transmitindo sinal de 5v através de um cabo longo

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Estou procurando ajuda aqui, pois preciso de uma resposta confiável para isso. Preciso obter um sinal de entrada (baixa frequência 5v digital pulse) para um microcontrolador a partir de um sensor (proximidade) situado a uma distância do painel de controle.

Vou detalhar os pontos importantes.

  • Distância máxima Tx: 50 m
  • Frequência de pulso digital máxima: 10 Hz
  • Faixa de tensão do sensor: 5 a 30 v (emite a mesma tensão que a fornecida)
  • Entrada máxima para o microcontrolador: 5 v

Para um aplicativo simples e semelhante, é isso que eu fiz antes; o sensor é fornecido com 12 v. Na outra extremidade, o pulso (que agora é de 0 a 12 v) é alimentado ao microcontrolador através de um regulador 7805. Isso funcionou bem, mas alguém me disse que o método não é bom e não é adequado para aplicativos confiáveis. Eu também acho isso feio, mas não espero mexer muito com hardware, construindo circuitos separados, etc ... Alguém pode propor uma solução melhor (ou concordar com a minha: D).

Prefiro muito se não precisar construir nenhum circuito. Se não for possível, pelo menos um muito simples! (Simples no sentido de complexidade de hardware. Um circuito que não precisa de uma placa de circuito impresso, apenas dois fios aqui e ali. É por isso que eu amo a solução 7805). No entanto (infelizmente), a maior prioridade deve ser dada à confiabilidade.

Codinome SC
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Não vejo por que você não pôde ficar com sua solução 7805. Suspeito que aqueles que o repreendem sobre seu uso neste aplicativo estejam fazendo isso porque têm dificuldade em aceitar o uso não convencional de um regulador de tensão. Também não vejo problema com a confiabilidade, mas encorajaria a adição de um único pequeno capacitor de 0,1uF entre a saída e o GND da peça para garantir a estabilidade. Na taxa de resposta de 10Hz, não acho que o capacitor adicionado apresentará problemas de resposta ao pulso do sensor, a menos que o pulso seja muito muito estreito em comparação com a taxa de pulso de 100mseg.
Michael Karas
@MichaelKaras great !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
codinome SC

Respostas:

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Uma abordagem recomendada seria usar um acoplador óptico seguido por um comparador (por exemplo, LM339 ), ou melhor, uma parte integrada, como o acoplador óptico de saída da porta lógica Fairchild Semi FODM8071 .

O motivo pelo qual o optocoupler é recomendado :

É provável que haja uma diferença de potencial de aterramento em um cabo de 50 metros, também a possibilidade de captar EMI pelo cabo longo. O acoplador óptico elimina quaisquer preocupações de loop de aterramento / incompatibilidade em potencial, bem como a necessidade de corresponder com precisão a tensão de alimentação do sensor ao microcontrolador.

O uso do opto permitirá que uma tensão mais alta seja usada no circuito do sensor, reduzindo a sensibilidade ao ruído EMI.

Um benefício adicional da parte específica de Fairchild sugerida acima é sua alta imunidade a ruídos. Isso resultará em uma aquisição de sinal mais estável, importante considerando as distâncias envolvidas.

O FODM8071 é uma peça SMT com chumbo de 5 pinos, portanto, usá-la é essencialmente como não ter que construir nenhum circuito adicional - você pode conectar a peça e seus poucos componentes discretos com suporte ao estilo deadbug , se desejar, ou montá- los em um proto placa de circuito impresso.

Anindo Ghosh
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essa é provavelmente a melhor solução, mas se o cabo tiver um condutor de aterramento, não acho que a incompatibilidade potencial seja significativa. Eu tentaria um divisor resistivo, essa é a solução mais simples, ou a solução zener abaixo da qual é ainda mais precisa.
precisa saber é o seguinte
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Opto na extremidade micro é definitivamente a idéia mais elegante, eu seria paranóico (experiência com telecomunicações / relâmpago / EMC) e adicionaria alguns diodos / tranzorbs de proteção para salvar o opto de tensões dispersas / reversas / sobretensões. Em geral, é preferível enviar um sinal maior abaixo da linha (envie 12v e lide com ele no micro), em vez de começar com um pequeno sinal e lute para recebê-lo de forma confiável. Também pode ajudar sua causa (imunidade a ruídos) se o seu sensor puder acionar alguma corrente abaixo da linha, por exemplo, através de um resistor de terminação de 100 Ohm. Veja o padrão RS485 / RS422 para exemplos.
você
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@CodenamedSC: procure "midi microcontroller" ou "midi schematic". Milhares de coisas por aí. Outra direção para futuras pesquisas é o loop atual , sendo o MIDI um exemplo simples disso.
Phil Geada
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Alguns termos de pesquisa do google / wikipedia para você: MIDI, DMX, RS-232, RS-485, RS-422, loop de corrente de 20mA, sinalização diferencial.
você
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Provavelmente, isso é um exagero para o aplicativo em questão, embora, como mencionado, haja aplicativos em que o custo e a complexidade extras sejam justificados.
Chris Stratton
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Transmitir 10 Hz acima de 50 m não é um problema difícil, então você encontrará várias maneiras de fazer isso. Para uma solução quase tão simples quanto a que você tinha antes, sugiro um circuito zener simples.

insira a descrição da imagem aqui

Como antes, você simplesmente forneceria ao seu sensor uma tensão acima de 5 V. Diga 6 - 12 V e deixe esse circuito limitador reduzir a tensão a um nível compatível com o circuito a jusante. Você precisará ajustar o valor de R1, dependendo da corrente de saída máxima (ou desejada) do circuito do sensor e da tensão do sensor que você escolher. O custo pode estar muito próximo da solução 7805, dependendo do zener que você escolher.

Como o optocoupler sugerido em outra resposta, isso fornece proteção contra transientes de alta tensão induzidos no cabo, pois os diodos zener podem desviar esses transientes para o terra. O circuito do acoplador óptico pode romper os loops de terra entre os sistemas de envio e recebimento, mas se a sua solução 7805 estiver funcionando, o zener também funcionará.

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Se você estiver disposto a trabalhar um pouco mais, poderá melhorar esse circuito, tornando-o um pouco mais elaborado:

insira a descrição da imagem aqui

O diodo schottky adicionado protege seu circuito a jusante de transientes negativos. O zener teria feito isso, mas teria apenas transientes limitados a -0,7 V ou mais. O schottky os limitará a -0,3 ou -0,2 V, o que será muito mais seguro para o dispositivo a jusante se for um portão lógico típico.

O capacitor de 4,7 uF adicionado ajudará a reduzir o ruído quando a entrada for baixa.

Por fim, ajustei a tensão do zener para baixo para garantir que a saída fosse segura para uma porta lógica de 5 V, permitindo até mesmo um desvio na tensão do zener, e aumentei o R1 para reduzir a corrente necessária para acionar a entrada.

Todas essas coisas estão sujeitas a ajustes para se ajustarem aos detalhes do seu sensor e circuito a jusante.

Editar

Um ponto-chave que eu precisava pensar da noite para o dia antes de ver:

Supondo que seu cabo de 50 m contenha um fio de sinal e um fio de terra (ou retorno), um acoplador óptico protege contra transientes do modo comum (ou seja, quando o fio de sinal e o terra juntos alteram a tensão em relação ao terra do circuito receptor), enquanto o circuito zener protege contra transientes diferenciais onde a tensão do fio de sinal muda em relação ao fio terra.

Se um raio próximo fizer com que o fio terra e de sinal pule juntos para 100 V por um milissegundo, você precisará do circuito do acoplador óptico para proteger seu receptor contra danos.

Porém, se um motor próximo ligado fizer com que o fio de sinal pule para 30 V acima do fio terra, você precisará do circuito zener para proteger seu acoplador óptico contra sobrecarga.

Obviamente, o tipo de cabo e seu ambiente determinam qual desses cenários é mais provável. Se você estiver usando fio de controle de uso geral, qualquer cenário é realista. Se você estiver usando cabo coaxial, os transientes no modo comum são mais prováveis, mas considere também a possibilidade de danos por ESD devido ao manuseio quando o cabo não estiver conectado ao receptor e também o efeito se o cabo for inicialmente carregado quando estiver conectado ao receptor.

O fóton
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7805 é uma fonte de alimentação , esse aplicativo depende do comportamento do 7805 de maneira "ideal" em uma situação para a qual não foi projetado. Além disso, essa não é realmente uma boa abordagem para resolver o problema. O 7805 requer alguma corrente para operar (o seu sensor pode fornecer corrente suficiente? O carregamento altera o desempenho do sensor?) E prefere ver uma carga na qual dirigir e uma tampa de suavização para evitar oscilação / ondulação. A sugestão de Anindo é bastante sensata para a sua aplicação declarada, a resposta do Photon é boa, mas assume um caminho de sinal muito "limpo" (sem proteção).
você
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@CodenamedSC - Eu realmente não posso explicar este grande lacuna em seu conhecimento elétrica / compreensão aqui, eu realmente não tenho tempo suficiente, mas por favor, confie em mim o 7805 é realmente uma maneira pobre de fazer isso - tanto das sugestões acima são muito melhor.
você
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@CodenamedSC, este circuito é funcionalmente equivalente à idéia 7805. A principal desvantagem do 7805 é que o 7805 não tem capacidade para absorver os transientes que podem ser gerados por interferência no cabo. Esse circuito ou o circuito do acoplador óptico deve ser capaz de lidar com transientes breves nos 100's de volts, para os quais o 7805 não foi projetado.
O Photon
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Essa é a melhor resposta. É simples, e o resistor na extremidade receptora ajudará a absorver as reflexões, embora um melhor desempenho possa ser obtido se o resistor for movido para a extremidade de envio.
Chris Stratton
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@ ChrisStratton Acho que se estivesse usando o acoplador óptico, acrescentaria algo próximo a esse circuito na frente para evitar que os transientes explodissem o acoplador óptico.
O Photon