Wellenabschluss

Ein Abschlusswiderstand ist ein Widerstand am Ende einer Übertragungsleitung, der die Energie aufnimmt, die sonst in die Leitung zurückfließen würde. Wenn ein elektrisches Signal über einen Draht oder ein Kabel wandert, erwartet es am fernen Ende eine angepasste Impedanz. Endet die Leitung offen oder ist nicht angepasst, reflektiert das Signal zurück und erzeugt Reflexionen, die Daten verfälschen, Klingeln verursachen und Leistung verschwenden. Ein Abschlusswiderstand mit einem Widerstandswert gleich der charakteristischen Impedanz der Leitung (typischerweise 50 Ohm, 75 Ohm oder 120 Ohm je nach Anwendung) nimmt diese reflektierte Energie als Wärme auf und stoppt die Reflexionen abrupt.

Abschlusswiderstände sind unverzichtbar in Hochfrequenzschaltungen und langen Übertragungsleitungen, wo Signalgeschwindigkeiten sich der Lichtgeschwindigkeit nähern und die physikalische Leitungslänge vergleichbar mit der Wellenlänge des Signals ist. In Stromversorgungssystemen erscheinen Abschlusswiderstände auf Steuerleitungen, Kommunikationsleitungen und verteilter Instrumentierung. In der Telekommunikation sind sie Standard bei Koaxialkabeln und verdrillten Paaren. Der Widerstand selbst ist üblicherweise ein Schicht- oder Dickschicht-Element, ausgelegt für die Leistung, die er dissipiert; ein typischer Abschlusswiderstand könnte ein 1/4-Watt-Widerstand an einem Stecker oder inline in einem Kabel sein.

Ohne Abschlusswiderstand kann ein Signalimpuls, der von einer nicht abgeschlossenen Leitung zurückprallt, mehrfache Reflexionen zwischen Quelle und Last verursachen und eine gedämpfte Schwingung erzeugen, die auf einem Oszilloskop als Überschwingen und Klingeln sichtbar ist. Das ist nicht nur lästig: In Datenbussen und Leistungselektronik können Reflexionen Logikpegel verfälschen, falsche Schaltvorgänge auslösen und den Signal-Rausch-Abstand unter zulässige Grenzen senken. In SCADA-Systemen und Schutzrelais können Reflexionen auf Kommunikationsleitungen Steuersignale verzögern oder verzerren und Fehlbedienung riskieren.

Abschlusswiderstände, Typen und Anordnung

Ein Parallel-Abschlusswiderstand verbindet die Leitung gleichzeitig mit Masse und Versorgungsspannungsschienen und zieht kontinuierlich Strom, wobei kontinuierliche Leistung dissipiert wird; das ist einfach, aber verschwendet Energie, wenn die Leitung untätig ist. Ein Serien-Abschlusswiderstand sitzt zwischen Quelle und Leitung und reduziert die Quellenimpedanz zur Anpassung an die Leitung; er dissipiert weniger Leistung, bietet aber weniger Dämpfung. Thevenin-Abschlusswiderstände verwenden einen Widerstands-Spannungsteiler zur Anpassung an eine Spannung in der Mitte zwischen Logikpegeln. Für AC-Signale oder Videoleitungen genügt ein einzelner Widerstand gegen Masse. Für Differenzialpaare und verdrillte Paare muss die Anpassung symmetrisch über beide Leiter angebracht werden.

Der Abschlusswiderstand wird so nah wie möglich am fernen Ende der Leitung angebracht. Bei einer Kabelstrecke von 100 Metern oder länger, die Steuersignale bei MHz-Frequenzen führt, spielt selbst eine kurze Stichleitung zurück zum Schrank eine Rolle; der Abschlusswiderstand sitzt am Geräteverbinder, nicht an einer zwischengeschalteten Verteilerdose. Bei bidirektionaler Kommunikation können beide Enden der Leitung Abschlusswiderstände benötigen und bilden einen Widerstands-Spannungsteiler, der das Signal dämpft. Die charakteristische Impedanz der Leitung hängt von ihrer Geometrie, dem Dielektrikum und dem Leiterabstand ab; sie wird vom Kabelhersteller angegeben und muss vor der Wahl des Abschlusswiderstands gemessen oder berechnet werden.