Tiefe: Fortgeschritten

Abschlusswiderstand und Busterminierung

Wo gehört ein Abschlusswiderstand hin, wie oft braucht ein Bus ihn — und was passiert, wenn er fehlt oder einer zu viel ist?

Ein Abschlusswiderstand ist das einzige Bauteil im Signalweg, dessen Aufgabe darin besteht, Signal zu vernichten. Er sitzt am Ende einer Leitung, hat den Wert ihres Wellenwiderstands und wandelt die ankommende Welle vollständig in Wärme — damit nichts von ihr zurückläuft und das nächste Bit überlagert. Alles Übrige an diesem Thema sind zwei Fragen: wo er hingehört und wie oft.

In einer langen Steuerleitung läuft ein Signal wie eine Welle. Kommt es am Ende an und findet dort nichts vor, das es aufnimmt, läuft ein Teil davon zurück und stört das, was gerade nachkommt. Der Abschlusswiderstand ist ein kleines Bauteil am Ende der Leitung, das die Welle schluckt. Häufig steckt er als winziger Schalter im letzten Gerät oder als Stecker in dessen Buchse — und genau deshalb wird er beim Umbau übersehen. Eine solche Leitung läuft oft jahrelang, bis jemand ein Gerät ergänzt oder sie verlängert; dann setzt sie ohne erkennbaren Grund aus.

Wozu ein Widerstand am Ende gut ist

Sobald eine Leitung gegenüber dem Signal elektrisch lang wird, verhält sie sich nicht mehr wie ein Draht, sondern wie eine Leitung im nachrichtentechnischen Sinn. Was am Ende auf eine Impedanz trifft, die vom Wellenwiderstand abweicht, wird teilweise reflektiert; bei einem offenen Ende vollständig. Der Reflexionsfaktor und seine Herleitung stehen beim Wellenwiderstand und werden hier nicht wiederholt. Der Abschlusswiderstand ist die praktische Antwort darauf: ein Bauteil, dessen Wert dem Wellenwiderstand entspricht, sodass die Leitung für die ankommende Welle aussieht, als ginge sie unendlich weiter.

Der Wert richtet sich deshalb nach dem Kabel, nicht nach dem Gerät. Bei üblichen Steuerleitungen liegt er zwischen rund 90 und 120 Ohm; bei Koaxialstrecken sind es 50 oder 75 Ohm, je nach Bauart. Eine Abweichung von etwa 20 Prozent gegenüber dem Wellenwiderstand ist bei RS-485 noch brauchbar — die 120 Ohm sind also kein Naturgesetz, sondern der Wert, der zu den gebräuchlichen Busleitungen passt.

Wo er sitzt, und wie oft

Hier liegt die eigentliche Planungsfrage, und sie wird nicht von der Elektrik der Schnittstelle beantwortet, sondern davon, aus wie vielen Richtungen gesendet wird.

Auf einer Strecke mit genau einem Sender läuft die Welle nur in eine Richtung. Abgeschlossen wird dann am fernen Ende, beim letzten Empfänger — so bei RS-422 und so bei DMX512, das zwar RS-485-Bausteine benutzt, aber strikt in eine Richtung arbeitet.

Auf einem Bus, an dem jeder Teilnehmer senden kann, läuft die Welle in beide Richtungen. Abgeschlossen wird dann an beiden Enden, weil jedes offene Ende für irgendeinen Sender das ferne Ende ist. Das ist der Fall bei RS-485; die Belege dazu stehen bei RS-485 und RS-422.

„Ende" heißt dabei das physikalische Ende der Leitung und nicht das letzte Gerät in der Adressliste oder das am bequemsten erreichbare Gehäuse. Wo ein Gerät über eine Stichleitung an der Hauptleitung hängt, bleibt es unterminiert und die Stichleitung kurz — der Abschluss gehört ans Ende der durchgehenden Kette.

Ohne, und mit einem zu viel

Fehlt der Abschluss, überlagert die zurücklaufende Welle das ankommende Signal und verschiebt die Flanken. Ob das stört, hängt an Datenrate und Länge, und darin liegt die Tücke: Kurze Strecken bei niedriger Datenrate laufen ohne Widerstände zuverlässig. Genau deshalb gibt es so viele Installationen ohne Abschluss, die seit Jahren funktionieren — und genau deshalb fallen sie beim ersten längeren Nachrüstweg aus.

Der Fehler in die andere Richtung ist häufiger, weil er aus guter Absicht entsteht: an jedem Gerät ein Widerstand, sicherheitshalber. Die Rechnung dagegen ist einfach. Zwei Abschlüsse zu 120 Ohm liegen für den Sender parallel und ergeben 60 Ohm — dafür ist er ausgelegt. Ein dritter macht daraus 40 Ohm, ein vierter 30. Der Signalhub sinkt mit jeder zusätzlichen Last, und der Empfänger am entferntesten Ende, der ohnehin am wenigsten abbekommt, unterschreitet irgendwann seine Entscheidungsschwelle von 200 Millivolt. Das Fehlerbild sieht dann aus wie ein defektes Gerät: Die nahen Teilnehmer antworten, die fernen nicht.

Beide Fehler haben eine gemeinsame Signatur, an der man sie erkennt: Sie sind abhängig von Länge, Datenrate und Teilnehmerzahl und nicht von einem einzelnen Gerät. Wer ein sporadisch ausfallendes Gerät tauscht und denselben Fehler zurückbekommt, sollte an dieser Stelle aufhören, Geräte zu tauschen.

Abschluss ist nicht Vorspannung

Ein zweites Bauteilpaar wird regelmäßig mit der Terminierung verwechselt, weil es an derselben Klemme sitzt und ebenfalls aus Widerständen besteht: die Fail-Safe-Vorspannung. Sendet gerade niemand, ist der Bus hochohmig und der Zustand der Leitung undefiniert; Empfänger können dann Störungen als Daten lesen. Zwei Widerstände gegen Versorgungsspannung und Masse ziehen den Ruhezustand auf einen definierten Pegel.

Die beiden Funktionen sind unabhängig, und beide belasten den Bus. Die Vorspannung gehört genau einmal in den Bus, üblicherweise am Master; wo mehrere Geräte sie mitbringen und alle eingeschaltet sind, gilt dieselbe Rechnung wie beim dritten Abschlusswiderstand. Viele neuere Bausteine bringen eine Fail-Safe-Funktion intern mit und brauchen die externe Beschaltung nicht.

Wo terminiert wird und wo nicht

Strecke	Abschluss	Wo
RS-485	an beiden Enden	erstes und letztes Gerät der durchgehenden Kette
RS-422	einmal	am fernen Ende, beim letzten Empfänger
DMX512	einmal	am letzten Gerät der Kette, oft als Abschlussstecker
Word Clock über Koax, durchgeschleift	einmal	letztes Gerät mit 75 Ohm, alle davor hochohmig
Koax-Verteilung	an jedem ungenutzten Ausgang	Verteiler und Abzweiger
DALI	keiner	belegt bei der DALI Alliance
KNX TP	keiner	Bauart der Schnittstelle
Ethernet über Twisted Pair	keiner von außen	im Sende- und Empfangsbaustein enthalten
Lautsprecherleitung	keiner	bei Audiofrequenzen spielt Z₀ keine Rolle

Zwei Zeilen daraus verdienen einen Satz mehr. Der Verzicht bei DALI und KNX TP ist kein Versäumnis der Normung, sondern eine Entwurfsentscheidung — beide arbeiten mit so niedrigen Datenraten, dass Reflexionen bis zur zulässigen Leitungslänge folgenlos bleiben; im Gegenzug erlauben sie freie Topologien einschließlich Stern. Wer sie wie RS-485 plant und terminiert, belastet einen Bus, der das nicht vorsieht. Und die Word-Clock-Zeile ist der Ort, an dem dieselbe Regel im Heimkino am häufigsten verletzt wird; sie steht ausführlich bei Word Clock und PTP.

Häufiges Missverständnis

„Mehr Abschluss schadet nicht." Er schadet, und zwar berechenbar: Jeder zusätzliche Widerstand liegt parallel und halbiert nicht die Reflexion, sondern den Spielraum des Senders. Die Vorstellung dahinter ist, ein Abschlusswiderstand sei eine Art Filter, den man großzügig setzen kann. Er ist aber eine Last, und die Norm rechnet mit genau der Zahl davon, die die Topologie verlangt.

Der umgekehrte Fehlschluss beruft sich auf Erfahrung: „Bei uns läuft es ohne." Das stimmt meistens und sagt nichts über die Anlage nach der nächsten Erweiterung. Ein Bus ohne Abschluss hat keine Reserve — er arbeitet in einem Bereich, in dem die Reflexionen zufällig klein genug bleiben, und die Grenze verschiebt sich mit jedem Meter Leitung und jedem zusätzlichen Teilnehmer. Wer ohne Abschluss übergibt, hinterlässt eine Anlage, die beim nächsten Umbau ausfällt, ohne dass jemand den Zusammenhang sieht.

Der dritte betrifft den Wert. „120 Ohm ist der Abschlusswiderstand" ist eine Faustregel, die aus dem üblichen Busleitungstyp stammt und nicht aus der Schnittstelle. Maßgeblich ist der Wellenwiderstand des tatsächlich verlegten Kabels — wer eine vorhandene Leitung anderer Bauart mitbenutzt, muss den Abschluss danach wählen und nicht nach der Zahl, die im Handbuch des Geräts steht.

Nicht zu verwechseln mit

Wellenwiderstand: Die Eigenschaft der Leitung, aus der sich der richtige Wert ergibt. Der Abschluss ist ein Bauteil, das diesen Wert nachbildet — die Antwort auf Z₀, nicht Z₀ selbst.
Fail-Safe-Vorspannung: Definiert den Ruhezustand, wenn niemand sendet. Sitzt an derselben Klemme, gehört einmal in den Bus und hat mit Reflexionen nichts zu tun.
Lastimpedanz eines Lautsprechers: Auch eine Last am Ende einer Leitung, aber sie nimmt Nutzleistung auf und ist der Zweck der Verbindung. Der Abschlusswiderstand nimmt eine Störung auf und ist ihr Preis. Mehr dazu bei der Impedanz.
Dämpfungsglied: Setzt den Pegel herab, etwa um einen Eingang nicht zu übersteuern. Es sitzt oft am selben Ort und löst ein anderes Problem.
50-Ohm-Abschlussstecker aus der Messtechnik: Sieht einem 75-Ohm-Videoabschluss zum Verwechseln ähnlich, passt mechanisch und ist elektrisch falsch. Dieselbe Falle wie beim BNC selbst.

Beim Umbau — die Kette bekommt ein neues Ende

Ein Haus mit motorisierter Verschattung wird um einen Anbau erweitert. Der bestehende RS-485-Bus läuft als Kette durch das Erdgeschoss und endet bislang am Antrieb im Wohnzimmer; im Anbau kommen drei weitere Antriebe dazu. Die Steuerung ist dieselbe, die Software ändert sich nicht, und die naheliegende Ausführung ist, vom Wohnzimmer aus weiterzuziehen.

Die Konzeptfrage vor dem ersten Meter Kabel lautet: Wo liegen nach dem Umbau die beiden physikalischen Enden der Leitung? Die Antwort ist unbequem, weil sie ein Gerät betrifft, das niemand anfassen wollte — der Antrieb im Wohnzimmer ist nach der Erweiterung kein Ende mehr, sondern ein Teilnehmer in der Mitte. Solange diese Frage nicht beantwortet ist, ist die Verlängerung eine Wette darauf, dass die Strecke kurz genug bleibt.

Steht diese Antwort, schrumpft der Umbau auf drei Handgriffe. Der Abschluss im bisherigen Endgerät wird entfernt, der neue letzte Antrieb im Anbau bekommt ihn. Die Vorspannung bleibt, wo sie ist, und wird nicht mitgezogen — sie hängt am Master und nicht am Ende. Und die drei neuen Antriebe werden durchgeschleift statt sternförmig angebunden, auch wenn der Verteiler im Anbau das nahelegt. Wo eine Stichleitung unvermeidlich ist, bleibt sie so kurz, dass sie als Stichleitung durchgeht.

Erst danach kommt die Gerätefrage, und sie ist an dieser Stelle klein: Ob der neue Antrieb den Abschluss als Steckbrücke, als DIP-Schalter oder als Klemme mitbringt, entscheidet nur darüber, wie gut man ihn beim übernächsten Umbau wiederfindet. Wo Lage und Wert der Abschlusswiderstände in der Anlagendokumentation stehen, ist bei RS-485 und RS-422 begründet — dieser Umbau ist der Fall, für den man sie aufschreibt.

Verknüpfte Inhalte

Warum eine Leitung überhaupt einen definierten Wert hat und wann er zählt, steht beim Wellenwiderstand; die Abschlussregeln der beiden seriellen Schnittstellen samt ihrer Belege bei RS-485 und RS-422. Der Lichtbus, der ohne Abschluss auskommt, ist DALI; die Taktverteilung, an der dieselbe Regel im Technikraum gilt, Word Clock und PTP. Die einfachere serielle Schnittstelle ohne Terminierungsfrage behandelt RS-232, die Schaltspannung ganz ohne Bus der Eintrag zum 12-Volt-Trigger.

Quellen

Die Abschlusslage bei RS-422 und RS-485, die zulässige Abweichung gegenüber dem Wellenwiderstand und die Empfängerempfindlichkeit von 200 Millivolt stammen aus dem TI-Bericht SLLA070C, der die beiden ANSI-Normtexte zusammenfasst. Der Verzicht auf Abschlusswiderstände bei DALI ist bei der DALI Alliance belegt, die Abschlussregel für DMX512 in ANSI E1.11.