USB-Isolator ME-USB Iso(-HS)

Warum USB isolieren?

Für eine Isolation/galvanische Trennung von USB kann es mehrere Gründe geben:

  • Vermeiden von Einstreuungen durch Netzteile oder Störungen durch Brummschleifen, die durch unterschiedliche Masse-Potenziale entstehen (zum Beispiel Messtechnik, Steuerung, Audio- und Video-Technik).
  • Schutz der PC- oder angeschlossenen USB-Hardware vor Spannungsspitzen.
  • Personenschutz in der Medizintechnik bei Röntgen-, Ultraschall-, Endoskop-, Laser-Systemen und ähnlichen. Hier wird eine Isolations-Spannung von 4 kV gefordert (Richtlinie 93/42/EWG für Geräte der Medizin-Technik, Zulassung nach EN 60601-1 und EN 60601-1-2. Mehr dazu » hier.

Anwendungsbeispiel - Störungen eliminieren durch USB-Isolation:

USB-Isolator ME-USB Iso in der Musik-Elektronik

Die Ausgangssituation: In der elektronischen Musik gibt es kaum noch Musiker, die nicht ihr MacBook oder Laptop auch live auf der Bühne einsetzen. Werden nun Musikinstrumente direkt per "MIDI-over-USB" an den Rechner angeschlossen, kann es oft zu Störungen kommen: Laptop-Netzteile, die in die Anlage hinein stören und sich mit deutlich hörbarem Knistern und Rauschen bemerkbar machen oder Brummschleifen durch unterschiedliche Masse-Potentiale.
Die klassische MIDI-Schnittstelle ist standardmäßig durch Optokoppler auf der Empfangsseite isoliert. Wenn die Masseleitung (Pin 2 und Schirm) nicht angeschlossen ist, ist MIDI somit vollständig galvanisch getrennt, wodurch derartige Störungen und Masseschleifen eliminiert werden. Bei USB sorgt die Verwendung des symmetrischen, verdrillten Leitungspaar zwar für eine Unterdrückung von auf das Kabel eingestrahlten Störungen. Es erfolgt jedoch keine galvanische Trennung.
Als Lösung für das oben genannte Problem werden häufig Entstörfilter (Massetrennfilter/Groundloop-Isolatoren) zur Entkopplung des Audiosignals verwendet. Dies kann jedoch zu Einbußen bei der Audio-Bandbreite führen und wird bei vielen Audio-Kanälen recht unübersichtlich. Technisch einfacher ist die galvanische Trennung von USB, da hier nur digitale Daten übertragen werden.

Die Lösung: Der ME-USB Iso von Meilhaus Electronic ist ein vielseitiger USB-Isolator, der in solchen Fällen einen sicheren Schutz zwischen einem Computer und einem angeschlossenen USB-Gerät bildet. Er schützt Peripherie und USB-Host vor Spannungsspitzen und verhindert zudem Masse-Schleifen. Der Isolator wird einfach zwischen Computer und USB-Gerät geschaltet und arbeitet vollkommen transparent ohne Treiber oder zusätzliche Software. Die Isolationsspannung (1 s) beträgt bis zu 1 kVAC/2,1 kVDC (ME-USB Iso) mit eingebauter Überspannungs-/Transienten-Unterdrückung bis 8 kV. Die Versorgung der kompakten Box erfolgt vom PC über USB ("self-powered", oder optional per externem Netzteil). Das Gerät unterstützt USB 2.0 Fullspeed (12 Mbps) und USB 1.1 Lowspeed (1,5 Mbps).

Der ME-USB Iso verwendet eine induktive Trennung, d. h. galvanische Isolation durch zwei elektrisch voneinander getrennte Spulen. Sollte eine galvanische Trennung mit Optokopplern erforderlich sein, bildet der USB-GT, ebenfalls von Meilhaus Electronic erhältlich, die Alternative. Dieses Modul isoliert die USB-Strecke bis 4000 V. Es ist auch in einer Variante mit 4-fach Hub sowie mit Zulassung für Anwendungen in der Medizintechnik erhältlich.

Beispiel-System mit USB-Isolation zwischen Laptop und USB-Gerät

Im Anwendungsbeispiel wird der ME-USB Iso in einem Audio-System einer Hobby-Band eingesetzt. Zum Einsatz kommt ein handelsüblicher Laptop mit Windows. Über USB wird direkt ein Synthesizer/Keyboard angeschlossen. Die Audio-Ausgänge aller Geräte werden in das Bandmischpult eingespeist. Beim Aufbau ohne den USB-Isolator werden vom Laptop-Netzteil deutliche und sehr unschöne Störgeräusche eingestreut. Diese lassen sich weitgehend eliminieren, wenn der Laptop vom Stromnetz/Netzteil genommen und per Akku betrieben wurde. Nun wird der ME-USB Iso in die USB-Verbindung zwischen Laptop und das erste Keyboard geschaltet. Die Störungen wird ebenfalls weitgehend eliminiert mit dem Vorteil, dass durch den Netzbetrieb des Laptops die Akku-Laufzeit für längere Proben oder Auftritte keine Rolle mehr spielt.

Hintergrund: "MIDI-over-USB"

Viele moderne, elektronische Musikinstrumente wie Keyboards, Synthesizer, Grooveboxen, Soundmodule, Effektgeräte und Sampler werden von ihren Herstellern inzwischen zusätzlich zu MIDI mit einem USB-Interface ausgestattet. Damit können diese Instrumente auch direkt an einen Mac/PC mit USB angeschlossen werden, ohne dass ein zusätzliches MIDI-Interface erforderlich ist. Per "MIDI-over-USB" werden wie gewohnt MIDI-Befehle an das Instrument gesendet bzw. vom Instrument empfangen - zum Beispiel von einem Sequencer-/Music-Production-Programm aus. Offensichtlicher Vorteil: Statt zweier MIDI-Kabel wird nur noch ein USB-Kabel benötigt. MIDI ist eine serielle Schnittstelle (0 mA/5 mA-Stromschleife), bei der für Senden und Empfangen (MIDI OUT-zu-IN und IN-zu-OUT) zwei getrennte Kabel verwendet werden. Bei USB hingegen erfolgt die gesamte Übertragung über ein Kabel mit einem symmetrischen, verdrillten Leitungspaar.

Das 1981 entwickelte MIDI-Protokoll ist, mit Ausnahme von Systemexklusiv-Daten ("SysEx") streng definiert. Jeder MIDI-Befehl enthält zum Beispiel außer der Befehlskennung und den Befehlsdaten auch eine Kanalnummer. Das Protokoll von MIDI-over-USB weicht vom herkömmlichen MIDI-Protokoll in einigen Punkten ab. USB als modernere Schnittstelle bietet sehr viel mehr Möglichkeiten wie zum Beispiel "Plug&Play": Während ein Gerät, das an MIDI angeschlossen wird, dadurch zunächst keine weitere Reaktion am Interface auslöst, werden über USB an einen Mac/PC angeschlossene Musikinstrumente automatisch erkannt und bei Bedarf die Installation eines Treibers eingeleitet.

Rein technisch gesehen ist die Geschwindigkeit der MIDI-Schnittstelle mit 31,250 kBits/s weit überholt. Meist fällt dies in Studioproduktion oder beim Live-Auftritt nicht ins Gewicht. Bei der Übertragung von größeren Datenmengen wie Firmware-Updates oder Sound-Banken macht sich der Zeitgewinn durch die höheren Geschwindigkeiten von USB (Full-Speed bis 12 Mbit/s, High-Speed bis 480 Mbit/s, zukünftig Super-Speed bis 5 Gbit/s) jedoch durchaus bemerkbar, so dass auch dies häufig für die Verwendung von "MIDI-over-USB" spricht.