RS485 erklärt: A, B, Common und Terminierung

RS485 überträgt ein Signal nicht als Spannung gegen Masse, sondern als Spannungsdifferenz zwischen zwei Adern. Aus diesem einen Prinzip folgt fast alles, was auf einer Modbus-RTU-Linie schiefgeht: vertauschte A- und B-Klemmen, eine fehlende dritte Ader, drei Abschlusswiderstände statt zwei, ein Stern statt einer Linie. Nach dieser Lektion messen Sie diese Fehler nach, statt sie durch Umstecken zu suchen.

Warum zwei Adern und nicht eine?

Weil der Empfänger nicht den Pegel einer einzelnen Ader liest, sondern den Unterschied zwischen zweien. Ein RS485-Sender legt unter Last mindestens 1,5 V Differenzspannung an, der Empfänger entscheidet bereits ab 200 mV, ob er eine Eins oder eine Null sieht. Dazwischen liegt die gesamte Störreserve.

Deshalb funktioniert RS485 im Schaltschrank neben einem Frequenzumrichter. Eine eingekoppelte Störung trifft beide Adern des verdrillten Paares fast gleich stark, beide Pegel wandern gemeinsam nach oben oder nach unten, und die Differenz bleibt stehen. Der Empfänger sieht nur diese Differenz, also sieht er die Störung nicht.

Der Preis dafür: Beide Adern müssen gemeinsam in einem Fenster von -7 V bis +12 V gegenüber der Referenz des Empfängers bleiben. Wer dieses Fenster verlässt, verliert die Verbindung.

Warum A und B keine sicheren Bezeichnungen sind

Weil zwei Hersteller dieselben Buchstaben auf entgegengesetzte Klemmen drucken können, ohne dass einer davon falsch liegt. Die Modbus-Spezifikation umgeht den Streit: Sie führt die Kreise als D0, D1 und Common und verlangt genau diese Namen in der Gerätedokumentation. Auf Chipebene ist A der nicht invertierende Anschluss, auf dem Gerät beschriften viele Hersteller aber genau die Klemme mit A oder A(+), die im Ruhezustand die höhere ist. Nach der Norm ist das die B-Leitung.

Die belastbare Regel lautet: Im Ruhezustand steht D1 positiver als D0. D1 entspricht B und D+, D0 entspricht A und D-. Zwei Geräte können also beide nach ihrem eigenen Datenblatt korrekt angeklemmt sein und trotzdem nicht miteinander reden.

Wie Sie die drei Leiter Klemme für Klemme auflegen, steht in der Anleitung zur RS485-Verkabelung für Modbus.

Die dritte Ader, und warum sie keine Erde ist

Ein Two-Wire-Modbus-Bus hat drei Leiter. Der Name meint das Datenpaar, nicht die Gesamtzahl der Adern: ein verdrilltes Paar für D0 und D1, dazu eine gemeinsame Referenz. Diese dritte Ader ist keine Schutzerde. Sie ist der Bezugspunkt, gegen den das Fenster von -7 V bis +12 V überhaupt erst gemessen wird.

Der Satz "läuft doch seit Jahren mit zwei Adern" ist deshalb kein Gegenargument. Solche Anlagen laufen, weil die Netzteile über die Schutzerde zufällig eine Referenz liefern. Das ist kein Entwurf, das ist Glück.

Schirm und Common bleiben getrennt. Der Kabelschirm kommt an einem Ende auf Schutzerde, der Common ist der Signalbezug und wird vorzugsweise an einem Punkt des Busses geerdet, meistens beim Client, also bei der Rolle, die laut Einstiegslektion dieses Kurses die Fragen stellt. Welches Kabel diese drei Leiter mitbringt, steht in der Kabelauswahl für RS485 und Modbus.

Wann Terminierung hilft, und wann nicht

Fangen wir mit einer Messung an. Bus spannungsfrei schalten, Widerstand zwischen D0 und D1 messen. Zwei Abschlusswiderstände von 120 Ohm parallel ergeben 60 Ohm. Messen Sie rund 40 Ohm, dann sitzt ein dritter Widerstand im Bus.

Daraus folgt die Regel: Terminieren Sie an den zwei physikalischen Enden der Linie, nie auf einer Stichleitung und nie mehr als zweimal. Jeder weitere Widerstand belastet den Sender, bis er die geforderten 1,5 V Differenzspannung nicht mehr erreicht.

Was Biasing löst und was es kostet

Terminierung geht um Reflexionen, Biasing um den Ruhezustand. Sendet niemand, treibt kein Sender die Leitung, und sie schwebt. Ein Empfänger liest dann Rauschen als Startbit. Das Symptom sind Geisterframes, sporadische CRC-Fehler und Timeouts, obwohl die Verkabelung stimmt.

Fail-safe-Biasing zieht die Linie in eine definierte Ruhelage: ein Pull-up von D1 auf 5 V, ein Pull-down von D0 auf Common, mit Widerständen zwischen 450 und 650 Ohm. Das gehört an genau eine Stelle des Busses, in der Regel beim Client. Zwei oder drei Geräte mit eingeschalteter interner Polarisierung ziehen die Leitung zu hart und verkleinern die Reichweite.

Und es kostet etwas: Ein polarisierter Bus trägt vier Teilnehmer weniger als ein Bus ohne Polarisierung.

Umgekehrt gilt dasselbe. Manche Geräte bringen eine interne Fail-safe-Polarisierung mit. Setzen Sie dort Abschlusswiderstände, ohne diese Polarisierung zu verstärken, ziehen Sie den Ruhepegel nach unten und ernten genau die CRC-Fehler, die Sie vermeiden wollten. Lesen Sie also das Datenblatt, bevor Sie terminieren.

Wie viele Geräte und wie viele Meter?

Elektrisch sind 32 Teilnehmer ohne Repeater immer zulässig, mit Polarisierung vier weniger. Die Serveradressen 1 bis 247 klingen nach 247 Teilnehmern, aber der Adressbereich ist keine Zusage über den Bus. Mehr als 32 geht nur, wenn jedes Gerät eine anteilige Buslast hat und das im Datenblatt steht.

Bei der Länge nennt die Modbus-Spezifikation 1000 m bei 9600 Baud mit AWG26 oder dicker, und 600 m mit Cat5-Kabel. Die breitere RS485-Literatur nennt 1200 m als Kabelgrenze. Länge und Geschwindigkeit tauschen gegeneinander: Als konservative Entwurfsregel bleibt das Produkt aus Länge in Metern und Baudrate unter zehn Millionen. Bei 9600 Baud sind das die bekannten 1000 m, bei 38400 Baud nur noch rund 250 m. Wie die Bytes über diese Adern laufen, zeigt die Übersicht zu Modbus RTU als Protokoll.

Welche Topologie ist erlaubt, welche nicht

Erlaubt ist die Linie: ein durchgehender Strang mit genau zwei Enden, an dem die Geräte direkt oder über kurze Stichleitungen hängen. Nicht erlaubt sind Stern, Ring und Baum.

Für Installateure aus der KNX- oder 230-V-Welt ist das die überraschendste Regel dieser Lektion. Eine Sternverteilung ab Verteilerkasten ist dort normal und funktioniert. Auf RS485 erzeugt jeder Sternarm ein offenes Leitungsende, und ein offenes Ende reflektiert. Wegterminieren lässt sich das nicht: Eine Verteilung mit fünf Enden hat nicht die zwei Enden, an denen die zwei erlaubten Widerstände sitzen könnten.

Stichleitungen dürfen laut Spezifikation höchstens 20 m lang sein, bei einem Verteiler mit n Abgängen jeweils höchstens 40 geteilt durch n Meter. Je schneller Sie kommunizieren, desto kürzer müssen sie ausfallen: Bei 9600 Baud sind 20 m harmlos, bei 115200 Baud nicht mehr.

Häufige Fehler

Überall terminieren. Einer am Anfang, einer am Ende, und dann noch einer beim neuen Gerät in der Mitte, weil der DIP-Schalter nun einmal da ist. Drei parallele Widerstände von 120 Ohm ergeben 40 Ohm, und dabei erreicht der Sender die geforderten 1,5 V Differenzspannung nicht mehr. Zwei Widerstände an den zwei physikalischen Enden, sonst keiner.

Den Common weglassen, weil es auch so läuft. Ohne Referenz kann die Gleichtaktspannung das Fenster von -7 V bis +12 V verlassen. Das ergibt eine Anlage, die monatelang läuft und dann plötzlich nicht mehr, meistens genau dann, wenn ein neuer Verbraucher dazukommt.

A und B für verlässliche Bezeichnungen halten. Zwei Marken können gegensätzlich beschriften. Reagiert ein einzelner Knoten als einziger nicht, drehen Sie die beiden Adern um. Das dauert zehn Sekunden und kann nichts beschädigen.

Einen Stern legen, weil der Kabelweg das anbietet. RS485 will eine Linie mit kurzen Stichleitungen. Die Reflexionen einer Sternverteilung bekommen Sie mit Terminierung nicht weg.

Selbst ausprobieren

Ziel dieser Übung: messen statt probieren. Sie brauchen nur ein Multimeter und Zugang zur Klemmenleiste eines Geräts.

1. 1

   Client stilllegen

   Stoppen Sie die Abfrage, damit kein Verkehr auf dem Bus steht. Nur im Ruhezustand ist die Polarität aussagekräftig.

2. 2

   Zwischen D0 und D1 messen

   Multimeter auf Gleichspannung, schwarze Spitze an D0, rote an D1. Notieren Sie Wert und Vorzeichen.

3. 3

   Ein Paar bewusst vertauschen

   Drehen Sie die beiden Adern an einem Gerät um und messen Sie erneut. Das Vorzeichen dreht sich. Das ist das Bild, das Sie im Feld wiedererkennen, und es beschädigt nichts.

4. 4

   Gegen den Common messen

   Messen Sie D0 gegen Common und D1 gegen Common. So sehen Sie, dass das Signal symmetrisch um die Referenz liegt.

5. 5

   Bus spannungsfrei schalten

   Erst danach ist eine Widerstandsmessung sinnvoll und ungefährlich.

6. 6

   Widerstand zwischen D0 und D1 messen

   Vergleichen Sie den Messwert mit der Tabelle unten und schließen Sie daraus auf die Anzahl der Abschlusswiderstände.

1 x 120 Ohm            = 120 Ohm
2 x 120 Ohm parallel   =  60 Ohm
3 x 120 Ohm parallel   =    ? Ohm

Ohne Installation: Bauen Sie die Widerstandsmessung auf dem Tisch mit zwei Widerständen und einem Stück Kabel nach, oder rechnen Sie die offene Zeile nur auf Papier aus.

Erwartetes Ergebnis: ein Vorzeichen, das sich beim Umdrehen der Adern umdreht, und ein Widerstandswert, aus dem Sie die Anzahl der Terminierungen ablesen. Die offene Zeile ergibt 40 Ohm. Messen Sie das an einer echten Anlage, liegt ein Widerstand zu viel im Bus. Welche Parameter danach bei allen Teilnehmern übereinstimmen müssen, klärt die Lektion zu Baudrate, Parität und Timing.

Zusammenfassung

• RS485 überträgt die Differenz zwischen zwei Adern: Der Sender liefert mindestens 1,5 V, der Empfänger entscheidet ab 200 mV, und diese Reserve macht den Bus störfest.
• Die Buchstaben A und B sind keine verlässliche Angabe, deshalb gelten D0, D1 und Common, und im Ruhezustand steht D1 positiver als D0.
• Ein Two-Wire-Modbus-Bus hat drei Leiter, weil die gemeinsame Referenz die Gleichtaktspannung im Fenster von -7 V bis +12 V hält.
• Terminierung gehört an die zwei physikalischen Enden der Linie, während Biasing ein anderes Problem löst und vier der 32 zulässigen Teilnehmer kostet.
• Ein RS485-Segment ist eine Linie mit Stichleitungen von höchstens 20 m, kein Stern und kein Ring.