平衡-不平衡変換回路

お世話になります。

RS485で通信をしている通信線に外乱を印加したく、発信機（BNC 50Ω出力）からの信号を
RS485の通信線に印加したいと考えております。
RS485の通信回路間は、特性インピーダンス100Ωのケーブルで接続しています。
ここで、RS485の回路は平衡回路、発信機は不平衡回路になっております。

[発信機]
|
　(同軸ケーブル：不平衡 50Ω)
|
[インピーダンス整合回路]
|
[RS485]--+---(平衡 100Ω)-----[RS485]

上記なような構成で試したいのですが、その際、インピーダンス整合回路は
LC回路で構成しようと考えております。
その際、平衡-不平衡変換が必要で、何かいい方法がないか思案しております。
発信機からは100kHzくらいのsin波を出力させようと思うのですが、
平衡-不平衡変換するには、同軸ケーブルを使用したバランでは
サイズが大きくなるため、変換ICのようなものでできないかと
考えております。

何か良い方法をご存じの方がいらっしゃましたら
ご教授頂ければ幸いです。

以上、よろしくお願いします。

No.1 回答者： tadys 回答日時： 2014/03/02 17:06

今回の用途では、インピーダンス整合を考える必要はありません。

インピーダンス整合の目的は二つあって、
１．信号源から負荷に供給する電力を最大にする事
２．信号源または負荷あるいは双方のインピーダンスと伝送線路の特性インピーダンスを合わせる事
です。
1については、ミスマッチによる損失が多少あったとしても問題ありません。
２については、同軸ケーブルの長さがせいぜい数メートルなので100kHzの波長（３ｋメートル、短縮率を考えても１．８ｋメートル）に比べて短いので問題ありません。
ケーブルの容量の影響が多少あるだけです。


外乱を加えるのは、ＲＳ４８５のケーブルを切断して、その部分にトランスを介して注入するのが良いでしょう。
二つのラインに注入し、片側の位相を反転させることで同相ノイズと差動ノイズを切り替える事が出来ます。
トランスのインピーダンスがラインに直列に挿入されるのでトランスの２次側インピーダンスは出来るだけ低い事が必要です。
トランスの一次、二次のインピーダンスは発振器の出力振幅と外乱に必要な振幅から決めてください。

トランスはサンスイのＳＴシリーズから選ばばいいでしょう。
オーディオ用ですがインピーダンスが低ければ100ｋＨｚでも使用可能と思われます。
トランスは千石電商から購入できます。
例えば、
http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php …
http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php …
http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php …

これらのトランスで不十分な場合は下記ＵＲＬにあるメーカーから探してみてください。
http://www.indexpro.co.jp/search/search-ctg13.as …

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
2点お教えください。

1) 今回のテストでは、信号源からの外乱をどのくらい印加しても
RS485の通信が継続できるかを確認してみたいと考えております。
ここで、外乱量を多めにしたく、インピーダンス整合回路が必要かと
考えておりました。
このようなテストの場合でも、インピーダンス整合回路は不要でしょうか？
（インピーダンス整合回路なしで外乱発生器からのドライブ能力に頼る？）

2) ご紹介頂きました千石で購入できる小型トランスにつきまして、
外乱発生器の出力（不平衡 50Ω）とRS485の通信線（平衡 100Ω）の間に
直接トランスを介入させるだけでよろしいのでしょうか？
（このあたりの接続についていまいちわかっておりません。）
また、外乱発生器からの出力を１次側（600Ωなど）に接続し、
RS485の通信線に2次側（40Ω）を接続する方法で
よろしいのでしょうか？

以上、初歩的な質問で恐縮ですがよろしくお願いします。

お礼日時：2014/03/02 18:12

No.2 回答者： tadys 回答日時： 2014/03/02 21:38

＞このようなテストの場合でも、インピーダンス整合回路は不要でしょうか？

負荷に対してどれだけの電力が供給できるかが問題です。
信号源の供給できる電力が必要な電力ギリギリで有れば、電力を最大に取り出す為に整合が必要です。
電力に余裕が有れば整合は不必要です。
100Ω負荷に1Ｖの電圧を供給するとして、
50Ωの信号源が50Ω負荷に0.75Ｖ以上の供給できるのであれば整合は不要です。
50Ω負荷に0.707Ｖ～0.75Ｖの電圧が虚球出来るのであれば整合する事で100Ω負荷に1Ｖの電圧を供給する事が出来ます。
50Ω負荷に0.707Ｖ未満しか供給できないのであれば整合を取っても供給できません。
要するに、無負荷時の信号源の出力電圧が負荷に必要な電圧の1.5倍以上の電圧で有ればインピーダンスマッチングの必要はありません。
この電圧は、トランスの変圧比によって変化する事に注意！

＞このあたりの接続についていまいちわかっておりません。
回路図を添付します。
トランスの一次側を信号発生器に、二次側をラインに直列に入れます。
二次側はラインに直列に入るのでインピーダンスが高いとRS485ドライバの出力インピーダンスが高くなって回路動作に影響を与えます。
トランスの変圧比を大きくすることで二次側のインピーダンスが下がりますが、その分電圧が下がる事に注意してください。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
大変助かりました。

お礼日時：2014/03/02 23:46

No.3 回答者： veryyoung 回答日時： 2014/03/03 20:56

ご質問者に必要な周波数特性しだいですが、既回答にあるトランスを通信線に挿入した際の特性劣化が、少々大きそうで心配になりました。

オーディオ帯域下限（例100Hz）で励磁リアクタンスが10Ωあるとしましょう。励磁インダクタンスと漏洩インダクタンスの比を典型的な値 1000 ： 1 に想定すると、15μH程度が、線路と直列に入る計算になります。100Ω＠ 1MHzですから、果たして許容範囲なのか少し懸念があります（私の推察に誤りがあればご指摘ください）。10Ω程度の抵抗を並列に入れれば、直列インピーダンス的には、許容範囲になるかもしれません。しかし、トランス１次２次間による数10pF程度の対GND容量は残ってしまいます。パルストランス：
http://www.datel.murata-ps.jp/products/magnetics …
から選択すれば、もう少し適当なものがあるかもしれませんが本質的改善までは至りません。

同相の外乱注入に限れば、もっと素性の良い方法があります。通信ケーブルをツイストペアの形態のままフェライトコアに巻きつけ、もう一本巻線を施してトランス構成にし、そこから外乱信号で駆動します。この方法なら通信線に差動のインダクタンスが追加される事はありません。伝送特性（差動）にほとんど影響を与えること無く、簡単に同相信号を重畳できます。
Mn-Zn系スイッチング電源用フェライトコア：
http://www.tdk.co.jp/tjfx01/ferrite_mz_sw_t_ja.pdf
http://www.tdk.co.jp/tjfx01/ferrite_mz_sw_e_ja.pdf
の 5μH/N^2 程度のものを選べば、巻線は10ターンでも、励磁リアクタンス 300Ω at 100kHz 得られる計算です。巻き回数は１：１で良いと思います。

一方で、伝送特性に影響を与えず、差動信号を線路に直列に注入するのは簡単では無さそうです。では並列に・・・と言う方法もありますが、その前に試験が何を模擬したいのか、明瞭にすべきかもしれません。トランスによる差動注入が、例えばツイストペアの線間が外部磁束を捕らえた誘導電圧を意味するなら、省略可能な実験かもしれません。実環境での誘導電圧は小さいと思われる上に、差動の誘導電圧値と障害量の関係は比較的明快だからです。対照的に、ツイストペアとGNDが囲むループの同相モード誘導電圧は、桁違いに大きく、CMRRは、GND間インピーダンス不均衡で差動に変換される量などを含んで、少々複雑です。こちらの試験は、やりがいがありそうに見えます。

あくまで当該伝送の未経験者の印象です。不可解な点はご指摘ください。

No.4 回答者： angkor_h 回答日時： 2014/03/16 17:04

ノイズ源の発振器出力にトランスをつけて絶縁し、二次側に可変抵抗器をつける。

485配線の片線を切って、この可変抵抗の両端に接続する。
485配線の両線をオシロ(2チャンネルバランスモニター)で確認しながら、発振器の出力レベルと可変抵抗器を変化させれば、印加雑音レベルは調整できる。

こういう回路にインピーダンス整合は無視して結構です。
インピーダンス整合の目的は、損失最小で電力を伝達することです。
今回の目的は、485レシーバーに於いて、本来の485信号に対する外来ノイズの比にどこまで耐えうるか、だと思いますので。

485ラインにノイズを与える際に、485両線の直流バランスをくずしてしまうと、受信エラーの原因がどこにあるのか解析できなくなるので、、
「同軸ケーブルを使用したバラン」(どんなものか意味不明)やIC回路よりは単に絶縁トランス利用が懸命でしょう。