¿Por qué dividir la resistencia a ambos lados de un LED?

Question

En el circuito siguiente, ¿hay alguna razón por la que no podamos combinar R1 y R2 en una resistencia de 4 k en cualquiera de los dos lugares?

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Estoy haciendo ingeniería inversa de una placa controladora de ventanas, que ya no está disponible.

La placa tiene tres interruptores de entrada alimentados por una fuente no regulada de 24 V que utiliza este circuito para nivelar las entradas a los pines de entrada de 3,3 V del MCU. D2 y D3 representan un optoaislador (1/4 de LTV-846s). D1 es un LED visible que indica cuando se pulsa la entrada. R1 y R2 son 1/4 de un encapsulado SMD SOIC-16 de 8 resistencias (Bourns 4816P-1). Como hay tres de estos circuitos, dos de las resistencias del paquete se dejan sin conectar.

Pregunta 1: ¿Hay alguna razón por la que este circuito necesite dos resistencias de 2 k, en lugar de una de 4 k? ¿Y por qué habrían utilizado un encapsulado SOIC-16 para seis resistencias, en lugar de sólo tres 0805? La placa tiene muchas otras resistencias discretas 0805.

Pensé que tal vez sería para la disipación de potencia, pero a menos que esté cometiendo un error estúpido, sólo disipa 1 milivatio que incluso las pequeñas resistencias SMD podrían manejar.

Voy a utilizar los mismos optoaisladores (LTV-846s) en mi nueva placa de sustitución. ¿Estoy arriesgando algo sustituyendo ese chip de red de resistencias por tres resistencias discretas 0805 de 4 k?

Pregunta 2: Estaría tentado de deshacerme del circuito de cambio de nivel y usar sólo la alimentación de 3,3 V para los interruptores. Si los cables de 18 AWG hasta el interruptor son como mucho de 100 pies, ¿sería un problema usar sólo 3,3 V? (Creo que son aproximadamente 1 ohm y 1 nF en 100 pies de cable). ¿Estaría corriendo el riesgo de activar la entrada, por el ruido captado del cable?

Answer 1

La optimización de la lista de materiales es un candidato probable. El valor 2k se utiliza probablemente en otra parte y añadir otro valor significaría una línea más en la lista de materiales y una ranura más en la máquina de pick-and-place.

Otra optimización de la lista de materiales podría ser la disponibilidad. Por ejemplo, dos resistencias 0603 son más fáciles de conseguir que una 0805 (para la potencia). Mencionas una resistencia de ocho en SOIC-16. Eso es ciertamente impar, pero si necesitas ese tipo especial de resistencia en otro sitio, tienes dos disponibles y el diseño lo permite, ¿por qué no usarlas y ahorrar unos céntimos?

Answer 2

Si cualquiera de los lados del LED está en cortocircuito con cualquiera de las fuentes de alimentación, probablemente sobrevivirá con dos resistencias. Con una sola, probablemente no.

Si el circuito tiene que ser resistente a los "cabezas de chorlito", quizá el 0,1 céntimo por la segunda resistencia se considerara justificado.

Edición: El comentario de mkeith también es muy válido. Si se mantiene el número de piezas diferentes puede ayudar a reducir el coste del producto- el número de alimentadores en una máquina de montaje SMT es limitado y también puede querer evitar tener que añadir una nueva pieza al inventario, especialmente si usted está haciendo menos de unos pocos miles de piezas.

Answer 3

¿Hay alguna razón por la que este circuito necesitaría dos resistencias de 2k en lugar de una de 4k?

No.

Pensé que tal vez sería para la disipación de potencia, pero a menos que esté cometiendo un error estúpido, su sólo disipar 1 milivatio que incluso pequeñas resistencias SMD podría manejar.

Resta la caída de tensión de dos LED de 24V. Para ser conservadores digamos 20V. 20V/4k \$\Omega\$ es de 5mA. 5mA multiplicados por 20V dan 100 mW.

Estaría tentado de deshacerme del circuito de cambio de nivel y usar sólo la alimentación de 3,3v para los interruptores.

Aunque no está claro cómo se relaciona la masa con los +24V, yo supondría que el circuito es básicamente de "bucle de corriente". El bucle de corriente tiene una alta inmunidad a las tensiones inducidas. Si conectas tu interruptor al MCU directamente a través de un cable de 30 metros, (también necesitarías una resistencia pull-up o pull-down) lo importante será el voltaje en tu pin. Tu inmunidad al ruido desaparecerá. Además, corres el riesgo de dañar el pin de entrada de tu MCU (o más) si hay tensiones inducidas que lleven al pin más allá de su tensión nominal. Yo me quedaría con opto-aislamiento.

¿Estaría subiendo la activación de la entrada de ruido recogido del cable?

Utilice un par trenzado, para minimizar el ruido de la gran longitud del cable. Cualquier cable apto para RS422 o RS485 debería valer. Si tiene un cable Ethernet de repuesto, también funcionará, pero tiene más conductores de los que necesita. Incluso el cableado telefónico debería servir.

Answer 4

Las resistencias están divididas para mejorar la inmunidad a los transitorios en modo común (CMTI), es decir, para separar mejor los dos dominios de alimentación. Los dos lados están aislados galvánicamente, de lo contrario no habría razón para utilizar optodiodos (=aisladores).

Si hay algún ruido (más como perturbaciones causadas por motores, o circuitos rápidos de alta corriente) en uno de los suministros, entonces se acoplará galvánicamente al otro lado a través de las capacitancias entre los dos dominios de suministro. En el siguiente análisis supondré que hay un condensador equivalente desde el lado secundario hasta el ánodo y el cátodo del optododo. El propio optoacoplador también tiene condensadores parásitos. Básicamente, el problema es que la corriente a través de dicho condensador puede encender el optododo, o puede robarle corriente. Ambos casos conducen a una señal errónea.

El objetivo es mantener la misma corriente a través del optododo, independientemente del rebote a tierra o del ruido entre los suministros. El optodo puede ser considerado como un corto cuando emite luz, y un abierto, cuando no lo hace. La relación de las dos resistencias debe coincidir con la relación de los condensadores.

Si el diodo está apagado, la caída de tensión en las dos resistencias debe ser la misma para mantener el diodo apagado. Por lo tanto $$ \frac{dV}{dt} C_1 R_1 = \frac {dV}{dt}C_2 R_2$$

Si el diodo está encendido, la corriente de "ruido" que lo atraviesa procedente de las dos capacitancias debería anularse mutuamente, es decir. $$ \frac{dV}{dt}C_1 \frac {R_1} {R_1 + R_2} = \frac {dV}{dt} C_2 \frac {R_2} {R_1 + R_2} $$

Tenga en cuenta que este análisis es simplificado, porque se supone que sólo hay un nodo del otro lado con condensadores de acoplamiento, pero en la mayoría de los casos es bastante exacto.

Deberías saber, o al menos intuir, si el CMTI es algo de lo que tengas que ocuparte. Consulta la hoja de datos y las notas de aplicación del proveedor del optoacoplador para obtener información sobre la relación de capacitancia. Incluso si no es crítico, tiene sentido dividir las resistencias para reducir estos efectos. Esta división 1:1 es probablemente algo así.

También deberías considerar la simplificación de la lista de materiales, que podría ahorrarte algo de tiempo para encontrar la resistencia adecuada si construyes una nueva (o ahorrarte un alimentador y la configuración de fabricación, además de la logística).

Este y este Las notas de aplicación parecen ser un buen punto de partida para leer sobre el tema. Recuerdo una aún mejor, pero no he podido encontrarla ahora.

También me gustaría señalar, para completar, que el aislamiento óptico es ya una tecnología algo antigua. Aunque se están haciendo esfuerzos para aumentar su robustez y vida útil, existen otras soluciones del tamaño de un chip. Probablemente, las barreras de aislamiento capacitivo son las mejores en cuanto a relación precio-rendimiento. Estos chips pueden tener entrada y salida digitales, accionamiento de puerta integrado o incluso controladores DCDC en el lado secundario. Todo ello facilita la vida del diseñador.

Answer 5

Los optoaisladores cumplen varias funciones:

1. Proteger la MCU de ESD: Tendrías que diseñar una protección ESD adecuada.

2. liberar el potencial de los interruptores, de modo que si se cortocircuitan con algún otro potencial, no se produzcan daños: Recuerde que estos dispositivos son instalados por técnicos que a menudo están bajo mucha presión para hacerlo rápidamente, y los errores que dañan la placa del controlador dan lugar a reclamaciones de garantía y, en general, son mucho más dolorosos que el coste de los optoacopladores. Puede que los optoacopladores estén ahí como lección aprendida de alguna iteración anterior del producto que era menos robusta; eso no me sorprendería.

3. protegiendo al mundo exterior de las emisiones de la MCU: Un cable de 100 pies acoplado a un pin de la MCU es una antena decente. Oirás el reloj y los armónicos desde el otro lado de la calle - imagino que el reloj de la MCU está en algún lugar en el rango de 1-25MHz, y los cables de 100 pies son radiadores bastante eficientes a tales frecuencias. Con el cable acoplado a la patilla de la MCU, tendría que haber una red de filtrado para desacoplar la conexión externa de un plano de tierra y alimentación sucio.

4. exponiendo una interfaz familiar de generaciones de productos anteriores: Es posible que una generación anterior del producto utilizara un suministro de control de 24 V y relés para implementar las funciones de control. El personal instalador estaba familiarizado con los voltajes esperados, y los cambios podrían dar lugar a confusiones, llamadas al servicio técnico, etc. No se necesita mucho tiempo de la línea de asistencia para borrar cualquier ahorro derivado de omitir los optoacopladores.

5. proporcionando una interfaz compatible con versiones anteriores: No es impensable que alguien en algún lugar tuviera un producto, o una solución improvisada, que esperara que las entradas sobrevivieran, digamos, a 24VDC negativos. No esta claro donde van los cables largos, pero si los cables estan conectados directamente entre el interruptor y el resto del circuito, entonces podrias por ejemplo poner 24VAC en el lado superior del interruptor, y disparar el opto.

Yo diría que, dada la relación coste-beneficio, los optoaisladores son la forma más barata de implementar muchas funciones y, al mismo tiempo, proporcionar mucha tranquilidad. También añadiría un diodo de protección de tensión inversa - 1N4007 hacia atrás a través de la serie conectada D1-D2, de modo que la tensión inversa visto por los LEDs siempre está bloqueado.