Содержание
Гальваническая развязка компьютера и периферийных устройств
Автор: maksipus
Опубликовано 18.09.2017
Создано при помощи КотоРед.
Блок связи компьютера и периферийных устройств по интерфейсу RS-485 c гальванической развязкой.
Для связи блока домашней автоматики с компьютером, пришлось мне сделать специализированный блок. Расстояние между компьютером и блоком автоматики 12м. На этом расстоянии вполне возможен обмен информации по интерфейсу RS-232. Но с прицелом на будущее был выбран интерфейс RS-485, как более защищенный от помех и позволяющий намного увеличить длину линии (до 1200м). Сама линия RS-485 очень простая и дешевая, это обычная витая пара (на небольших расстояниях можно использовать любую пару проводов, вплоть до обычных телефонных). Сигнал в линии дифференциальный, поэтому наиболее защищен от помех и внешних наводок. Недостаток этого интерфейса, это полудуплексный режим и небольшая сложность в управлении самой микросхемой преобразующей сигнал. Передача и прием не могут быть одновременными, но в большинстве случаев это не имеет значения.
Набор микросхем для изготовления преобразователя интерфейса RS485 огромен, от разных фирм, но все они практически одинаковы в логике работы для стандартных применений. Различаются только ценой и предельными техническими характеристиками.
Для полной уверенности, что я не сожгу порт и сам компьютер решил сделать гальваническую развязку. На мое удивление, поискав в интернете готовое решение (блок то стандартный) я не смог найти подходящую для меня конструкцию. Большинство конструкций были полуфабрикатом, некоторые с ошибками или относительно дорогие.
Что применить?
Вопрос в основном встал, что применить в качестве гальванической развязки и чем осуществить развязку силового питания.
Самое простое и лучшее для гальванической развязки сигнала, применить специализированные микросхемы. Выбор их довольно обширен. Приведу лишь малую часть.
ADuM1300/1301
Они подойдут в очень многие конструкции где нужна гальваническая развязка .
ADM2486 и ADM2483
Это специализированные микросхемы, которые несут уже в себе преобразователь RS-485. Все эти микросхемы выполняют гальваническую развязку с помощью фирменных трансформаторов, выполненных на кристаллах кремния внутри микросхемы (технология iCoupler). Параметры микросхем довольно внушительны. Что по скорости работы, что по допустимому напряжению защиты.
Микросхемы сегодня доступны и стоимость их вполне реальна и оправданна. Найти микросхему, которая вам подходит очень просто. На сайте Analog Devices (есть на русском языке) выбираете что вам нужно и фирма предложит вам перечень микросхем, а к ним документацию как даташитов, так и несколько готовых решений. Фирма предлагает как универсальные гальванические развязки, так и специализированные, предназначенные для конкретной задачи. [1] Другие фирмы так же предлагают подобные готовые решения и перечень выпускаемых микросхем.
Есть даже две специализированные микросхемы гальванической развязки интерфейса USB ADuM3160 и ADuN4160. [2] Стоимость их вполне адекватная для выполняемой задачи, как выполнить гальваническую развязку USB на других элементах я не встречал. Применение их будет актуально для владельцев приборов с выводом информации по USB. Сжечь дешевый (или дорогой) приборчик случайно конечно жалко, но потерять при этом ПК уже трагедия.
Традиционно USB считается безопасным, но при этом часто забывают, что подключить "на лету" устройство с "иной землей" довольно рискованно. Статическое электричество может преподнести неприятные сюрпризы. Сигнальные шины самодельных/фирменных внешних устройств так же не идеальны и могут создать большие проблемы.
Существуют гальванические развязки с уже встроенным в м.схему преобразователем питания.
Параметры этих микросхем внушительные. Как анонсирует фирма: "16Mbps, 5 kV rms Signal & Power Isolated RS-485 Transceiver with ±15 kV ESD Protection для м.схемы ADM2682E (при цене в опте 7$). И это в корпусе SOIC16! вместе с блоком питания!
Применяя их, остается только сделать плату по предложенному эскизу и найти подходящий корпус. Сегодня специализированные микросхемы гальванической развязки выпускают многие фирмы. Цены их в основном адекватны сложности и техническим характеристикам. Применив м.схему со встроенным преобразователем питания можно получить миниатюрный блок.
Ознакомиться с выпускаемыми м.схемами для интерфейса RS485 и гальванической развязкой от фирмы Analog Devices можно по ссылкам в конце статьи. Список дан как наиболее удобный при начальном ознакомлении с перечнем продукции.
Очень интересно для сверхскоростных узлов гальванической развязки применить микросхемы не относительно медленных оптопар и не более скоростных по технологии iCoupler от Analog Devices, а м. схемы серии Si844x от фирмы SILABS. Типичное время задержки, то есть время, необходимое для передачи цифрового сигнала через изолирующий барьер у них, составляет менее 10 нс! Что на 50 % быстрее, чем уже существующие методы. [см.13]
Очень высокую скорость имеют и м. схемы фирмы Rhopoint Components Ltd выполненные на магниторезистивном эффекте. Время задержки так же 10nC. Получаем уже невероятную скорость в 110Mbps. [см.15]
Но это уже довольно дорогие изделия, для спец. применения. Где вся конструкция заточена под такие скорости.
Это лишь небольшой обзор выпускаемых м.схем гальванической развязки. Перечень производителей и конкретных м.схем очень большой.
Но собрать конструктор-Лего не метод радиолюбителя. Удовольствие доставляет не только готовая конструкция, но и сам процесс изучения, проектирования и изготовления. Да и стоимость предлагаемой конструкции получилась небольшая, сопоставимой с парой пачек сигарет.
М.схемы-преобразователи интерфейсов SN75176 и ST232 у меня были куплены ранее, остальное решил применить в конструкции, что в принципе всегда есть в закромах у радиолюбителя. Опторазвязку, на самой доступной, копеечной PC817. Параметры этой оптопары подходят для скорости передачи информации 9600бот, принятой де-факто в любительских конструкциях.
Точно также решился и вопрос разделения силового питания. Решил применить обратноходовой преобразователь на микросхеме МС34063. Такой инвертор универсальный, простой, безопасный и дешевый. Остальные микросхемы применены специализированные и дешевле трамвайных билетов.
Коротко о микросхеме-преобразователе интерфейса RS485.
Интерфейс Rs485 применяется во многих промышленных решения, когда нужна простота, надежность, несколько приборов находятся на одной линии, на большом удалении. Сигнал дифференциальный, подается по двухпроводной линии. Условно принято называть провода линии А и Б. По линии А передается оригинальный сигнал, в линии Б этот сигнал инвертируется. Таким простым методом достигается большая защита от помех, возникающих в не экранированных проводах. Уровень в линии "высокий" 1.5-5Вольт, "низкий" RS232. Её назначение преобразовать напряжение с уровнями TTL в напряжение стандарта RS232.
Обвязка этих микросхем настолько простая и стандартная, что не стоит о ней и писать. Придумывать оригинальное и необычное в этих узлах, это нервы и деньги на ветер.
Для тех, кто хочет более детально изучить работу этих микросхем, в конце статьи выложены даташиты.
IC2 -это "периферийный драйвер" или матрица из семи транзисторов Дарлингтона. Эта микросхема действительно применена не стандартно. Классически она применяется как усилитель тока и управляет реле, лампочками, моторчиками, индикаторами итд. Там где нагрузка потребляет относительно большой ток. В предложенной схеме её основное назначение это инвертировать сигнал. Привести сигнал в "правильный" вид после прохождения оптопар, а заодно и управлять индикаторными светодиодами. В этом узле можно было применит стандартные логические микросхемы, но мне не нравится нагружать выходы микросхем стандартной логики током светодиодов. Хотя они это вполне допускают.
Применив микросхему IC2 я избавился от небольшой кучки дискретных элементов, разгрузил выходы остальных микросхем и намного упростил разводку платы.
Узел на м.схеме IC4 это гальваническая развязка питания. Применена проверенная временем и довольно универсальная м.схема МС34063. Этот узел построен как "обратноходовой преобразователь" Такой тип вторичного эл.питания мне нравится своей простотой и крайней непритязательностью. Стабилизирует выходное напряжение м.схема IC5, дешевая и кругом применяемая LM7805. Ток потребления маленький, применять другой метод стабилизации выходного напряжения не имеет смысла. Применение м. схемы МС34063 в DC/DC преобразователях очень хорошо описано в журнале "Схемотехника" №9 за 2001г, автор Ю.Семенов. Там есть все расчеты и схемы. Используя предложенные им схемы и расчеты, всегда получаю 100% работающие, очень компактные узлы за мин. деньги.
Раньше доставляли хлопоты трудоемкие расчеты накопительного дросселя (трансформатора). С появлением пакета программ уважаемого Владимира Денисенко все упростилось до элементарного. За минуты можно подобрать нужный трансформатор и получить готовый результат. Программы выложены В. Денисенко на форуме Радиокота. Находим в закромах или покупаем подходящий сердечник, вставляем в программу необходимые данные и . изготавливаем трансформатор без проблем и суеты с калькулятором.
У меня был сердечник с готовым зазором, его характеристики и расчет трансформатора (накопительного дросселя) на картинке.
Для этого узла подойдут и готовые DC/DC преобразователи ,например B1205S или подобные. [7]
ЖЕЛЕЗО
Для конструкции хорошо подошла коробочка от ненужного ADSL модема. Часть деталей этого модема так же ушла в конструкцию.
При самостоятельной разводке платы не забывайте о цели этой конструкции -это гальваническая развязка. Оставляйте на плате зазор между блоками.
Киловольтных, посторонних воздействий на линию у меня не будет. Зазор на плате сделан около 5мм, что вполне достаточно.
Трансформатор (накопительный дроссель) применен с заводским зазором. Справочные данные таких сердечников совпадают с реальными на 99%. Рекомендую покупать сердечники с зазором, а не делать его прокладками, которые могут доставить вам проблемы. Конструкции обратноходовых блоков питания неприхотливы, за единственным исключением – трансформатор необходимо выполнить качественно, т.есть аккуратно. Это не сложно, так как витков на катушке мало.
Коробочка от модема большая, проблем с разводкой и установкой деталей не возникло. Микросхемы применил в DIP корпусах, пассивные компоненты частично SMD. Джампер JP1 для проверки, установите перемычку.Без него конструкция работает только в режиме "прием информации".
Конструкция запитывается от любого внешнего блока питания (адаптера) на 9-15Вольт.
С остальным, даже у начинающего радиолюбителя проблем не возникнет. Микросхемы работают в щадящем режиме, нагрузок больших нет, входная цепь под защитой варисторов, блок питания выдерживает любые издевательства. Стараюсь все проблемы решать на бумаге, а не с паяльником. Конструкция из серии "сделали-работаем". Это то устройство, которое не должно доставлять хлопот и проблем. Их хватит с конструкциями которые оно обслуживает. Конструкция подключена к ПК дешевым переходником RS232-USB стоимостью 1,5$. Удивительно, но факт, сбоев от него нет.
Несколько фотографий готового блока:
В результате блок работает очень хорошо, симпатично подмигивая светодиодами. Разводка платы в архиве.
Графики температур, полученные от самодельного блока автоматики газового котла, через предложенную конструкцию:
Графики (почасовые) уличной температуры. В течении двух суток. Желтый-текущий график, синий-вчерашний. Термометр-актуальная уличная температура.
Загрузка самодельного блока автоматики газового котла оперативными данными от ПК и прием информации о температуре в контрольных точках.
Приведенные выше картинки это лишь часть информации отправляемая/получаемая от самодельного блока домашней автоматики и приведенна ПК в удобный для меня вид.
Обзор предлагаемых фирмами м.схем гальванической развязки поможет в конструировании вам конструкций, где это необходимо и не только стандартных интерфейсов. А на основе обратноходового преобразователя на м. схеме МС34063 получаются сверхминиатюрные, не убиваемые, стабилизированные, копеечные БП вторичного питания с гальванической развязкой и стабилизацией напряжения различного типа.
Предложенная конструкция далеко не идеальна. Но она на 100% выполняет свои функции при копеечной стоимости и это главное. На её примере я хотел показать, что изучая новый для вас раздел электроники, лучше поглубже освоить теорию, готовые решения и самостоятельно разработать авторскую конструкцию/узел на основе прочитанного или провести модернизацию готовых решений. Возможно и наверное это будет не совсем "идеальная" конструкция, но удовольствия от неё будет больше чем от повторения на 100% готового. Хобби это творчество. Для профи это конечно не подходит. Он не будет "изобретать велосипед", но задачи у любителя и профи совершенно различные. Хотя. это далеко не однозначно. И современное развите техники это доказывает. Я так считаю.
Спасибо за внимание.
9. Журнал Компоненты и технологии №8 2004 "Интерфейс RS485 с гальванической развязкой от Analog Devices"
А зачем это нужно?
Особенностью стандарта USB является то, что периферийные устройства имеют общую «землю» с USB-хостом и оказываются электрически связаны с «грязной землей» импульсного БП и соответственно всего ПК.
Если ваш компьютер не заземлен правильно (нужен отдельный действующий третий провод заземления в евророзетке), то кроме шумов и помех вы можете получить «фазу» сетевого напряжения и потенциал ок. 110В со всеми вытекающими.
USB изолятор позволяет избавиться от земляных петель, электрически отсоединяет «грязную землю», снижает уровень помех и шумов, предохраняет от повреждения и ПК и внешнее оборудование. Это особенно полезно при работе с измерительными приборами на базе ПК (USB-осциллографы, логические анализаторы и пр.) или в производственных условиях и является обязательным в медицинской аппаратуре.
В нашем звуковом приложении также будет полезным гальванически развязать ПК и внешний USB-ЦАП.
Промышленные USB-изоляторы стоят $200 … $400. Предлагаю немного сэкономить и получить новый опыт!
Содержание / Contents
↑ Как работает ADuM4160?
↑ Схема USB изолятора на ADuM4160
↑ Испытания
Амплитуда сигнала сверху вниз изменяется от 4В до 4 мВ. Левая колонка показывает форму сигнала с изолированным USB-портом, в правой колонке сигналы были получены с осциллоскопом, непосредственно включенным в тот же порт USB того же компьютера.
Полученные результаты могут быть легко интерпретированы: в то время как сигнал 4V выглядит почти однаково, более слабые сигналы содержат все больше и больше шумов. И наконец сигнал 4mV с неизолированного порта от Bitscope очень сложно разобрать, не говоря уже о померить.
Автор проекта, OLEG, пишет:
Я проверил эту схему в работе с моим компьютерным осциллоскопом Bitscope DSO и логическим анализатором Logicport, оба работают безупречно. Я также сделал обширный тест целостности данных путем перемещения и архивирования / распаковки больших файловых архивов на USB-флешке, подключенной к ПК через этот изолятор.
Я не обнаружил ни одной ошибки на более чем 100Gb переданных данных.
↑ Файлы
Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.
—
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»
Плата в Sprint Layout 6.0 (прислал Евгений Red, подрихтовал Игорь Datagor):
▼ ADUM-datagor.ru.lay6.7z 🕗 15/07/13 ⚖️ 31,6 Kb ⇣ 212
Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.
—
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»
Даташит на ADUM4160
▼ ADuM4160.7z 🕗 14/07/13 ⚖️ 239,72 Kb ⇣ 136
Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.
—
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»
- Цена: $7.59 (без учета доставки)
- Перейти в магазин
По роду занятий мне часто приходится сталкиваться с ситуациями, когда подключаемое к компьютеру по USB устройство не должно иметь непосредственной электрической связи с ним, потому как это может повлечь как просто большие помехи вплоть до потери работоспособности, так и взаимное влияние блоков питания компьютера и тестируемого устройства. Вариантов решения не так много и наиболее простой из них, применить гальваническую развязку.
Я рассказывал добавлении гальванической развязки к одной из моих электронных нагрузок, вариант по своему тоже простой, но тем не менее требующий вмешательства в конструкцию нагрузки, а также установки специального ПО. Как альтернативные варианты:
1. Гальванически развязать сам компьютер от сети, но при этом надо отвязывать и монитор и питание USB хаба и принтера, в общем не вариант.
2. Применить WiFi, Bluetooth, Ethernet. Изоляция супер, но сложность исполнения высокая и обычно каждое устройство надо дорабатывать отдельно.
3. USB изолятор. Устройство предельно простое, полностью прозрачное с точки зрения программной и аппаратной составляющей, может быть применено по мере необходимости и собственно о нем я сегодня и буду вести рассказ.
Действительно, иногда надо просто временно развязать компьютер и подключаемое устройство, как для работы, так и для проверки «кто виноват», потому я и заказал именно такой вариант, хотя как писал в самом начале, стараюсь по мере возможности делать развязку внутри самих устройств, например как я это делал в моих блоках питания.
На момент покупки стоило $7.59+1.63 за доставку, итого около 9.2 доллара, недешево, но мне их и не десяток надо было.
Через время получил такой пакетик, правда попутно заказывал пару модулей WiFi-UART, но продавец почему-то решил что мне они не нужны и не выслал, печаль, на один полезный обзор будет меньше 🙁 
Фото в сравнении со стандартным спичечным коробком для понимания размеров. 
И габариты со страницы товара. 
Исполнение вполне аккуратное, можно конечно придраться, но я не буду так как меня все устроило. 
Кроме USB разъемов на плате есть еще три светодиода и переключатель, пара светодиодов отображает режим работы (Low и Full speed), а также подачу питания на выход, при помощи переключается выбирается режим передачи, те самые Low и High speed. 
Все емкие конденсаторы на плате танталовые, по входу есть самовосстанавливающийся предохранитель на ток 400мА, так что в безопасностью все нормально. 
Устройство, подключаемое через развязку получает питание через изолированный преобразователь напряжения, в данном случае 5-5 Вольт, мощностью 1 Ватт, т.е. максимальный ток нагрузки 200мА, при этом от него же питается и вторичная сторона самой платы потому сильно не разгуляешься, например попытка подключить внешний SSD накопитель привела к его циклической перезагрузке.
Я себе в другом магазине купил пяток подобных преобразователей для питания вольтметров с VFD дисплеями, да и просто для разных применений, полезная вещь. 
А за собственно развязку отвечает ADUM3160, рядом расположен оптрон, при помощи него от переключателя идет команда на управляющий входу ADUMа для задания скорости передачи данных. 
По заявлению производителя (если считать что чип оригинальный, а не клон) обеспечивается гальваническая развязка с максимальным напряжением до 2.5кВ и скоростью передачи данных 1.5/12 Мбит. 
Снизу пусто, но должен сделать замечание. В характеристиках ADUM3160 указано что он выдерживает 2.5кВ, но в данном случае напряжение пробоя будет ограничено не им, а расстоянием между контактами преобразователя напряжения. Не знаю сколько держит его изоляция, но расстояние между 2 и 3 контактами маленькое и я бы как минимум сделал там прорезь в текстолите. 
Измерение емкости между сторонами изолятора я провел сначала в варианте земля/земля, прибор показал 26пФ, потом измерил емкость земля/питание, показало те же 26пФ что на мой взгляд более чем нормально. 
А теперь проверим его в работе.
Здесь проверка проходила не с каким-то из моих устройств, а с обычной флешкой, собственно для изолятора все равно что там подключено так как он полностью прозрачен для системы, не требует никаких драйверов и прочего, включил и работай, чем собственно меня и заинтересовал.
На первичной стороне есть два светодиода, синий и красный, синий светит когда выбран режим высокой скорости (12 Мбит), красной — низкой скорости (1.5 Мбит).
Но почему-то нормально работал только режим Full speed, при низкой компьютер видел что что-то подключено, но не мог определить что это. Проверял как флешки, так и USB-UART конвертер, переключал как «на ходу», так и с переподключением, в Low speed ничего не заработало. 
Немного тестов скорости.
1. Кардридер, включено в USB 3.0 хаб
2. Кардридер, включено в USB 2.0 компьютера
3. USB 2.0 флешка, включено в USB 2.0 компьютера.
Максимум я получил скорость около 9 Мбит, что в принципе нормально, при этом видно, что в варианте с прямым подключением к компьютеру скорость выше. 
1, 2. Ток потребления в режиме Full speed ниже чем в Low speed и составляет соответственно 15 и 28мА.
3. Напряжение на выходе без нагрузки выше чем на входе, примерно на 0.1 Вольта.
4, 5. Интересно что в режиме Low speed ток потребления нагрузки падает почти до нуля (фото 5), при этом питание есть так как работает тестер, но устройства не определяются, о чем я писал выше.
6. Нагрузочная способность модуля очень маленькая, уже при токе нагрузки в 60-65мА напряжение проваливается до 4.6 Вольта. В данном тесте изолятор был подключен через USB удлинитель, но даже при прямом подключении разница была не очень большая. 
И так положительное, качество изготовление нормальное, модуль работает стабильно, данные передаются, пользоваться очень удобно так как он просто включается между компьютером и целевым устройством, например той же нагрузкой, блоком питания, USB осциллографом и пр.
Отрицательное. Скорость только до 12 Мбит, потому подойдет для не очень скоростных устройств, причем почему-то работает только в одном режиме. Нагрузочная способность по выходу мала и составляет всего около 40-50мА, из-за чего целевое устройство желательно питать отдельно. Есть также нарекания к качеству изоляции между первичной и вторичной стороной, решить можно заменой DC-DC изолятора, причем если применить более мощный, то вырастет и нагрузочная способность по выходу.
Резюме, если знать о нюансах применения, то имеет право на жизнь и в некоторых ситуациях может реально облегчить жизнь. У меня не так давно был реальный случай, когда при определенной комбинации электронной нагрузки, ее блока питания, тестируемого блока питания и компьютера соединение по USB пропадало через каждые 5-10 секунд, USB изолятор решил бы эту проблему так как без подключения к компьютеру все работало стабильно.
У продавца есть купон 2/15, потому при покупке двух штук можно немного сэкономить, я этот купон использовал так как заказывал эту плату+два WiFi-UART модуля.
На этом у меня все, надеюсь что обзор был полезен.
