Блок гальванической развязки интерфейса RS-232. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Компьютеры

 Комментарии к статье

Между корпусами связанных по интерфейсу RS-232 приборов, например, компьютера и периферийного устройства, иногда имеется довольно большая разность потенциалов. Так бывает не только при работе с высоковольтными установками, но и при неправильном или ненадежном заземлении обычных приборов. Текущий в подобных случаях по линиям связи уравнивающий ток искажает передаваемые сигналы, он же нередко выводит из строя интерфейсные микросхемы, в том числе расположенные на материнской плате компьютера. Замена последней - дело не дешевое. Избежать неприятностей поможет предлагаемый блок оптической развязки, передающий все необходимые сигналы без электрического контакта соединяемых устройств.

В описываемом блоке электрическая изоляция цепей приема и передачи сигналов интерфейса RS-232 достигнута с помощью быстродействующих диодных оптронов и усилителей-формирователей сигналов на ОУ. Питают взаимно изолированные части блока от раздельных сетевых источников. Применять транзисторные оптроны с питанием непосредственно от линий интерфейса сочтено нецелесообразным. Во-первых, недостаточное быстродействие большинства таких оптронов не позволяет достичь скорости передачи более 9600 Бод. Во-вторых, возрастает вероятность отказа интерфейсных микросхем в результате ложащейся на них дополнительной нагрузки.

Схема узла оптической развязки для одной интерфейсной линии приведена на рис. 1. Входной сигнал стандартных для RS-232 уровней через защитную цепь R1VD1VD2 поступает на ОУ DA1, включенный по схеме повторителя.

Излучающий диод оптрона U1 подключен к выходу DA1 катодом и защищен от обратного напряжения диодом VD3. Резистор R2 ограничивает ток через диоды. Если напряжение на входе узла отрицательное (что соответствует передаче лог. 1), через излучающий диод течет ток и фотодиод оптрона U1 под действием ИК излучения находится в проводящем состоянии. В результате напряжение на инвертирующем входе ОУ DA2 больше, чем на неинвертирующем, а на выходе узла - отрицательное, как и на входе. При положительном входном напряжении (лог. 0) излучающий диод оптрона U1 погашен, фотодиод закрыт. Поэтому напряжение на выходе узла тоже положительное. Благодаря обратной связи через резистор R7 пороги переключения узла развязки из 1 в 0 и из 0 в 1 неодинаковы, что улучшает помехоустойчивость.

Уровни выходного напряжения при использовании указанного на схеме ОУ и напряжении питания ±12 В составляют ±10,5 В, что вполне соответствует требованиям стандарта RS-232. Резистор R8 - ограничительный для установленного вне рассматриваемого узла светодиода, сигнализирующего о передаваемом логическом уровне.

Питающие напряжения на входную и выходную части узла развязки (соответственно +12 ВI, -12 ВI и +12 ВII, -12 В II) должны быть поданы от попарно изолированных источников. Их общие цепи Общ. I и Общ. II также изолированы друг от друга. Печатная плата узла развязки и расположение элементов на ней показаны на рис. 2.

ОУ КР544УД2А можно заменить на КР140УД11, КР140УД18 и другие, но при этом необходимо убедиться, что временные искажения передаваемых сигналов не превысят допустимых для нужной скорости передачи данных. Замену оптрону АОД130А следует подбирать по минимальной длительности нарастания и спада выходного импульса и требуемому для решаемой задачи напряжению изоляции.

В одном из вариантов узла развязки был применен диодный оптрон, находящийся внутри микросхемы К293ЛП1. Имеющиеся у нее выводы позволяют подключить к оптрону внешние цепи, как показано на рис. 3. Выводы 7 и 8 оставляют свободными. Чтобы избежать пробоя между выводами 2 и 4, отверстие и контактную площадку для вывода 3 микросхемы К293ЛП1 на печатной плате делать не следует. Сам вывод перед монтажом удаляют.

Для связи устройств по интерфейсу RS-232 зачастую достаточно всего двух цепей: RXD (данные от периферийного устройства к компьютеру) и TXD (данные в обратном направлении). Схема блока развязки для такого случая показана на рис. 4. Блок состоит из двух описанных выше узлов развязки А1 и А2, совершенно одинаковых, но включенных в указанные выше цепи в противоположных направлениях. Розетку XS1 соединяют непосредственно или "модемным" (без перекрестных связей) кабелем с вилкой СОМ-порта компьютера, а к вилке ХР1 подключают периферийное устройство совершенно так же, как если бы его подключали к компьютеру без изоляции.

Учтите, что корпусы разъемов интерфейсных кабелей нередко оказываются соединенными через экранирующую оплетку последних с корпусами компьютера и периферийного устройства. По этой причине корпусы разъемов XS1 и ХР1 необходимо тщательно изолировать друг от друга и от корпуса блока развязки (если он металлический). Следует помнить, что прикоснувшись одновременно к двум разъемам, можно получить электрический удар.

Перемычки между контактами розетки XS1 нужны, чтобы "обмануть" компьютер, имитируя сигналы периферии, поступающие в ответ на его запросы. Если реальный обмен управляющими сигналами все-таки необходим, перемычки удаляют и добавляют в блок еще по одному узлу развязки для каждой из линий интерфейса. В линии DCD, RI, CTS, DSR (входные для компьютера) эти узлы включают аналогично А1. В линии RTS и DTR (выходные) - аналогично А2. Так как линии DCD и RI на практике используют сравнительно редко, обычно достаточно иметь шесть узлов развязки.

Четыре напряжения питания для узлов развязки получают от изолированных обмоток II и III трансформатора Т1 с помощью выпрямителей на диодных мостах VD1 и VD2. Их значения не стабилизированы и могут находиться в интервале 11,5...13,5 В (по абсолютному значению).

Трансформатору питания Т1 необходимо уделить особое внимание. Изоляция между его обмотками должна выдерживать напряжение, не меньшее того, на которое рассчитаны установленные в узлах развязки оптроны, - 1500 В и более. Обмотки II и III должны быть экранированы друг от друга и от обмотки I, иначе через паразитную емкость возможно проникновение в линию связи импульсных помех.

Нужное напряжение способна выдержать изоляция только тех малогабаритных трансформаторов, обмотки которых размещены на разных кернах магнитопровода или в отдельных секциях каркаса на одном керне. Однако готовый трансформатор такой конструкции с нужными обмотками, да еще с экраном между ними, приобрести вряд ли удастся. Остается подобрать подходящий по габаритной мощности и перемотать его вторичные обмотки. Предпочтение следует отдать трансформатору со сравнительно свободным окном магнитопровода. Это позволит без хлопот разместить обмотки с усиленной изоляцией и экраном.

Расчет новых вторичных обмоток сложности не представляет При первичном напряжении 220 В и токе нагрузки не менее 30 мА каждая вторичная обмотка должна давать 20 В (с отводом от середины). Измерив вторичное напряжение до переделки трансформатора и подсчитав в процессе разборки число витков удаляемой обмотки, легко определить нужное число витков новой. Оно изменится пропорционально напряжению. Обмоточный провод берут диаметром 0,1...0,15 мм. Он с запасом выдержит нужную нагрузку, а более тонкий в намотке очень неудобен.

Трансформатор заводского изготовления почти всегда залит лаком, но при некотором навыке его все-таки можно разобрать, не повредив обмотку и пластины магнитопровода Я делаю это так Ножом с тонким лезвием отделяю верхнюю пластину от набора, стараясь не повредить обмотки. Чтобы лезвие входило внутрь центрального стержня магнитопровода, оно должно быть достаточно узким. Чем большую часть пластины удалось отделить, тем выше вероятность успешной разборки. Далее не сильно, но прочно зажимаю магнитопровод в тисках (через картонные прокладки) и с помощью подходящей по размеру вспомогательной пластины из закаленной стали выбиваю из каркаса оставленную не зажатой отделенную от набора пластину.

Дальнейшая разборка обычно затруднений не представляет. Закончив ее, я удаляю из соответствующей секции каркаса имеющуюся вторичную обмотку и наматываю новые, не забыв предусмотреть между ними экран - незамкнутый виток из медной фольги или слой обмоточного провода виток к витку. В качестве изоляции между обмотками или обмоткой и экраном укладываю по несколько слоев промасленной конденсаторной бумаги. Ее можно "добыть", разобрав бумажный конденсатор большой емкости например, используемый в пускорегулирующих устройствах люминесцентных ламп. Закончив перемотку, возвращаю пластины магнитопровода на место.

Не стоит расстраиваться, если несколько пластин остались "лишними". На качество работы трансформатора это не повлияет. Если две вторичные обмотки на каркасе разместить не удалось, можно изготовить два одинаковых трансформатора, каждый с одной хорошо изолированной вторичной обмоткой. Их первичные обмотки включают в сеть параллельно.

Собрав блок, следует прежде всего проверить изоляцию между цепями разъемов XS1 и ХР1. Омметр, включенный между любым контактом или корпусом первого и любым контактом или корпусом второго разъема, должен показать бесконечно большое сопротивление. В ответственных случаях изоляцию проверяют мегомметром, развивающим соответствующее испытательное напряжение. Один его вывод подключают к надежно соединенным вместе контактам и корпусу розетки XS1, второй - аналогичным образом к вилке ХР1. Следует проверить изоляцию интерфейсных цепей и от питающей сети, а также от магнитопровода и экрана трансформатора Т1.

Первое включение собранного блока производят, не соединяя его с компьютером и периферийным устройством. Измеряют напряжение на контактах 1, 2, 6, 8, 9 розетки XS1 и на контактах 3, 4, 7 вилки ХР1 относительно контакта 5 соответствующего разъема. Оно должно превышать +10 В, а при подаче на контакт с тем же номером противоположного разъема напряжение ниже -5 В (относительно вывода 5 этого разъема) смениться отрицательным -10 В или менее. Одновременно должен загораться соответствующий светодиод. Естественно, проверке подлежат только те цепи, которые в собранной конструкции снабжены узлами развязки. Например, в блоке по схеме, изображенной на рис. 4, достаточно проверить напряжение между контактами 2 и 5 розетки XS1 и между контактами 3 и 5 вилки ХР1

Убедившись в работоспособности блока, подключают его между компьютером и периферийным устройством и, включив питание (первым - компьютера), с помощью тестовой или рабочей программы убеждаются в правильной передаче данных.

Описанный блок в шестиканальном варианте успешно работает более полутора лет, обеспечивая связь компьютера с осциллографом TDS-340, находящимся под потенциалом 2000 В. Блок проверен и при связи компьютера с установленным в другом помещении промышленным контроллером на базе микропроцессора 18031.

Максимальная скорость передачи информации - 19200 Бод. В работе с более высокой скоростью необходимости не возникало, хотя теоретически такая возможность имеется.

Автор: Н. Марамыгин, г. Москва

Смотрите другие статьи раздела Компьютеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Впервые преоодолена передача ВИЧ от матери к ребенку 02.01.2026

Проблема вертикальной передачи ВИЧ - от матери к ребенку - остается одной из ключевых задач глобальной медицины. Недавний отчет Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) демонстрирует историческое достижение: Бразилия впервые в своей истории полностью преодолела этот путь передачи вируса. Страна стала 19-й в мире и первой с населением более 100 миллионов человек, которая достигла такого результата. Достижения Бразилии основаны на комплексных медицинских программах, обеспечивающих своевременный доступ к диагностике и терапии для всех слоев населения. ВОЗ официально подтвердило, что уровень передачи ВИЧ от матери к ребенку снизился до менее двух процентов. Более 95% беременных женщин в стране получают регулярный скрининг на ВИЧ и необходимое лечение в рамках стандартного ведения беременности. Изначально программа тестировалась в крупных муниципалитетах и штатах с населением более 100 тысяч человек, а затем была масштабирована на всю страну. Такой подход позволил унифицировать ста ...>>

Нанослой германия увеличивает эффективность солнечных батарей на треть 02.01.2026

Разработка высокоэффективных солнечных батарей остается одной из ключевых задач современной энергетики. Недавнее исследование южнокорейских ученых позволило повысить производительность тонкопленочных солнечных элементов почти на 30%, что открывает новые перспективы для возобновляемых источников энергии, гибкой электроники и сенсорных устройств. Команда исследователей сосредоточилась на элементах на основе моносульфида олова (SnS) - нетоксичного и доступного материала, который идеально подходит для гибких солнечных панелей. До настоящего времени эффективность SnS-устройств оставалась низкой из-за проблем на границе контакта с металлическим электродом. В этой области возникали структурные дефекты, диффузия элементов и электрические потери, что существенно ограничивало возможности таких батарей. "Этот интерфейс был главным барьером для достижения высокой производительности", - отмечает профессор Джейонг Хо из Национального университета Чоннам. Для решения этих проблем ученые предлож ...>>

Электростатическое решение для борьбы с льдом и инеем 01.01.2026

Борьба с льдом и инеем на транспортных средствах и критически важных поверхностях зимой остается сложной и затратной задачей. Ученые из Virginia Tech разработали инновационную технологию, способную разрушать лед и иней без использования тепла или химических реагентов, что открывает новые возможности для безопасной и экологичной зимней эксплуатации транспорта. Исследователи обнаружили, что лед и иней образуют кристаллическую решетку с так называемыми ионными дефектами - заряженными участками, способными перемещаться под воздействием электрического поля. Эти дефекты являются ключом к управлению прочностью льда и его удалением с поверхностей. Когда на замерзшую поверхность подается положительный электрический заряд, отрицательные ионные дефекты притягиваются к источнику поля. Это вызывает разрушение кристаллической решетки льда, в результате чего часть льда буквально "отскакивает" от поверхности. Такой эффект позволяет удалять лед без применения внешнего тепла или химических средств ...>>

Случайная новость из Архива Фоновая музыка мешает творчеству 19.03.2021 Фоновая музыка, вопреки распространенному мнению, не улучшает, а ухудшает творческие способности человека. К такому выводу пришли исследователи из Швеции и Великобритании. Они предлагали участникам исследования выполнить ряд заданий со словами, требующих творческого подхода. Как оказалось, фоновая музыка значительно ухудшала вербальные способности людей. При этом не имело значения, нравилась ли музыка участникам и какие жанры они слушали. В то же время ученые выяснили, что в библиотеке, где тоже присутствует фоновый шум, участники эксперимента справились с творческими заданиями так же хорошо, как и в полной тишине. Известный психолог Джон Марш утверждает, что это можно объяснить тем фактом, что фоновый шум в библиотеке стабилен и не меняется, а это означает, что он не сильно мешает.

Другие интересные новости:

▪ Квашеная капуста как средство от рака

▪ Подземный гараж на даче

▪ Электропроводящий гель поможет создать гибких роботов

▪ Эффективное средство против обледенения поверхностей

▪ Смоделировано происхождение Луны

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Радиолюбительские расчеты. Подборка статей

▪ статья Птичье молоко. Крылатое выражение

▪ статья Когда впервые были применены ракеты? Подробный ответ

▪ статья Работа на автомате для изготовления штуковок. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Тестер операционных усилителей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Направленный ответвитель. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025