Trennen und Filtern: USB- und analoge Geräte galvanisch trennen sowie Signale filtern | Teil 2 von 2

Ein Muss für Audio-Freaks und ambitionierte Gamer: Die galvanische USB-Trennung

Die sogenannte galvanische Trennung oder auch USB-Isolation ist ein Konzept, bei dem zwei oder mehrere Schaltungsteile elektrisch isoliert werden, um den unerwünschten Stromfluss zwischen ihnen zu verhindern. Dies wird üblicherweise durch Transformatoren, Optokoppler oder kapazitive Kopplung erreicht. Das Ziel ist es, empfindliche elektronische Geräte vor Spannungsspitzen, Erdungsproblemen und anderen Formen von elektrischen Störungen zu schützen. Soweit die Theorie. Doch was bringt uns das in der Praxis?

PCs und andere elektronische Geräte können beispielsweise durch plötzliche Spannungsspitzen beschädigt werden, die durch externe Quellen wie Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge im Stromnetz entstehen können. Die galvanische Trennung verhindert, dass solche Spitzen die verbundenen Geräte erreichen. Das klingt erst einmal nicht sonderlich relevant, betrifft aber auch statische Aufladungen. Ich habe selbst bereits ein Mainboard verloren, weil ich mich aus Versehen am USB entladen habe.

Nicht ganz unbedeutend sind auch wieder die sogenannten Masseschleifen, die wir ja bereits gestern schon einmal innerhalb des PCs thematisiert hatten. Vor allem bei Audio-DACs und anderen Peripherie-Geräten, die direkt über den USB mit Strom versorgt werden, spielen die Störungen und schnell pulsierenden Ströme über die Masseleitungen eine leider viel zu oft gut „hörbare“ Rolle. Doch es geht sogar auch noch auch „außenrum“, wenn wenn zwei Geräte unterschiedliche Erdungspotenziale haben und somit ein unerwünschter Stromfluss entsteht, der als Erdungsschleife bekannt ist. Dies kann zu Datenverlust, Fehlfunktionen oder sogar Beschädigungen der Geräte führen. Die galvanische Trennung eliminiert dieses Risiko, indem sie eine direkte elektrische Verbindung verhindert und auch den Stromversorgungszweig „glättet“.

Doch sie dient auch der Reduktion von elektromagnetischen Interferenzen (EMI), die in elektronischen Systemen die Datenübertragung stören und zu Datenverlust oder -korruption führen können. USB-Isolatoren tragen dazu bei, die Übertragungswege vor solchen Interferenzen zu schützen, indem sie eine isolierende Barriere bereitstellen, die die Übertragung von EMI wie z.B. von Grafikkarten, wirkungsvoll verhindert. Bei all diesen Problemen setzen die sogenannten USB-Isolatoren an, die in verschiedenen Preislagen angeboten werden. Doch es gibt neben den unbestreitbaren Vorteilen auch einige Nachteile, die man kennen muss.

Wirkungsweise von USB-Isolatoren

USB-Isolatoren verwenden in der Regel galvanische Isolationstechniken, um eine vollständige elektrische Trennung zwischen dem USB-Host (z.B. einem PC) und dem angeschlossenen USB-Gerät zu erreichen. Diese Isolation wird oft durch Transformator-Kopplung (für die Datenleitungen) und optische Kopplung (für die Signalleitungen) erreicht, wobei beide Methoden effektiv verhindern, dass elektrischer Strom direkt zwischen den Geräten fließt. Die  Transformator-Kopplung wird verwendet, um die Datenleitungen zu isolieren. Ein Transformator überträgt Signale zwischen Primär- und Sekundärwicklungen durch magnetische Induktion, was eine physische Trennung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen ermöglicht, ohne die Datenübertragung zu beeinträchtigen.

 

Optokoppler (oder optische Isolatoren) werden verwendet, um Signalleitungen komplett elektrisch voneinander durch eine optische Kopplung zu isolieren. Sie übertragen Signale mittels Licht, das von einer LED (Light Emitting Diode) emittiert und von einem Fotodetektor empfangen wird. Diese Methode ermöglicht die Signalübertragung über eine Lichtschranke, ohne dass eine direkte elektrische Verbindung besteht. Durch die Kombination dieser beiden Isolationstechniken ermöglichen USB-Isolatoren die sichere Kommunikation zwischen Geräten, ohne dass die Gefahr besteht, dass elektrische Störungen, Masseschleifen oder EMI die Datenintegrität oder die Hardware beschädigen. Was für uns außerdem sehr wichtig ist: Zusätzlich können einige USB-Isolatoren auch eine isolierte Stromversorgung für das angeschlossene Gerät bereitstellen, was den Schutz vor schädlichen elektrischen Einflüssen weiter erhöht und auch die Störgeräusche über die Stromversorgung erheblich reduzieren kann..

Nachteile der USB-Isolatoren und ein Workaround

Trotz ihrer unbestrittenen Nützlichkeit können handelsübliche USB-Isolatoren bestimmte Nachteile haben, wie die Nichterkennung bestimmter USB-Devices oder eine verringerte Strombelastbarkeit auf der 5-Volt-Leitung. Diese Probleme können durch die Funktionsweise der Isolatoren und die Anforderungen der angeschlossenen Geräte verursacht werden. Wir wissen ja bereits, dass USB-Isolatoren den Daten- und Stromkreislauf zwischen dem USB-Gerät und dem Host-Computer elektrisch trennen und wie das geschieht. Doch während diese Trennung Schutz bietet, kann sie auch die Übertragungsleistung beeinträchtigen, insbesondere bei Geräten, die eine höhere Stromversorgung oder schnelle Datenübertragungsraten benötigen.

Viele USB-Isolatoren begrenzen den Strom, der zum USB-Gerät fließen kann, auf Werte unterhalb der USB-Spezifikation von bis zu 500 mA (USB 2.0) oder 900 mA (USB 3.0) pro Port. Diese Begrenzung kann dazu führen, dass Geräte, die eine höhere Leistung benötigen, nicht oder nicht mehr richtig richtig funktionieren oder gar nicht erst als solche erkannt werden, was z.B. bei USB-DACs der häufigste Grund für ein Scheitern der beabsichtigen USB-Isolation sein dürfte. Wenn man sich z.B. die Rezensionen und Kommentar bei den Online-Händler zu solchen Produkten durchliest, dann merkt man schnell, dass die meisten Käufer null Verständnis für diese Thematik besitzen. Das ist ein Scheitern mit Ansage, leider.

Doch es gibt auch noch andere Störungen und negative Einflüsse, die ich wenigstens mal erwähnt haben will. Diese Art der Isolation kann nämlich auch die Datenübertragungsrate beeinflussen. Viele (vor allem günstigere) Isolatoren unterstützen  nicht die vollständigen Übertragungsgeschwindigkeiten, die von USB 3.0 oder höheren Standards angeboten werden, was zu einer langsameren Datenübertragung führt. Das, was ich hier getestet habe, erfüllt mit Ach und Krach USB 2.0, was aber für PC-Audio, die Maus oder eine Tastatur locker reicht. Externe Festplatten oder gar Monitore würde ich da nicht mehr anschließen. Das geht definitiv schief. Bestimmte USB-Geräte, besonders solche mit speziellen Treibern oder Protokollen, können durchaus auch mit dem Isolator inkompatibel sein, weil die Isolation die notwendige direkte Kommunikation zwischen Gerät und Host-Computer stört. Das betrifft auch USB-Dongles, wenn es zusätzlich um Sicherheitsfragen von Device-IDs und Adressen geht. Allerdings ist das jetzt doch ein wenig viel und führt zudem vom eigentlichen Thema des heutigen Artikels weg.

Lösungsansätze

Die Überwindung dieser Nachteile erfordert einen mehrschichtigen Ansatz, wobei die externe Stromversorgung die wichtigste und einfachste Lösung ist. Denn für Geräte, die mehr Strom benötigen, als der Isolator als Brücke liefern kann, kann eine externe Stromversorgung Abhilfe schaffen. Diese Lösung kann entweder durch ein dediziertes Netzteil für das USB-Gerät oder durch einen USB-Hub mit eigener Stromversorgung realisiert werden. Genau das habe ich gemacht und nutze den USB-Isolator zwischen dem dem PC und einem USB-Hub. Das Bild unten ist natürlich rein exemplarisch, denn die USB-Isolatoren, die ich nutze stecken unsichtbar hinten am PC. Nur würdet Ihr da ja nichts sehen. Der Vorteil des abgebildeten aktiven USB-Hubs mit einem eigenen Netzteil ist dabei, dass sogar alle sieben Ausgänge galvanisch vom PC getrennt sind und man nur einen Isolator benötigt.

Einige Hersteller bieten natürlich auch USB-Isolatoren an, die für höhere Strombelastbarkeiten oder Datenübertragungsraten ausgelegt sind und sogar oft genug über einen separaten Stromversorgungsanschluss verfügen. Doch das ist dann natürlich eine Kostenfrage, denn ein günstiger USB-Isolator und ein aktiver USB-Hub sind in der Summe trotzdem meist deutlich günstiger. Die Auswahl eines Isolators, der speziell für die Anforderungen des angeschlossenen Geräts entwickelt wurde, kann viele Probleme von vornherein vermeiden.

Die Signalverstärkung ist zwar bei langen Kabeln (Stichwort Drucker-Anschluss) noch ein Thema, denn in Situationen, in denen die Datenübertragungsrate ein Problem darstellt, kann die Verwendung von USB-Repeater-Kabeln oder -Verstärkern helfen, die Signalintegrität über längere Distanzen hinweg zu bewahren. Nur ist auch das heute kein Gegenstand des Artikels. Trotzdem wollte ich auch das zumindest einmal mit erwähnt haben.

Zwischenfazit

Die effektive Umgehung der Nachteile von USB-Isolatoren erfordert ein Verständnis sowohl der technischen Herausforderungen als auch der spezifischen Anforderungen der USB-Geräte. Durch die Auswahl geeigneter Isolatoren, die Anpassung der Stromversorgung und die Berücksichtigung von Datenübertragungsraten sowie durch die mögliche Anpassung von Hardware- und Software-Lösungen können viele dieser Probleme gelöst werden. In einigen Fällen kann die Zusammenarbeit mit Fachleuten oder die Entwicklung spezifischer Lösungen erforderlich sein, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Oder man liest einfach mal solche Artikel wie den heutigen.