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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Электронный измеритель счастья Hitachi 15.02.2015 Компания Hitachi разработала носимое устройство, способное работодателям узнавать об эмоциональном состоянии своих сотрудников. Имея результат, руководство может принимать те или иные решения относительно условий работы подчиненных. Входящая в конгломерат Hitachi Group компания Hitachi High-Technologies, занимающаяся выпуском широкого спектра продукции - от томографов до оборудования для травления полупроводников, - представила устройство для измерения уровня счастья, сообщает Wall Street Journal. Устройство предназначено для измерения счастья в группах сотрудников, например, работающих в конкретном офисе. Для этого все они должны надеть на шею или прикрепить к одежде "измеритель счастья" - небольшой плоский прибор, сопоставимый по размеру с банковской картой. Измеритель оснащен акселерометром. Он регистрирует движения различного типа, включая ходьбу, набор текста на клавиатуре, когда человек встает, садится и кивает головой. Регистрация происходит 50 раз в секунду. Такие данные, полученные со всей группы сотрудников, отправляются в облако Hitachi, где происходит их обработка. На основе анализа активности сотрудника и его физиологических параметров выявляется его эмоциональное состояние. Руководитель группы может воспользоваться облачным сервисом и узнать, в каком настроении пребывают его подчиненные. Согласно многочисленным исследованиям, продуктивность сотрудников компаний зависит от их эмоционального состояния. По этой причине некоторые работодатели регулярно проводят опросы в коллективе, стремясь улучшить условия труда. В Hitachi говорят, что их изобретение позволит отказаться от таких опросов и реагировать на потребности сотрудников быстрее. Hitachi High-Technologies планирует опробовать новое устройство на собственных служащих. Заказчикам измерители будут доступны бесплатно с условием оплаты сопутствующего облачного сервиса. Стоимость обслуживания одного устройства составит $830 в год.

Другие интересные новости:

▪ Пряжа из нанотрубочек

▪ Автомобиль не должен ездить бесшумно

▪ Yamaha Receiver RX-N600

▪ Искусственный интеллект научился клонировать высшие организмы

▪ Диод для защиты высокоскоростных интерфейсов от статического электричества

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Гирлянды. Подборка статей

▪ статья О Байроне, ну о матерьях важных. Крылатое выражение

▪ статья На чьих самолетах в 1916 году опознавательными знаками были красные звезды? Подробный ответ

▪ статья Алтей лекарственный. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Энергия из мусора. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Токопроводы напряжением до 35 кВ. Область применения, определения. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026