Uso de optoacopladores al final de un par trenzado

Estoy diseñando una "caja de aislamiento" tonta que se colocará entre una computadora y un equipo de adquisición de datos médicos. El propósito de esta caja es inyectar energía y proporcionar comunicaciones y aislamiento de señales digitales. La longitud total del cable que recorrerán las señales digitales (pulsos cortos >10 µs) es de 10 mo menos, pero la integridad de los bordes es fundamental.

En el lado aislado de la caja, solo tengo acceso a 48 V CC y me gustaría evitar agregar otra fuente de alimentación conmutada sobreespecificada solo para alimentar la interfaz digital (ya necesito una para el lado no aislado). Me gustaría salirme con la mía con solo optoacopladores "pasivos" y un mínimo de circuitos adicionales en el lado del equipo de adquisición de datos, pero me preocupa la terminación adecuada del par diferencial de 100 Ω.

El lado receptor parece lo suficientemente simple, ya que sería una señal de corriente relativamente alta que impulsa el LED del optoacoplador (y un diodo de equilibrio) que puede usar una resistencia de 100 Ω en cada extremo de la línea.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El lado de transmisión parece más problemático ya que cualquier solución que se me ocurra implicaría un nivel de señal reducido que luego requeriría un cambiador de nivel o un comparador en el otro lado (como este) que luego requeriría algunos componentes más para funcionar y para agregue la protección ESD adecuada.

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simular este circuito

¿Estoy complicando demasiado esto? ¿Debería simplemente leer la viñeta y agregar la fuente de alimentación derrochadora y un par de transceptores RS-422 en cada extremo?

Bienvenido a EE.SE. En primer lugar, utilice un optoacoplador digital ultrarrápido como un 6N137, con una capacidad nominal de 10 Mbps. R1 más R2 en serie no deben exceder los 350 ohmios o la velocidad de reloj máxima caerá por debajo de 10 Mbps. Use par trenzado sin blindaje como lo hace Ethernet, con un optoacoplador solo en el extremo receptor. Esa es una respuesta parcial en el mejor de los casos.
@Sparky256 La barrera de aislamiento tiene que permanecer dentro de la caja, no puedo tener líneas parcialmente aisladas viajando junto a líneas aisladas. Así que mi problema está realmente en el lado de la transmisión. En principio, podría usar un segundo optoacoplador para terminar el lado de transmisión, pero eso es solo un cambio de nivel ineficiente.
Bueno, para empezar, los pares de cables que muestra no son de ninguna manera diferenciales o balanceados. Si realmente le importa la integridad de la señal, querrá equilibrar tanto la impedancia como el voltaje/corriente en cada par. ¿Cuántos pares hay en tu cable? ¿No puedes dedicar un par a enviar algo de energía al lado izquierdo de tus diagramas?
@DaveTweed La señal de interés es diferencial, incluso si el modo común está por todas partes. Pero mencionas un buen punto, no había considerado el efecto que estos pares desequilibrados tendrán en los otros pares del cable. Eso podría resolver el problema. Pero no, no tengo más pares disponibles.
sus señales no están balanceadas, ¿puede usar un cable coaxial en su lugar?
@Jasen No. Coax no es una opción.
Los receptores LVDS/RS-422 son esencialmente comparadores y muchos vienen con protección ESD. ¿Son realmente demasiado dos resistencias para un divisor de voltaje?
@CL. Eso sería un desperdicio significativo de energía proveniente de una fuente de 48V. El presupuesto total de energía del sistema es inferior a 15 W.

Respuestas (2)

Los optoaisladores no son ideales en muchos sentidos, incluida la velocidad y las dificultades para cargar la capacitancia del cable impulsado.

Sería mejor considerar la nueva generación de aisladores digitales como los fabricados por TI.
Por ejemplo, si está aislando en el lado de envío (Tx), el TI ISOW7821 es un aislador de dos canales que se puede ejecutar desde un suministro de 3,3 a 5 V. Es bueno para 100 Mbps, por lo que debería ser adecuado para su requisito de tiempo/pulso de 10 us. Si no puede encontrar un suministro de 3.3-5V, entonces tendría que generar esto.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Esta aplicación muestra cómo se conduce un bus CAN, pero el aislador podría usarse para manejar su cable de señal con casi cualquier configuración que desee.

Esas son una alternativa, pero (1) requieren energía en ambos lados (que es lo que estoy tratando de evitar), (2) tienen consideraciones adicionales de EMI y (3) la mayoría de ellos no cumplen con las calificaciones médicas. Utilicé una pieza de TI con suministro aislado interno en una aplicación relacionada antes, pero tuvimos que descartar esa revisión debido al exceso de EMI de la fuente de alimentación interna. Estoy considerando la parte de aislamiento magnético de Linear Devices, pero su fuente de alimentación que funciona a 180 MHz me pone nervioso.
Creo que esa es la parte particular de TI que usamos y a la que me referí en el comentario anterior como causante de problemas de EMI. Afirman estar buscando la certificación médica (60601-1), pero sus propias especificaciones solo especifican un aislamiento de 1000 Vrms. Estoy considerando el ADuM6201 de Analog Devices ( analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/… ) que tiene las certificaciones adecuadas (incluido un aislamiento de 5000 Vrms 1 min y una ruta de fuga de > 8 mm).

Solo por completitud. Decidí en contra de esto. Acabo de usar pares diferenciales RS-422 Rx/Tx estándar que manejan un IC de aislamiento magnético AduM2286 con certificación médica y un par de suministros (sobredimensionados). Las razones de esto son:

  1. No quería que el modo común errante de estas señales interfiriera con mis principales canales de comunicación, que viajan a lo largo de estos cables y no están blindados.
  2. La aplicación se basa en un suelo flotante y es muy sensible a los cambios en este suelo. Tener un modo común errante que pueda acoplarse al entorno y mover este terreno sería un problema. Las corrientes y voltajes relativamente grandes requeridos podrían haberse convertido en un problema.
  3. Los optoacopladores se degradan relativamente rápido. Hemos tenido problemas con estos fallos después de unos pocos años de servicio, incluso con algunas opciones de diseño aparentemente conservadoras.
  4. Aunque hay circuitos integrados de aislamiento magnético RS422 todo en uno con fuente de alimentación integrada de la misma empresa, estos ejecutan la fuente de alimentación a más de 150 MHz. Es bastante engorroso conseguir que el diseño de la placa de circuito impreso cumpla las normas de EMC (particularmente sin una carcasa metálica).
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