RS-485, 5Vdc y 24Vdc sobre un solo cable Ethernet

Recientemente comencé a trabajar en un proyecto que involucra controladores de motor y microcontroladores en una topología de red. Esta es más bien una pregunta teórica, solo algo en lo que estaba pensando. Los microcontroladores funcionan con 5 V CC, los motores funcionan con 24 V CC y los microcontroladores deben comunicarse entre sí. Los microcontroladores controlan los motores localmente con señales pwm utilizando el suministro de 24V. Esto ahora se soluciona con muchos cables.

Entonces, mi pregunta es la siguiente: dado que RS-485 solo usaría 2 cables, aún quedarían 4 cables en un cable Ethernet, entonces, ¿sería posible usar estos cables restantes para proporcionar los niveles de voltaje de 5V y 24V? que solo se usa un cable?

Estoy preguntando esto más desde el punto de vista del ruido. La red de 24 V tiene motores impulsados ​​por señales pwm, me imagino que esto podría causar algo de ruido, el RS-485 también se sumaría a eso, y luego está el 5 V para los microcontroladores y sensores. Pero, por otro lado, el objetivo de un par trenzado debería ser la reducción de ruido. Estamos hablando de cables de 3m como máximo.

¿Cuáles son los requisitos actuales para los dispositivos?
Suena plausible, dependiendo de la tasa de datos. Aunque tendrías una capacidad de potencia limitada. He visto cómo los sistemas de 24 V se salen con la suya metiendo todo en un solo cable sin blindaje, en medio de un ruido horrible. 5V parece mejor generado localmente
La hoja de datos dice que el motor tiene una necesidad de corriente nominal menor o igual a 2100mA. El microcontrolador es un PIC simple con algunos sensores, así que no hay mucho allí.
Sería más inteligente separar los cables para evitar la diafonía.
Si desea verificar cuánta diafonía obtiene, termine ambos extremos con la impedancia coincidente del par trenzado y luego PWM el motor para medir la diafonía usando dos sondas emparejadas calibradas con una línea plana en AB en un DSO. Incluso con 2 cables, probablemente necesitará chokes CM grandes con abrazaderas en el cable del motor.
Mezclamos señales ('485, LVDS) y voltajes de fuente de alimentación pulsantes todo el tiempo en el mismo cable. La clave del éxito es el aislamiento. Todas las señales digitales diferenciales pasan por cables de par trenzado blindado (TSP), de impedancia controlada. Los cables de la fuente de alimentación están retorcidos con sus retornos y también pueden (pero no siempre) tener un escudo alrededor de ellos. Entonces se puede hacer, pero como tantas cosas, hay que prestar atención a los detalles. Estos también son cables personalizados que diseñamos y construimos según nuestras propias especificaciones, no cables ethernet disponibles en el mercado.

Respuestas (1)

"...seria posible...?" ¡Absolutamente!
¿Es una buena idea? Tal vez.

Ha tenido un buen comienzo al alimentar el cerebro y los músculos por separado. Pero aún puede obtener algo de ruido inducido de uno a otro, en parte porque los giros no son perfectos y no están protegidos entre sí .

El comentario de @Pete también es una buena idea. Todavía mantenga las fuentes de alimentación separadas, pero envíe:

  • 24V constantes para los motores. (todavía tiene mucha ondulación de corriente, pero no mucha ondulación de voltaje como lo haría una línea ya controlada)
  • Tal vez 9V para los MCU. Un regulador local en cada placa reduce esos 9 V a 5 V, justo donde se necesitan.

Yo no iría mucho por debajo de 9V. Una gran cantidad de reguladores lineales requieren 2 V de margen superior solo para funcionar (7 V mínimo para 5 V de salida; 6 V de entrada producirían ~4 V de salida a medida que el regulador se satura), y los 2 V adicionales anteriores permiten un "movimiento" inducido por el ruido.

Los capacitores locales en ambos lados del regulador también son útiles. Toman el control a altas frecuencias, mientras que el regulador está realmente diseñado para CC y bajas frecuencias "similares a CC".

Si un estándar existente tiene algún valor para usted, entonces podría echarle un vistazo a PoE. (Alimentación a través de Ethernet) Hay dos variaciones, las cuales usan un solo suministro de 48 V CC y (generalmente) una fuente de alimentación conmutada (convertidor CC-CC) en el extremo receptor como cuestión de rutina. La salida de ese conmutador podría ser cualquier cosa que desee, incluidas múltiples salidas a diferentes voltajes.

Las dos variaciones son simplemente en qué cables se presenta el suministro de 48V:

  • Uno usa las líneas de datos para Ethernet 10/100, por lo que todavía hay 2 pares sin usar en ese cable. Esto se hace con transformadores de derivación central en ambos extremos (pueden estar enterrados en los conectores): un par es de 0 V (tierra) y el otro par es de +48 V.
    Esto suele ser utilizado por conmutadores y otros equipos de red que utilizan las líneas de datos de todos modos.
  • El otro usa esos pares no usados. Como antes, un par tiene ambos cables a 0 V (tierra) y el otro par tiene ambos a +48 V.
    A menudo, los inyectores PoE independientes lo utilizan para que no tengan que tocar las líneas de datos para 10/100. (Gigabit los usa todos, por lo que esta razón ya no funciona para eso).

Un dispositivo PoE debe aceptar ambas variaciones en cualquiera de las polaridades (4 posibilidades) para cumplir totalmente con los estándares, además de la señalización que requiere una fuente compatible con los estándares para habilitar la alimentación en ese puerto. (para que no explote su computadora portátil conectándola a un conmutador PoE)

La versión del inyector (que pone energía en los pares no utilizados) funcionaría con cualquier cosa que solo requiera 2 pares de lo contrario. RS485 cada dirección, por ejemplo.
La versión de conmutador requiere un promedio de CC de 0 V en las líneas de comunicación, que Ethernet satisface pero RS485 no. Puede hacer que funcione de todos modos, con un poco de relleno a nivel de protocolo, o podría "simplemente funcionar" con comunicación escasa y un receptor que interpreta el diferencial de 0V como inactivo.

solo una última cosa, ¿podría también usar un regulador de voltaje de 24V-> 5V y luego deshacerme de la fuente de alimentación de 5V por completo?
@MarcellJuhász En teoría, sí, pero el ruido del motor tiende a atravesar un regulador. Especialmente si escatimas (¡u omites!) las tapas de filtro que lo rodean. Un suministro de conmutación probablemente ya tenga suficiente para manejar su propio ruido de conmutación, pero un regulador lineal probablemente no lo hará. (Además, un registro lineal sería terriblemente ineficiente al dejar caer 24 V hasta 5 V. Entrada de corriente = salida de corriente, y solo cambia el voltaje. Esa diferencia de potencia se pierde como calor en el regulador).
Pasar a través del ruido es solo una función del tiempo de respuesta limitado. Un regulador lineal es esencialmente una resistencia automática, por lo que si dejara de ajustarse por algún motivo, el voltaje de salida estaría muy influenciado por el voltaje de entrada y la corriente de salida, incluido el ruido que tengan. Es el ajuste constante lo que mantiene las cosas bien, pero eso solo puede suceder tan rápido. Los conmutadores son un poco más complicados, pero aún terminan con una trampa similar.
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