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:

Хорошо управляемые луга могут компенсировать выбросы от скота 15.02.2026

Животноводство, особенно разведение крупного рогатого скота, часто обвиняют в значительном вкладе в глобальное потепление из-за мощного парникового газа - метана, который выделяется при пищеварении у жвачных животных. Это вызывает острые политические споры и призывы к сокращению потребления мяса. Однако ученые напоминают, что полная картина климатического воздействия отрасли не ограничивается только выбросами от животных: огромную роль играет окружающая экосистема - пастбища, почва и растительность, которые способны активно поглощать углекислый газ из атмосферы. Исследователи из Университета Небраски-Линкольна решили глубже изучить этот баланс. Группа под руководством профессора Галена Эриксона сосредоточилась на том, как правильно организованные пастбища накапливают углерод в растениях и грунте благодаря естественным процессам, стимулируемым выпасом скота. Ученые подчеркивают, что при достаточном уровне осадков и грамотном управлении такие луга превращаются в мощные природные погло ...>>

NASA тестирует инновационную технологию крыла 15.02.2026

Коммерческая авиация ежегодно расходует колоссальные объемы керосина, что сказывается не только на бюджете авиакомпаний, но и на состоянии окружающей среды. В 2024 году глобальные затраты на авиационное топливо достигли 291 миллиарда долларов, и эта сумма продолжает расти. Чтобы справиться с этими вызовами, NASA активно работает над технологиями, способными заметно повысить аэродинамическую эффективность самолетов. Одним из самых перспективных направлений стало создание специальной конструкции крыла, которая максимизирует естественный ламинарный поток воздуха и минимизирует сопротивление. В январе 2026 года специалисты NASA Armstrong Flight Research Center успешно провели важный этап наземных испытаний концепции Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow (CATNLF). Для эксперимента под фюзеляж исследовательского самолета F-15B закрепили вертикально ориентированную масштабную модель высотой около 0,9 м (3 фута), напоминающую узкий киль. Такая компоновка позволила подвергнуть прототип р ...>>

Забота о внуках очень полезна для здоровья мозга 14.02.2026

Общение между поколениями приносит радость всей семье, но мало кто задумывается, насколько активно бабушки и дедушки, заботящиеся о внуках, поддерживают свою умственную форму. Регулярное взаимодействие с детьми стимулирует мозг пожилых людей, помогая сохранять память, скорость мышления и общую когнитивную активность. Новые научные данные подтверждают, что такая добровольная помощь не только важна для общества, но и может замедлять возрастные изменения в мозге. Исследователи из Тилбургского университета в Нидерландах провели анализ, чтобы понять, приносит ли уход за внуками реальную пользу здоровью пожилых людей. Ведущий автор работы Флавия Черечес отметила, что многие бабушки и дедушки регулярно присматривают за детьми, и оставался открытым вопрос, насколько это положительно сказывается на их собственном благополучии, особенно в плане когнитивных функций. Ученые поставили цель выяснить, способен ли регулярный уход за внуками замедлить снижение памяти и других умственных способ ...>>

Случайная новость из Архива Феромоны против вредителей посевов 11.12.2022 Основной вред сельскому хозяйству наносит бабочка под названием совка хлопковая. Она пожирает около 1/5 всех выращиваемых культур, однако ученые из Лундского университета выяснили, как с ней бороться. Самки насекомых могут привлекать партнеров в полной темноте без какого-либо звукового сигнала и на расстоянии сотен метров, используя половые феромоны. Самцы отслеживают запах этих химических сигналов и спариваются с самками, которые затем откладывают яйца. После этого вылупляются голодные личинки, уничтожающие посевы. "Мы можем применять в поле искусственные соединения феромонов, которые будут распространяться повсюду в воздухе и перекрывать первоначальный сигнал от настоящей самки", - пояснил Хонг-Лей Ванг, исследователь группы феромонов в Лундском университете в Швеции. Эта сплошная оболочка полового запаха усложняет самцам поиск самок и спаривание, и поэтому популяция насекомых сокращается, а это означает, что в этом районе меньше вредителей, которые могут нанести ущерб урожаю. Специалисты уже выделили необходимые химические элементы из масличных культур и опробовали свою разработку, сравнив ее эффективность с синтетическими феромонами, которые применяются в сельском хозяйстве. До сих пор затраты на эти вещества ограничивали их широкое применение. Создание искусственных феромонов было довольно дорогим, поэтому их применяли только тогда, когда это было рентабельно - например, для защиты фруктов. Но теперь Ван и его коллеги открыли способ доступного и устойчивого производства феромонов. Они также опробовали свою разработку на полях. Со временем количество самцов совок на территориях, обрабатываемых феромонами, существенно уменьшилось. Это говорит о высокой эффективности нового метода.

Другие интересные новости:

▪ МОП-транзистор 160 А для автомобильного применения от Toshiba

▪ 4К дисплей со сверхшироким цветовым охватом

▪ Хранение солнечной энергии на молекулярном уровне

▪ Робот-курьер Hyundai

▪ Скрытая идентификация с помощью невидимых QR-кодов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Важнейшие научные открытия. Подборка статей

▪ статья Весомо, грубо, зримо. Крылатое выражение

▪ статья Сколько всего планет в Солнечной системе? Подробный ответ

▪ статья Работа на оборудовании бесшвейного скрепления книжных блоков. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Усилитель на микросхеме TDA1013, 4,2 ватта. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Автоматика и телемеханика. Автоматическое регулирование возбуждения, напряжения и реактивной мощности. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026