen gleichermaßen wirken, ist das Nutzsignal ein differentielles Signal zwischen A und B. Der aktive Terminator trägt dazu bei, beide Störarten wirkungsvoll zu minimieren.

Wichtiger Hinweis zur Installation

Der aktive Modbus Terminator darf nur einmal pro Busende eingesetzt werden. Mehrere aktive Bias-Module im selben Bus können die Pegel verfälschen und die Kommunikation beeinträchtigen.

Die Platzierung sollte daher immer am physikalischen Ende des RS485-Busses erfolgen.

Das heisst, wieder eine Platine zu entwerfen, welches die Aufgabe verlässlich erledigt:

Dann heisst es warten bis die Platinen aus einem regionalen Betrieb eintreffen.
Sind die Platinen eingetroffen, kann mit der Bestückung begonnen werden.

Wie immer bei der Bestückung:
Die niedrigsten Bauteile zuerst, danach erst dann die Hohen. Ansonsten ist immer etwas im Weg !

• Schritt 1
Legen Sie alle Bauteile auf und überprüfen Sie sorgfältig, ob alle vollständig vorhanden sind.
TIP: Besonders kleine Bauteile können sich manchmal in der Verpackung oder anderen Bauteilen verstecken.
Durch vorsichtiges Schütteln der Verpackung oder der Bauteile lässt sich das versteckte Bauteil leicht entdecken.

Die Bestückung kann aus der „Bestückungshilfe“ herausgelesen werden:

• Schritt 2
Verlöten Sie die Widerstände R1, R8 (Widerstand 120R – Farbcodierung: Br/Rd/Bk/Bk/Br).

• Schritt 3
Verlöten Sie den Widerstand R7 (Widerstand 3k32 – Farbcodierung: Or/Or/Rd/Br/Br) und den Kondensator C1 (Kapazität: 100 µF / 35 V)

• Schritt 4
Verlöten Sie nun den Widerstand R9 (Widerstand 390R – Farbcodierung: Or/Wh/Bk/Bk/Br) und die 4 polige Schraubklemme und die Platine ist fertig bestückt.

Viel Spass beim Löten und Blitz detektieren 🙂

Der Bausatz des aktiven Modbus Terminators kann in unserem Shop bezogen werden.

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