Die elektrischen Signale breiten sich auf den Leitungen mit einer endlichen Geschwindigkeit von ca. 2/3 der Lichtgeschwindigkeit aus. Sie brauchen somit für einen Meter ca. 5 ns. Ein Kabel von 1200 Meter Länge wird somit in ca. 6 µs durchschritten.
Die elektrische Energie kann an einem Kabelende nicht einfach verschwinden, sondern kommt wieder zurück. Man spricht von den Reflektionen. Das reflektierte Signal überlagert sich mit dem hinlaufenden Signal und kann dazu führen, dass das ursprüngliche Signal zerstört wird. Reflektionen treten für einen Teil der Signalleistung auch auf, wenn die Eigenschaften der Leitung sich verändert indem z.B. zwei unterschiedliche Kabel zusammengeschaltet werden. Diese Reflektionen treten grundsätzlich bei allen Bitraten auf. Die Wirkung ist aber unterschiedlich. Bei hohen Bitraten, d.h. kurzen Bitzeiten ist die Wirkung gravierender.
Wirkung von Reflektionen
- oben: tiefe Bitrate
- unten: hohe Bitrate
Signalverlauf mit wenig Reflektionen
Signalverlauf bei zu vielen Reflektionen
Als Gegenmassnahme werden Leitungsabschlüsse eingesetzt. Die Leitungsabschlüsse haben die Aufgabe, die Energie des elektrischen Signals aufzunehmen und somit Reflektionen am Kabelende zu vermeiden. Die optimalsten Resultate erreicht man, wenn der Abschluss gleich gross wie der Wellenwiderstand des Kabels ist. Dieser Abschluss muss an beiden Enden des Kabels angebracht werden.
Die Busleitung kann mit einem Induktivitätsbelag L' und einem Kapazitätsbelag C' modelliert werden. Aus diesen beiden Grössen kann - bei genügend hohen Frequenzen - der Wellenwiderstand einfach bestimmt werden:
Jeder Anschluss wie ein Stecker oder Klemme stellt eine Kapazität dar und erhöht somit den Kapazitätsbelag der Leitung. Dies verändert den Wellenwiderstand und führt somit zu mehr oder weniger grossen Reflektionen. Darum werden beim PROFIBUS maximale Steckerkapazitäten und maximale Längen von Stichleitungen vorgeschrieben.