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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Galvanischer Isolationsblock für die RS-232-Schnittstelle. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Zwischen den Gehäusen von über die RS-232-Schnittstelle angeschlossenen Geräten, beispielsweise einem Computer und einem Peripheriegerät, besteht teilweise ein recht großer Potenzialunterschied. Dies geschieht nicht nur bei Arbeiten an Hochspannungsanlagen, sondern auch dann, wenn herkömmliche Geräte falsch oder unzuverlässig geerdet sind. Der in solchen Fällen durch die Kommunikationsleitungen fließende Ausgleichsstrom verzerrt die übertragenen Signale und beschädigt häufig Schnittstellenchips, auch solche auf der Hauptplatine des Computers. Letzteres zu ersetzen ist nicht billig. Die vorgeschlagene optische Isolationseinheit, die alle notwendigen Signale ohne elektrischen Kontakt zwischen den angeschlossenen Geräten überträgt, hilft Ihnen, Probleme zu vermeiden. Im beschriebenen Block wird die galvanische Trennung der Schaltkreise zum Empfangen und Senden von Signalen der RS-232-Schnittstelle mithilfe von Hochgeschwindigkeitsdioden-Optokopplern und Signalaufbereitungsverstärkern mithilfe eines Operationsverstärkers erreicht. Gegeneinander isolierte Teile des Geräts werden aus separaten Netzwerkquellen gespeist. Es wurde als ungeeignet erachtet, Transistor-Optokoppler zu verwenden, die direkt über die Schnittstellenleitungen gespeist werden. Erstens ist es aufgrund der unzureichenden Geschwindigkeit der meisten dieser Optokoppler nicht möglich, eine Übertragungsgeschwindigkeit von mehr als 9600 Baud zu erreichen. Zweitens steigt die Ausfallwahrscheinlichkeit von Schnittstellenchips durch die zusätzliche Belastung. Das Diagramm der optischen Isolationseinheit für eine Schnittstellenleitung ist in Abb. dargestellt. 1. Das Eingangssignal mit Standardpegeln für RS-232 wird über die Schutzschaltung R1VD1VD2 dem Operationsverstärker DA1 zugeführt, der in einer Verstärkerschaltung angeschlossen ist.
Die Sendediode des Optokopplers U1 ist über die Kathode mit dem Ausgang DA1 verbunden und durch die Diode VD3 vor Sperrspannung geschützt. Der Widerstand R2 begrenzt den Strom durch die Dioden. Ist die Spannung am Eingang des Knotens negativ (was der Übertragung von logisch 1 entspricht), fließt Strom durch die Sendediode und die Fotodiode des Optokopplers U1 befindet sich unter dem Einfluss der IR-Strahlung im leitenden Zustand. Dadurch ist die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA2 größer als am nichtinvertierenden und am Ausgang des Knotens negativ, ebenso wie am Eingang. Bei positiver Eingangsspannung (log 0) erlischt die Sendediode des Optokopplers U1, die Fotodiode ist geschlossen. Daher ist auch die Spannung am Ausgang des Knotens positiv. Dank der Rückkopplung über den Widerstand R7 sind die Schaltschwellen des Entkopplungsknotens von 1 auf 0 und von 0 auf 1 nicht gleich, was die Störfestigkeit verbessert. Die Ausgangsspannungspegel betragen bei Verwendung des im Diagramm angegebenen Operationsverstärkers und einer Versorgungsspannung von ±12 V ±10,5 V, was den Anforderungen des RS-232-Standards vollständig entspricht. Der Widerstand R8 dient als Begrenzung für eine außerhalb des jeweiligen Knotens angebrachte LED, die den übertragenen logischen Pegel signalisiert. Die Versorgungsspannungen für die Eingangs- und Ausgangsteile der Entkopplungseinheit (jeweils +12 VI, -12 VI und +12 VII, -12 V II) müssen aus paarweise isolierten Quellen geliefert werden. Ihre gemeinsamen Schaltkreise Gemeinsam. Ich und General II sind auch voneinander isoliert. Die Leiterplatte der Entkopplungseinheit und die Anordnung der Elemente darauf sind in Abb. dargestellt. 2.
Der Operationsverstärker KR544UD2A kann durch KR140UD11, KR140UD18 und andere ersetzt werden, es ist jedoch darauf zu achten, dass die vorübergehenden Verzerrungen der übertragenen Signale die für die erforderliche Datenübertragungsrate zulässigen Werte nicht überschreiten. Ein Ersatz für den Optokoppler AOD130A sollte basierend auf der Mindestdauer des Anstiegs und Abfalls des Ausgangsimpulses und der Isolationsspannung ausgewählt werden, die für das zu lösende Problem erforderlich ist. In einer der Varianten der Entkopplungseinheit wurde ein Dioden-Optokoppler verwendet, der sich im Mikroschaltkreis K293LP1 befindet. Über die verfügbaren Anschlüsse können Sie externe Schaltkreise an den Optokoppler anschließen, wie in Abb. 3. Die Pins 7 und 8 bleiben frei. Um einen Durchschlag zwischen den Pins 2 und 4 zu vermeiden, sollten das Loch und das Kontaktpad für Pin 3 der Mikroschaltung K293LP1 nicht auf der Leiterplatte angebracht werden. Der Stift selbst wird vor der Installation entfernt.
Um Geräte über die RS-232-Schnittstelle zu kommunizieren, genügen oft nur zwei Schaltkreise: RXD (Daten von einem Peripheriegerät zu einem Computer) und TXD (Daten in umgekehrter Richtung). Das Schaltbild des Entkopplungsblocks für einen solchen Fall ist in Abb. dargestellt. 4. Der Block besteht aus den beiden oben beschriebenen Entkopplungsknoten A1 und A2, die völlig identisch sind, jedoch in entgegengesetzter Richtung in die obigen Kreise eingebunden sind. Die XS1-Buchse wird direkt oder mit einem „Modem“-Kabel (ohne Querverbindungen) an den COM-Port-Stecker des Computers angeschlossen, und ein Peripheriegerät wird an den XP1-Stecker genauso angeschlossen, als wäre es an einen Computer ohne angeschlossen Isolierung.
Bitte beachten Sie, dass die Gehäuse von Schnittstellenkabelsteckern häufig über deren Abschirmgeflecht mit den Gehäusen des Computers und des Peripheriegeräts verbunden sind. Aus diesem Grund müssen die Gehäuse der XS1- und XP1-Stecker sorgfältig voneinander und vom Gehäuse der Entkopplungseinheit (falls diese aus Metall besteht) isoliert werden. Bitte beachten Sie, dass das gleichzeitige Berühren von zwei Anschlüssen zu einem Stromschlag führen kann. Jumper zwischen den Kontakten der XS1-Buchse werden benötigt, um den Computer zu „täuschen“, indem sie Peripheriesignale simulieren, die als Reaktion auf seine Anfragen empfangen werden. Ist dennoch ein echter Austausch von Steuersignalen erforderlich, werden die Brücken entfernt und für jede der Schnittstellenleitungen eine weitere Entkopplungseinheit in den Block eingefügt. In den DCD-, RI-, CTS-, DSR-Leitungen (Eingabe in den Computer) werden diese Knoten ähnlich wie A1 eingeschaltet. In den RTS- und DTR-Leitungen (Ausgabe) – ähnlich wie bei A2. Da DCD- und RI-Leitungen in der Praxis relativ selten zum Einsatz kommen, genügen in der Regel sechs Entkopplungsknoten. Aus den isolierten Wicklungen II und III des Transformators T1 werden über Gleichrichter an den Diodenbrücken VD1 und VD2 vier Versorgungsspannungen für die Entkopplungseinheiten gewonnen. Ihre Werte sind nicht stabilisiert und können im Bereich von 11,5...13,5 V (Absolutwert) liegen. Dem Leistungstransformator T1 muss besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Die Isolierung zwischen seinen Wicklungen muss einer Spannung standhalten, die nicht geringer ist als die Spannung, für die die in den Entkopplungseinheiten installierten Optokoppler ausgelegt sind – 1500 V oder mehr. Die Wicklungen II und III müssen voneinander und von Wicklung I abgeschirmt sein, da sonst Impulsstörungen durch parasitäre Kapazitäten in die Kommunikationsleitung eindringen können. Der erforderlichen Spannung kann die Isolierung nur von kleinen Transformatoren standhalten, deren Wicklungen auf verschiedenen Kernen des Magnetkerns oder in separaten Abschnitten des Rahmens auf einem Kern angeordnet sind. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass es möglich sein wird, einen fertigen Transformator dieser Bauart mit den erforderlichen Wicklungen und sogar mit einer Abschirmung dazwischen zu erwerben. Es bleibt nur noch, ein hinsichtlich der Gesamtleistung geeignetes Gerät auszuwählen und seine Sekundärwicklungen neu zu wickeln. Bevorzugt ist ein Transformator mit relativ freiem Magnetkreisfenster. Dadurch können Sie problemlos Wicklungen mit verstärkter Isolierung und Abschirmung platzieren. Die Berechnung neuer Sekundärwicklungen ist nicht schwierig. Bei einer Primärspannung von 220 V und einem Laststrom von mindestens 30 mA muss jede Sekundärwicklung 20 V liefern (mit Abgriff in der Mitte). Durch Messen der Sekundärspannung vor dem Umbau des Transformators und Zählen der Windungszahlen der ausgebauten Wicklung bei der Demontage lässt sich leicht die erforderliche Windungszahl der neuen ermitteln. Sie ändert sich proportional zur Spannung. Der Wickeldraht wird mit einem Durchmesser von 0,1...0,15 mm genommen. Es hält der erforderlichen Belastung mit einer Reserve stand, ein dünneres Modell ist jedoch beim Aufwickeln sehr unpraktisch. Ein werkseitig hergestellter Transformator ist fast immer mit Lack gefüllt, lässt sich aber mit etwas Geschick dennoch demontieren, ohne die Wicklung und die Magnetplatten zu beschädigen. Ich mache das so: Mit einem Messer mit dünner Klinge trenne ich die obere Platte ab Achten Sie darauf, die Wicklungen nicht zu beschädigen. Damit die Klinge in den zentralen Kern des Magnetkreises passt, muss sie schmal genug sein. Je größer der Teil der Platte, der abgetrennt werden kann, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Demontage. Als nächstes spanne ich den Magnetkreis vorsichtig, aber fest in einen Schraubstock (durch Abstandshalter aus Pappe) und schlage mit einer Hilfsplatte geeigneter Größe aus gehärtetem Stahl die Platte, die nicht eingespannt und vom Set getrennt war, aus dem Rahmen. Eine weitere Demontage bereitet in der Regel keine Schwierigkeiten. Nachdem ich es fertiggestellt habe, entferne ich die vorhandene Sekundärwicklung aus dem entsprechenden Abschnitt des Rahmens und wickle neue auf, wobei ich nicht vergesse, eine Abschirmung dazwischen vorzusehen – eine offene Windung aus Kupferfolie oder eine Schicht Wickeldraht Windung für Windung. Als Isolierung zwischen den Wicklungen bzw. der Wicklung und dem Schirm lege ich mehrere Lagen geöltes Kondensatorpapier. Es kann durch Zerlegen eines Papierkondensators mit hoher Kapazität, der beispielsweise in Vorschaltgeräten von Leuchtstofflampen verwendet wird, „gewonnen“ werden. Nachdem ich mit dem Zurückspulen fertig bin, bringe ich die Magnetplatten wieder an ihren Platz. Seien Sie nicht verärgert, wenn ein paar Teller „extra“ übrig bleiben. Die Qualität des Transformators wird dadurch nicht beeinträchtigt. Wenn es nicht möglich war, zwei Sekundärwicklungen auf dem Rahmen zu platzieren, können zwei identische Transformatoren mit jeweils einer gut isolierten Sekundärwicklung hergestellt werden. Ihre Primärwicklungen sind parallel an das Netzwerk angeschlossen. Nachdem Sie den Block zusammengebaut haben, sollten Sie zunächst die Isolierung zwischen den Stromkreisen der XS1- und XP1-Anschlüsse überprüfen. Ein Ohmmeter, das zwischen einem beliebigen Kontakt oder Körper des ersten und einem beliebigen Kontakt oder Körper des zweiten Steckers angeschlossen ist, sollte einen unendlich hohen Widerstand anzeigen. In kritischen Fällen wird die Isolation mit einem Megger überprüft, der die entsprechende Prüfspannung erzeugt. Einer seiner Anschlüsse wird mit den Kontakten und dem Gehäuse der XS1-Buchse verbunden und fest miteinander verbunden, der zweite auf die gleiche Weise mit dem XP1-Stecker. Sie sollten die Isolierung der Schnittstellenstromkreise sowohl gegenüber dem Versorgungsnetz als auch gegenüber dem Magnetkern und der Abschirmung des Transformators T1 überprüfen. Das zusammengebaute Gerät wird zum ersten Mal eingeschaltet, ohne es an einen Computer oder ein Peripheriegerät anzuschließen. Messen Sie die Spannung an den Pins 1, 2, 6, 8, 9 der XS1-Buchse und an den Pins 3, 4, 7 des XP1-Steckers relativ zu Pin 5 des entsprechenden Steckers. Sie muss +10 V überschreiten, und wenn sie an einen Kontakt mit der gleichen Nummer des gegenüberliegenden Steckers angelegt wird, ändert sich die Spannung unter -5 V (relativ zu Pin 5 dieses Steckers) in negativ -10 V oder weniger. Gleichzeitig sollte die entsprechende LED aufleuchten. Selbstverständlich unterliegen nur solche Stromkreise der Prüfung, die im montierten Zustand mit Entkopplungseinheiten ausgestattet sind. Zum Beispiel in einem Block gemäß dem in Abb. 4: Überprüfen Sie einfach die Spannung zwischen den Pins 2 und 5 der XS1-Buchse und zwischen den Pins 3 und 5 des XP1-Steckers Nachdem Sie sich vergewissert haben, dass das Gerät funktioniert, schließen Sie es zwischen dem Computer und dem Peripheriegerät an und schalten Sie den Computer ein (zuerst den Computer) und verwenden Sie ein Test- oder Arbeitsprogramm, um sicherzustellen, dass die Daten korrekt übertragen werden. Das beschriebene Gerät in einer Sechskanalversion ist seit mehr als eineinhalb Jahren erfolgreich im Einsatz und ermöglicht die Kommunikation zwischen einem Computer und einem TDS-340-Oszilloskop mit einer Spannung von 2000 V. Das Gerät wurde auch beim Anschluss von a getestet Computer mit einem Industriecontroller auf Basis eines 18031-Mikroprozessors, installiert in einem anderen Raum. Die maximale Informationsübertragungsrate beträgt 19200 Baud. Es bestand keine Notwendigkeit, mit höherer Geschwindigkeit zu arbeiten, obwohl theoretisch eine solche Möglichkeit besteht. Autor: N. Maramygin, Moskau
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