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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Blocco di isolamento galvanico per interfaccia RS-232. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Компьютеры Tra gli alloggiamenti dei dispositivi collegati tramite l'interfaccia RS-232, ad esempio un computer e una periferica, a volte esiste una differenza di potenziale piuttosto grande. Ciò accade non solo quando si lavora con installazioni ad alta tensione, ma anche quando i dispositivi convenzionali sono collegati a terra in modo errato o inaffidabile. La corrente di equalizzazione che scorre attraverso le linee di comunicazione in questi casi distorce i segnali trasmessi e spesso danneggia i chip di interfaccia, compresi quelli situati sulla scheda madre del computer. Sostituire quest'ultimo non è economico. L'unità di isolamento ottico proposta, che trasmette tutti i segnali necessari senza contatto elettrico tra i dispositivi collegati, ti aiuterà a evitare problemi. Nel blocco descritto, l'isolamento elettrico dei circuiti per la ricezione e la trasmissione dei segnali dell'interfaccia RS-232 viene ottenuto utilizzando fotoaccoppiatori a diodi ad alta velocità e amplificatori di condizionamento del segnale utilizzando un amplificatore operazionale. Le parti reciprocamente isolate dell'unità sono alimentate da fonti di rete separate. Si è ritenuto inappropriato utilizzare fotoaccoppiatori a transistor alimentati direttamente dalle linee di interfaccia. In primo luogo, la velocità insufficiente della maggior parte di questi fotoaccoppiatori non consente di raggiungere una velocità di trasmissione superiore a 9600 Baud. In secondo luogo, la probabilità di guasto dei chip di interfaccia aumenta a causa del carico aggiuntivo su di essi. Lo schema dell'unità di isolamento ottico per una linea di interfaccia è mostrato in Fig. 1. Il segnale di ingresso di livelli standard per RS-232 attraverso il circuito di protezione R1VD1VD2 viene fornito all'amplificatore operazionale DA1, collegato in un circuito ripetitore.
Il diodo emettitore dell'accoppiatore ottico U1 è collegato tramite il catodo all'uscita DA1 ed è protetto dalla tensione inversa tramite il diodo VD3. Il resistore R2 limita la corrente attraverso i diodi. Se la tensione all'ingresso del nodo è negativa (che corrisponde alla trasmissione della logica 1), la corrente scorre attraverso il diodo emittente e il fotodiodo dell'accoppiatore ottico U1 si trova in uno stato conduttivo sotto l'influenza della radiazione IR. Di conseguenza, la tensione sull'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale DA2 è maggiore rispetto a quella non invertente e all'uscita del nodo è negativa, così come all'ingresso. Con una tensione di ingresso positiva (log 0), il diodo emettitore del fotoaccoppiatore U1 si spegne, il fotodiodo è chiuso. Pertanto, anche la tensione all'uscita del nodo è positiva. Grazie al feedback attraverso il resistore R7, le soglie di commutazione del nodo di disaccoppiamento da 1 a 0 e da 0 a 1 non sono le stesse, il che migliora l'immunità al rumore. I livelli di tensione di uscita quando si utilizza l'amplificatore operazionale indicato nel diagramma e una tensione di alimentazione di ±12 V sono ±10,5 V, che è pienamente conforme ai requisiti dello standard RS-232. La resistenza R8 è limitante per un LED installato all'esterno del nodo in questione, che segnala il livello logico trasmesso. Le tensioni di alimentazione alle parti di ingresso e di uscita dell'unità di disaccoppiamento (rispettivamente +12 VI, -12 VI e +12 VII, -12 V II) devono essere fornite da fonti isolate a coppie. I loro circuiti comuni sono comuni. Io e il generale II sono anche isolati l'uno dall'altro. Il circuito stampato dell'unità di disaccoppiamento e la disposizione degli elementi su di esso sono mostrati in Fig. 2.
L'amplificatore operazionale KR544UD2A può essere sostituito con KR140UD11, KR140UD18 e altri, ma è necessario assicurarsi che le distorsioni temporanee dei segnali trasmessi non superino quelle consentite per la velocità di trasferimento dati richiesta. È necessario selezionare un sostituto per l'accoppiatore ottico AOD130A in base alla durata minima dell'aumento e della diminuzione dell'impulso di uscita e alla tensione di isolamento richiesta per il problema da risolvere. In una delle varianti dell'unità di disaccoppiamento è stato utilizzato un fotoaccoppiatore a diodi, situato all'interno del microcircuito K293LP1. I terminali disponibili consentono di collegare circuiti esterni al fotoaccoppiatore, come mostrato in Fig. 3. I pin 7 e 8 sono lasciati liberi. Per evitare rotture tra i pin 2 e 4, il foro e la piazzola di contatto per il pin 3 del microcircuito K293LP1 non devono essere realizzati sul circuito stampato. Il perno stesso viene rimosso prima dell'installazione.
Per far comunicare i dispositivi tramite l'interfaccia RS-232, spesso sono sufficienti solo due circuiti: RXD (dati da una periferica a un computer) e TXD (dati nella direzione opposta). Lo schema elettrico del blocco di disaccoppiamento per questo caso è mostrato in Fig. 4. Il blocco è costituito dai due nodi di disaccoppiamento A1 e A2 sopra descritti, del tutto identici, ma inseriti nei circuiti sopra indicati in direzioni opposte. La presa XS1 viene collegata direttamente o con un cavo “modem” (senza collegamenti incrociati) alla presa COM del computer e una periferica viene collegata alla presa XP1 esattamente come se fosse collegata ad un computer senza isolamento.
Si noti che gli alloggiamenti dei connettori dei cavi di interfaccia sono spesso collegati tramite la treccia schermante di questi ultimi agli alloggiamenti del computer e della periferica. Per questo motivo le custodie dei connettori XS1 e XP1 devono essere accuratamente isolate tra loro e dalla custodia dell'unità di disaccoppiamento (se metallica). Ricordare che toccare due connettori contemporaneamente può provocare una scossa elettrica. I ponticelli tra i contatti della presa XS1 sono necessari per “ingannare” il computer simulando i segnali periferici ricevuti in risposta alle sue richieste. Se è ancora necessario un reale scambio di segnali di controllo, i ponticelli vengono rimossi e al blocco viene aggiunta un'ulteriore unità di disaccoppiamento per ciascuna delle linee di interfaccia. Nelle linee DCD, RI, CTS, DSR (ingresso al computer) questi nodi vengono attivati in modo simile ad A1. Nelle linee RTS e DTR (uscita) - simile a A2. Poiché nella pratica le linee DCD e RI vengono utilizzate relativamente raramente, di solito sono sufficienti sei nodi di disaccoppiamento. Quattro tensioni di alimentazione per le unità di disaccoppiamento sono ottenute dagli avvolgimenti isolati II e III del trasformatore T1 utilizzando raddrizzatori sui ponti a diodi VD1 e VD2. I loro valori non sono stabilizzati e possono essere compresi tra 11,5 e 13,5 V (valore assoluto). Il trasformatore di potenza T1 necessita di particolare attenzione. L'isolamento tra i suoi avvolgimenti deve resistere a una tensione non inferiore a quella per la quale sono progettati gli optoaccoppiatori installati nelle unità di disaccoppiamento: 1500 V o più. Gli avvolgimenti II e III devono essere schermati tra loro e dall'avvolgimento I, altrimenti i disturbi impulsivi possono penetrare nella linea di comunicazione attraverso capacità parassite. La tensione richiesta può essere mantenuta isolando solo quei trasformatori di piccole dimensioni i cui avvolgimenti sono posizionati su nuclei diversi del nucleo magnetico o in sezioni separate del telaio su un nucleo. Tuttavia, è improbabile che sia possibile acquistare un trasformatore già pronto di questo tipo con gli avvolgimenti necessari e persino con uno schermo tra di loro. Non resta che sceglierne uno adatto in termini di potenza complessiva e riavvolgerne gli avvolgimenti secondari. Si dovrebbe dare la preferenza a un trasformatore con una finestra del circuito magnetico relativamente libera. Ciò ti consentirà di posizionare avvolgimenti con isolamento rinforzato e schermatura senza problemi. Calcolare nuovi avvolgimenti secondari non è difficile: con una tensione primaria di 220 V e una corrente di carico di almeno 30 mA, ogni avvolgimento secondario deve produrre 20 V (con una presa dal centro). Misurando la tensione secondaria prima di modificare il trasformatore e contando il numero di spire dell'avvolgimento rimosso durante lo smontaggio, è facile determinare il numero di spire richiesto per quello nuovo. Cambierà in proporzione alla tensione. Il filo di avvolgimento viene preso con un diametro di 0,1...0,15 mm. Resisterà al carico richiesto con una riserva, ma uno più sottile è molto scomodo da avvolgere. Un trasformatore prodotto in fabbrica è quasi sempre riempito di vernice, ma con un po' di abilità può comunque essere smontato senza danneggiare gli avvolgimenti e le piastre del circuito magnetico. Io lo faccio in questo modo: utilizzando un coltello con una lama sottile, separo la piastra superiore da l'apparecchio, cercando di non danneggiare gli avvolgimenti. Affinché la lama possa adattarsi al nucleo centrale del circuito magnetico, deve essere sufficientemente stretta. Maggiore è la parte separabile della piastra, maggiore è la probabilità di uno smontaggio riuscito. Successivamente, blocco delicatamente ma saldamente il circuito magnetico in una morsa (tramite distanziali in cartone) e, utilizzando una piastra ausiliaria di acciaio temprato di dimensioni adeguate, estraggo la piastra che era rimasta sbloccata e separata dal set dal telaio. Un ulteriore smontaggio di solito non presenta difficoltà. Dopo averlo finito, rimuovo l'avvolgimento secondario esistente dalla sezione corrispondente del telaio e ne avvolgo di nuovi, senza dimenticare di fornire uno schermo tra loro: una spira aperta di lamina di rame o uno strato di filo di avvolgimento spira per spira. Come isolante tra gli avvolgimenti o tra l'avvolgimento e lo schermo, ho steso diversi strati di carta per condensatori oliata. Può essere "ottenuto" smontando un condensatore di carta ad alta capacità, ad esempio, utilizzato nei reattori di lampade fluorescenti. Terminato il riavvolgimento, rimetto le piastre del circuito magnetico al loro posto. Non arrabbiatevi se qualche piatto viene lasciato "extra". Ciò non influirà sulla qualità del trasformatore. Se non fosse possibile posizionare due avvolgimenti secondari sul telaio, si possono realizzare due trasformatori identici, ciascuno con un avvolgimento secondario ben isolato. I loro avvolgimenti primari sono collegati alla rete in parallelo. Dopo aver assemblato il blocco, è necessario verificare innanzitutto l'isolamento tra i circuiti dei connettori XS1 e XP1. Un ohmmetro collegato tra qualsiasi contatto o corpo del primo e qualsiasi contatto o corpo del secondo connettore dovrebbe mostrare una resistenza infinitamente alta. Nei casi critici l'isolamento viene controllato con un megger che sviluppa la tensione di prova adeguata. Uno dei suoi terminali è collegato ai contatti e al corpo della presa XS1, collegati saldamente tra loro, il secondo - allo stesso modo alla spina XP1. È opportuno verificare l'isolamento dei circuiti di interfaccia sia dalla rete di alimentazione, sia dal nucleo magnetico e dallo schermo del trasformatore T1. L'unità assemblata viene accesa per la prima volta senza collegarla a un computer o dispositivo periferico. Misurare la tensione sui pin 1, 2, 6, 8, 9 della presa XS1 e sui pin 3, 4, 7 della spina XP1 rispetto al pin 5 del connettore corrispondente. Deve superare +10 V e, se applicato a un contatto con lo stesso numero del connettore opposto, la tensione inferiore a -5 V (rispetto al pin 5 di questo connettore) cambierà in -10 V negativi o meno. Contemporaneamente dovrebbe accendersi il LED corrispondente. Naturalmente sono soggetti a ispezione solo i circuiti che sono dotati di unità di disaccoppiamento nella struttura assemblata. Ad esempio, in un blocco secondo lo schema mostrato in Fig. 4, basta controllare la tensione tra i pin 2 e 5 della presa XS1 e tra i pin 3 e 5 della spina XP1 Dopo essersi accertati che l'unità funzioni, collegarla tra il computer e la periferica e, accendendo l'alimentazione (prima il computer), utilizzare un programma di prova o di lavoro per assicurarsi che i dati vengano trasferiti correttamente. L'unità descritta nella versione a sei canali funziona con successo da più di un anno e mezzo, fornendo la comunicazione tra un computer e un oscilloscopio TDS-340 funzionante a un potenziale di 2000 V. L'unità è stata testata anche collegando un computer con un controller industriale basato su un microprocessore 18031 installato in un'altra stanza. La velocità massima di trasferimento delle informazioni è 19200 Baud. Non era necessario lavorare a una velocità maggiore, anche se teoricamente esiste una tale possibilità. Autore: N. Maramygin, Mosca
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