Moduł izolacji galwanicznej USB

Ze względu na charakter mojej pracy często spotykam się z sytuacjami, w których urządzenie podłączane do komputera przez USB nie powinno mieć z nim bezpośredniego połączenia elektrycznego. Może to powodować zarówno silne zakłócenia, aż do utraty sprawności, jak i wzajemne oddziaływanie zasilaczy komputera i testowanego urządzenia. Sposobów rozwiązania tego problemu nie ma wiele, a najprostszym jest zastosowanie izolacji galwanicznej.


Opowiadałem już o dodaniu izolacji galwanicznej do jednego z moich obciążeń elektronicznych. To również dość proste rozwiązanie, ale wymaga ingerencji w konstrukcję obciążenia i zainstalowania specjalnego oprogramowania. Alternatywne możliwości:
1. Odizolować galwanicznie sam komputer od sieci, ale wtedy trzeba też odłączyć monitor, zasilanie koncentratora USB i drukarki — krótko mówiąc, odpada.
2. Zastosować WiFi, Bluetooth lub Ethernet. Izolacja jest świetna, ale wykonanie skomplikowane i zwykle każde urządzenie trzeba przerabiać osobno.
3. Izolator USB. To bardzo proste urządzenie, całkowicie przezroczyste z punktu widzenia oprogramowania i sprzętu. Można go używać w razie potrzeby i właśnie o nim opowiem dzisiaj.

Czasami naprawdę wystarczy tymczasowo odizolować komputer od podłączanego urządzenia — zarówno podczas pracy, jak i przy sprawdzaniu, „kto jest winny”. Dlatego zamówiłem właśnie takie rozwiązanie, choć, jak pisałem na samym początku, w miarę możliwości staram się zapewniać izolację wewnątrz samych urządzeń, na przykład tak jak zrobiłem to w moich zasilaczach.

W chwili zakupu kosztował 7,59 USD + 1,63 USD za wysyłkę, czyli łącznie około 9,2 USD. Niezbyt tanio, ale nie potrzebowałem ich przecież dziesięciu.
Po jakimś czasie dostałem taką paczuszkę. Przy okazji zamówiłem też kilka modułów WiFi-UART, ale sprzedawca z jakiegoś powodu uznał, że ich nie potrzebuję, i ich nie wysłał. Szkoda, będzie o jedną przydatną recenzję mniej :(


Zdjęcie w porównaniu ze standardowym pudełkiem zapałek, żeby łatwiej ocenić rozmiar.


A tu wymiary ze strony produktu.


Wykonanie jest całkiem staranne. Oczywiście można się do czegoś przyczepić, ale nie będę tego robił, bo wszystko mi odpowiada.


Oprócz złączy USB na płytce są jeszcze trzy diody LED i przełącznik. Dwie diody sygnalizują tryb pracy (Low i High speed) oraz zasilanie na wyjściu. Przełącznikiem wybiera się tryb transmisji, czyli Low lub High speed.


Wszystkie kondensatory o dużej pojemności na płytce są tantalowe. Na wejściu znajduje się bezpiecznik samoresetujący o prądzie znamionowym 400 mA, więc pod względem bezpieczeństwa wszystko jest w porządku.


Urządzenie podłączone przez izolator jest zasilane z izolowanej przetwornicy napięcia — w tym przypadku 5–5 V o mocy 1 W, czyli maksymalny prąd obciążenia wynosi 200 mA. Z tego samego źródła zasilana jest też wtórna strona samej płytki, więc nie można za bardzo poszaleć. Na przykład próba podłączenia zewnętrznego dysku SSD spowodowała jego cykliczne ponowne uruchamianie.
W innym sklepie kupiłem sobie kilka podobnych przetwornic do zasilania woltomierzy z wyświetlaczami VFD, a także do różnych innych zastosowań. Przydatna rzecz.


Za samą izolację odpowiada ADUM3160. Obok znajduje się transoptor, który przekazuje sygnał z przełącznika na wejście sterujące układu ADUM, ustawiając szybkość transmisji danych.


Według producenta (zakładając, że układ jest oryginalny, a nie jest podróbką) zapewnia on izolację galwaniczną przy napięciu do 2,5 kV i szybkość transmisji danych 1,5/12 Mbit.


Od spodu nic się nie dzieje, ale muszę zwrócić uwagę na jedną rzecz. W specyfikacji ADUM3160 podano, że wytrzymuje 2,5 kV, ale w tym przypadku napięcie przebicia będzie ograniczone nie przez niego, lecz przez odległość między wyprowadzeniami przetwornicy napięcia. Nie wiem, jakie napięcie wytrzymuje jej izolacja, ale odstęp między wyprowadzeniami 2 i 3 jest niewielki i przynajmniej w tym miejscu zrobiłbym szczelinę w laminacie.


Pojemność między stronami izolatora zmierzyłem najpierw między masami — miernik wskazał 26 pF. Potem zmierzyłem pojemność między masą a zasilaniem i otrzymałem tę samą wartość, 26 pF, co moim zdaniem jest więcej niż w porządku.


A teraz sprawdźmy, jak działa.
Test przeprowadziłem nie z jednym z moich urządzeń, lecz ze zwykłym pendrive’em. Dla izolatora nie ma znaczenia, co jest podłączone, bo jest całkowicie przezroczysty dla systemu i nie wymaga żadnych sterowników ani innych dodatków. Podłączasz i działa — właśnie to mnie w nim zainteresowało.
Po stronie pierwotnej są dwie diody LED: niebieska i czerwona. Niebieska świeci, gdy wybrany jest tryb wysokiej szybkości (12 Mbit), a czerwona — niskiej (1,5 Mbit).
Z jakiegoś powodu poprawnie działał jednak tylko tryb wysokiej szybkości. Przy niskiej komputer wykrywał, że coś podłączono, ale nie potrafił ustalić, co to jest. Sprawdzałem zarówno pendrive’y, jak i konwerter USB-UART. Przełączałem tryby zarówno „na gorąco”, jak i po ponownym podłączeniu — w trybie Low speed nic nie zadziałało.


Kilka testów szybkości.
1. Czytnik kart podłączony do huba USB 3.0
2. Czytnik kart podłączony do portu USB 2.0 komputera
3. Pendrive USB 2.0 podłączony do portu USB 2.0 komputera.

Maksymalna uzyskana przeze mnie szybkość wyniosła około 9 Mbit/s, co jest całkiem niezłym wynikiem. Widać przy tym, że przy bezpośrednim podłączeniu do komputera szybkość jest większa.


1, 2. Pobór prądu w trybie High speed jest mniejszy niż w trybie Low speed i wynosi odpowiednio 15 i 28 mA.
3. Napięcie na wyjściu bez obciążenia jest wyższe niż na wejściu, o około 0,1 V.
4, 5. Co ciekawe, w trybie Low speed pobór prądu przez obciążenie spada niemal do zera (zdjęcie 5). Zasilanie jest jednak obecne, bo tester działa, ale urządzenia nie są wykrywane, o czym pisałem wyżej.
6. Obciążalność modułu jest bardzo mała — już przy prądzie obciążenia 60–65 mA napięcie spada do 4,6 V. W tym teście izolator był podłączony przez przedłużacz USB, ale nawet przy bezpośrednim podłączeniu różnica nie była zbyt duża.


A więc najpierw zalety: jakość wykonania jest przyzwoita, moduł działa stabilnie, dane są przesyłane, a korzystanie z niego jest bardzo wygodne, bo wystarczy wpiąć go między komputer a urządzenie docelowe, na przykład obciążenie, zasilacz, oscyloskop USB itp.
Wady. Szybkość wynosi maksymalnie 12 Mbit/s, więc moduł nadaje się do urządzeń, które nie wymagają dużej przepustowości. Z jakiegoś powodu działa przy tym tylko w jednym trybie. Obciążalność wyjścia jest niewielka i wynosi zaledwie około 40–50 mA, dlatego urządzenie docelowe najlepiej zasilać osobno. Można też mieć zastrzeżenia do jakości izolacji między stroną pierwotną a wtórną. Problem da się rozwiązać, wymieniając izolowaną przetwornicę DC-DC; zastosowanie mocniejszej zwiększy również obciążalność wyjścia.

Podsumowując: jeśli zna się ograniczenia tego modułu, może się przydać i w niektórych sytuacjach naprawdę ułatwić życie. Niedawno miałem konkretny przypadek, gdy przy pewnej konfiguracji obciążenia elektronicznego, jego zasilacza, testowanego zasilacza i komputera połączenie USB zanikało co 5–10 sekund. Izolator USB rozwiązałby ten problem, bo bez podłączenia do komputera wszystko działało stabilnie.

To już wszystko. Mam nadzieję, że recenzja była przydatna.