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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Bloco de isolamento galvânico para interface RS-232. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / informática Entre os gabinetes dos dispositivos conectados via interface RS-232, por exemplo, um computador e um dispositivo periférico, às vezes há uma diferença de potencial bastante grande. Isso acontece não apenas quando se trabalha com instalações de alta tensão, mas também quando dispositivos convencionais são aterrados de forma incorreta ou não confiável. A corrente de equalização que flui através das linhas de comunicação em tais casos distorce os sinais transmitidos e muitas vezes danifica os chips de interface, incluindo aqueles localizados na placa-mãe do computador. Substituir este último não é barato. A unidade de isolamento óptico proposta, que transmite todos os sinais necessários sem contato elétrico entre os dispositivos conectados, ajudará a evitar problemas. No bloco descrito, o isolamento elétrico dos circuitos de recepção e transmissão de sinais da interface RS-232 é obtido por meio de optoacopladores de diodo de alta velocidade e amplificadores de condicionamento de sinal por meio de amplificador operacional. As partes mutuamente isoladas da unidade são alimentadas por fontes de rede separadas. Foi considerado inadequado o uso de optoacopladores transistorizados alimentados diretamente pelas linhas de interface. Em primeiro lugar, a velocidade insuficiente da maioria destes optoacopladores não permite atingir uma velocidade de transmissão superior a 9600 Baud. Em segundo lugar, a probabilidade de falha dos chips de interface aumenta como resultado da carga adicional colocada sobre eles. O diagrama da unidade de isolamento óptico para uma linha de interface é mostrado na Fig. 1. O sinal de entrada de níveis padrão para RS-232 através do circuito de proteção R1VD1VD2 é fornecido ao amplificador operacional DA1, conectado em um circuito repetidor.
O diodo emissor do optoacoplador U1 é conectado à saída DA1 pelo cátodo e é protegido da tensão reversa pelo diodo VD3. O resistor R2 limita a corrente através dos diodos. Se a tensão na entrada do nó for negativa (o que corresponde à transmissão da lógica 1), a corrente flui através do diodo emissor e o fotodiodo do optoacoplador U1 fica em estado condutor sob a influência da radiação IR. Como resultado, a tensão na entrada inversora do amplificador operacional DA2 é maior do que na não inversora, e na saída do nó é negativa, assim como na entrada. Com tensão de entrada positiva (log 0), o diodo emissor do optoacoplador U1 se apaga, o fotodiodo é fechado. Portanto, a tensão na saída do nó também é positiva. Graças ao feedback através do resistor R7, os limites de comutação do nó de desacoplamento de 1 a 0 e de 0 a 1 não são os mesmos, o que melhora a imunidade ao ruído. Os níveis de tensão de saída ao usar o amplificador operacional indicado no diagrama e uma tensão de alimentação de ±12 V são ±10,5 V, o que atende totalmente aos requisitos do padrão RS-232. O resistor R8 é limitador para um LED instalado fora do nó em questão, que sinaliza o nível lógico transmitido. As tensões de alimentação para as partes de entrada e saída da unidade de desacoplamento (respectivamente +12 VI, -12 VI e +12 VII, -12 V II) devem ser fornecidas por fontes isoladas aos pares. Seus circuitos comuns Comum. Eu e Geral II também estão isolados um do outro. A placa de circuito impresso da unidade de desacoplamento e a disposição dos elementos nela são mostradas na Fig. 2.
O amplificador operacional KR544UD2A pode ser substituído por KR140UD11, KR140UD18 e outros, mas é necessário garantir que as distorções temporárias dos sinais transmitidos não excedam aquelas permitidas para a taxa de transferência de dados necessária. Uma substituição para o optoacoplador AOD130A deve ser selecionada com base na duração mínima da subida e descida do pulso de saída e na tensão de isolamento necessária para o problema a ser resolvido. Em uma das variantes da unidade de desacoplamento, foi utilizado um optoacoplador de diodo, localizado dentro do microcircuito K293LP1. Seus terminais disponíveis permitem conectar circuitos externos ao optoacoplador, conforme mostrado na Fig. 3. Os pinos 7 e 8 ficam livres. Para evitar quebra entre os pinos 2 e 4, o furo e a almofada de contato do pino 3 do microcircuito K293LP1 não devem ser feitos na placa de circuito impresso. O próprio pino é removido antes da instalação.
Para comunicar dispositivos através da interface RS-232, muitas vezes apenas dois circuitos são suficientes: RXD (dados de um dispositivo periférico para um computador) e TXD (dados na direção inversa). O diagrama de circuito do bloco de desacoplamento para tal caso é mostrado na Fig. 4. O bloco consiste em dois nós de desacoplamento A1 e A2 descritos acima, completamente idênticos, mas incluídos nos circuitos acima em direções opostas. O soquete XS1 é conectado diretamente ou com um cabo “modem” (sem conexões cruzadas) ao plugue da porta COM do computador, e um dispositivo periférico é conectado ao plugue XP1 exatamente da mesma maneira como se estivesse conectado a um computador sem isolamento.
Observe que os invólucros dos conectores dos cabos de interface são frequentemente conectados através da trança de blindagem destes últimos aos invólucros do computador e do dispositivo periférico. Por este motivo, os invólucros dos conectores XS1 e XP1 devem ser cuidadosamente isolados entre si e do invólucro da unidade de desacoplamento (se for metálico). Lembre-se de que tocar em dois conectores ao mesmo tempo pode resultar em choque elétrico. Jumpers entre os contatos do soquete XS1 são necessários para “enganar” o computador simulando sinais periféricos recebidos em resposta às suas solicitações. Caso ainda seja necessária uma troca real de sinais de controle, os jumpers são removidos e mais uma unidade de desacoplamento é adicionada ao bloco para cada uma das linhas de interface. Nas linhas DCD, RI, CTS, DSR (entrada para o computador), esses nós são ligados de forma semelhante ao A1. Nas linhas RTS e DTR (saída) - semelhante ao A2. Como as linhas DCD e RI são usadas relativamente raramente na prática, geralmente é suficiente ter seis nós de desacoplamento. Quatro tensões de alimentação para unidades de desacoplamento são obtidas dos enrolamentos isolados II e III do transformador T1 por meio de retificadores nas pontes de diodos VD1 e VD2. Seus valores não são estabilizados e podem ficar na faixa de 11,5...13,5 V (valor absoluto). O transformador de potência T1 precisa receber atenção especial. O isolamento entre seus enrolamentos deve suportar uma tensão não inferior àquela para a qual foram projetados os optoacopladores instalados nas unidades de desacoplamento - 1500 V ou mais. Os enrolamentos II e III devem ser blindados um do outro e do enrolamento I, caso contrário o ruído de impulso pode penetrar na linha de comunicação através da capacitância parasita. A tensão necessária pode ser suportada pelo isolamento apenas dos transformadores de pequeno porte, cujos enrolamentos são colocados em diferentes núcleos do núcleo magnético ou em seções separadas da estrutura em um núcleo. Porém, dificilmente será possível adquirir um transformador pronto deste projeto com os enrolamentos necessários, e até mesmo com uma tela entre eles. Resta apenas selecionar um adequado em termos de potência geral e rebobinar seus enrolamentos secundários. Deve-se dar preferência a um transformador com janela de circuito magnético relativamente livre. Isso permitirá que você coloque enrolamentos com isolamento e blindagem reforçados sem complicações. Calcular novos enrolamentos secundários não é difícil: com tensão primária de 220 V e corrente de carga de pelo menos 30 mA, cada enrolamento secundário deve produzir 20 V (com derivação do meio). Medindo a tensão secundária antes de alterar o transformador e contando o número de voltas do enrolamento removido durante a desmontagem, é fácil determinar o número necessário de voltas do novo. Ele mudará em proporção à tensão. O fio do enrolamento é obtido com um diâmetro de 0,1...0,15 mm. Ele suportará a carga necessária com reserva, mas um mais fino é muito inconveniente de enrolar. Um transformador de fábrica quase sempre é preenchido com verniz, mas com alguma habilidade ainda pode ser desmontado sem danificar o enrolamento e as placas do circuito magnético. Eu faço assim. Usando uma faca de lâmina fina, separo a placa superior da conjunto, tentando não danificar os enrolamentos. Para que a lâmina caiba dentro do núcleo central do circuito magnético, ela deve ser estreita o suficiente. Quanto maior a parte da placa que puder ser separada, maior será a probabilidade de uma desmontagem bem-sucedida. Em seguida, prendo com cuidado, mas com firmeza, o circuito magnético em uma morsa (através de espaçadores de papelão) e, usando uma placa auxiliar de aço temperado de tamanho adequado, retiro a placa que ficou solta e separada do conjunto da moldura. A desmontagem posterior geralmente não apresenta dificuldades. Terminado, retiro o enrolamento secundário existente da seção correspondente da moldura e enrolo os novos, não esquecendo de colocar uma tela entre eles - uma volta aberta de folha de cobre ou uma camada de fio enrolado volta a volta. Como isolamento entre os enrolamentos ou o enrolamento e a tela, coloquei várias camadas de papel capacitor oleado. Pode ser “obtido” desmontando um capacitor de papel de alta capacidade, por exemplo, utilizado em reatores de lâmpadas fluorescentes. Terminado o rebobinamento, coloco as placas do circuito magnético em seus lugares. Não fique chateado se sobrarem alguns pratos "extras". Isso não afetará a qualidade do transformador. Caso não tenha sido possível colocar dois enrolamentos secundários na carcaça, podem ser feitos dois transformadores idênticos, cada um com um enrolamento secundário bem isolado. Seus enrolamentos primários estão conectados à rede em paralelo. Depois de montado o bloco, deve-se primeiro verificar o isolamento entre os circuitos dos conectores XS1 e XP1. Um ohmímetro conectado entre qualquer contato ou corpo do primeiro e qualquer contato ou corpo do segundo conector deve apresentar uma resistência infinitamente alta. Em casos críticos, o isolamento é verificado com um megômetro que desenvolve a tensão de teste apropriada. Um de seus terminais é conectado aos contatos e corpo do soquete XS1, firmemente conectados entre si, o segundo - da mesma forma ao plugue XP1. Deve-se verificar o isolamento dos circuitos de interface tanto da rede de alimentação, quanto do núcleo magnético e blindagem do transformador T1. A unidade montada é ligada pela primeira vez sem conectá-la a um computador ou dispositivo periférico. Meça a tensão nos pinos 1, 2, 6, 8, 9 do soquete XS1 e nos pinos 3, 4, 7 do plugue XP1 em relação ao pino 5 do conector correspondente. Deve ultrapassar +10 V, e quando aplicado em um contato com o mesmo número do conector oposto, a tensão abaixo de -5 V (em relação ao pino 5 deste conector) mudará para negativo -10 V ou menos. O LED correspondente deve acender ao mesmo tempo. Naturalmente, apenas os circuitos equipados com unidades de desacoplamento na estrutura montada estão sujeitos a inspeção. Por exemplo, num bloco de acordo com o diagrama mostrado na Fig. 4, basta verificar a tensão entre os pinos 2 e 5 do soquete XS1 e entre os pinos 3 e 5 do plug XP1 Depois de certificar-se de que a unidade está funcionando, conecte-a entre o computador e o dispositivo periférico e, ligando a energia (primeiro o computador), utilize um programa de teste ou de trabalho para garantir que os dados sejam transferidos corretamente. A unidade descrita na versão de seis canais está operando com sucesso há mais de um ano e meio, proporcionando comunicação entre um computador e um osciloscópio TDS-340 operando com potencial de 2000 V. A unidade também foi testada ao conectar um computador com controlador industrial baseado em microprocessador 18031 instalado em outra sala. A taxa máxima de transferência de informações é 19200 Baud. Não houve necessidade de trabalhar em maior velocidade, embora teoricamente tal possibilidade exista. Autor: N. Maramygin, Moscou
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