Galvanische Trennung bedeutet, dass zwei Stromkreise elektrisch voneinander isoliert sind. Bei GPIOs (General Purpose Input/Output) ermöglicht diese Trennung den Austausch von Signalen zwischen verschiedenen Systemen oder Komponenten, ohne dass eine direkte elektrische Verbindung besteht. Galvanisch getrennte GPIOs sind besonders wichtig in Industrie-PCs, da sie für mehr Sicherheit und Zuverlässigkeit in anspruchsvollen industriellen Umgebungen sorgen.
Vorteile galvanisch getrennter GPIOs
- Sicherheit:
- Schutz vor Überspannungen: Galvanische Trennung verhindert, dass hohe Spannungen von einem System auf ein anderes überspringen und Schäden verursacht werden.
- Isolation von gefährlichen Spannungen: In Anwendungen mit hohen Spannungen oder in sicherheitskritischen Bereichen schützt die Trennung vor elektrischen Schlägen.
- Störfestigkeit:
- Reduzierung von elektromagnetischen Störungen: Die Isolation verringert Störungen, die durch elektromagnetische Felder verursacht werden.
- Vermeidung von Erdschleifen: Galvanische Trennung verhindert unerwünschte Stromflüsse über Erdverbindungen.
- Flexibilität:
- Kompatibilität mit verschiedenen Spannungspegeln: GPIOs mit galvanischer Trennung können mit unterschiedlichen Spannungspegeln betrieben werden, ohne dass Anpassungsschaltungen erforderlich sind.
- Messgenauigkeit:
- Verhinderung von Messfehlern: Durch die Trennung werden Messfehler vermieden, die durch Potentialdifferenzen oder Erdschleifen verursacht werden.
Nachteile galvanisch getrennter GPIOs
- Höhere Kosten: Die erforderlichen Komponenten (z.B. Optokoppler, Transformatoren) erhöhen die Produktionskosten.
- Höherer Platzbedarf: Die zusätzlichen Bauteile benötigen mehr Platz auf einer Platine.
- Höhere Latenz: Die Signalübertragung über galvanisch getrennte Elemente kann zu einer geringfügigen Verzögerung führen.
Einsatzgebiete
Galvanisch getrennte GPIOs finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, darunter:
- Industrielle Automatisierung:
- Verbindung von Steuerungen mit Sensoren und Aktoren in rauen Umgebungen
- Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten in einer Produktionslinie
- SCADA-Systeme: zur sicheren Datenerfassung in Automatisierungs- und Leitsystemen
- Messtechnik:
- Trennung von Messsignalen zur Vermeidung von Störungen
- Automotive:
- Kommunikation zwischen Steuergeräten im Fahrzeug
- Anschluss von externen Sensoren und Aktoren
- Medizintechnik:
- Isolation von Patienten von elektrischen Geräten
- Energietechnik:
- Überwachung und Steuerung von Energieversorgungsnetzen
Realisierung der galvanischen Trennung
Die galvanische Trennung bei Industrie-PCs wird in der Regel durch spezielle Hardwarekomponenten realisiert, die elektrische Signale übertragen, ohne dass ein direkter leitender Kontakt besteht. Zum Beispiel:
- Optokoppler: Wandeln elektrische Signale in Lichtsignale um und zurück.
- Transformatoren: Übertragen Energie von einem Stromkreis auf einen anderen durch elektromagnetische Induktion.
- Relais: Mechanische Schalter, die durch ein Magnetfeld betätigt werden.
- Kapazitive Koppler: Übertragen Signale über ein elektrisches Feld.
Galvanisch getrennte GPIOs bieten zahlreiche Vorteile, insbesondere in Bezug auf Sicherheit, Störfestigkeit und Flexibilität. Die höheren Kosten und der größere Platzbedarf sind oft durch die erhöhte Zuverlässigkeit und die Vermeidung von Ausfällen gerechtfertigt. Die Wahl der geeigneten Technologie hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Für kundenspezifische Schnittstellen, um externe Signale auszulesen oder interne auszugeben, trennt das InoNet-Entwicklerteam die Signale galvanisch vom Mainboard.
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