Модуль гальванічної розв’язки для USB

За родом занять мені часто доводиться стикатися із ситуаціями, коли пристрій, під’єднаний до комп’ютера через USB, не повинен мати з ним безпосереднього електричного зв’язку, адже це може спричинити як просто сильні перешкоди аж до втрати працездатності, так і взаємний вплив блоків живлення комп’ютера та пристрою, який тестується. Варіантів розв’язання не так багато, і найпростіший із них — застосувати гальванічну розв’язку.


Я розповідав про додавання гальванічної розв’язки до одного з моїх електронних навантажень. Варіант по-своєму теж простий, але все ж вимагає втручання в конструкцію навантаження, а також встановлення спеціального ПЗ. Як альтернативні варіанти:
1. Гальванічно ізолювати сам комп’ютер від мережі, але тоді треба ізолювати й монітор, і живлення USB-хаба та принтера — загалом, не варіант.
2. Застосувати WiFi, Bluetooth, Ethernet. Ізоляція чудова, але реалізація складна, і зазвичай кожен пристрій треба доопрацьовувати окремо.
3. USB-ізолятор. Пристрій гранично простий, цілком прозорий з погляду програмної та апаратної складових, його можна використовувати за потреби. Власне, про нього я сьогодні й розповідатиму.

Справді, іноді треба просто тимчасово розв’язати комп’ютер і під’єднаний пристрій — і для роботи, і щоб з’ясувати, «хто винен». Тому я й замовив саме такий варіант, хоча, як писав на самому початку, намагаюся за можливості робити розв’язку всередині самих пристроїв, наприклад, як я це робив у своїх блоках живлення.

На момент купівлі він коштував $7.59+1.63 за доставку, разом близько 9.2 долара. Недешево, але мені ж не десяток їх був потрібен.
Згодом отримав такий пакуночок. Щоправда, заразом замовляв пару модулів WiFi-UART, але продавець чомусь вирішив, що вони мені не потрібні, і не надіслав. Шкода, буде на один корисний огляд менше :(


Фото для порівняння зі звичайним сірниковим коробком, щоб було зрозуміло, якого він розміру.


А ось габарити зі сторінки товару.


Виконано цілком акуратно. Звісно, можна причепитися, але я не буду, бо мене все влаштувало.


Окрім USB-роз’ємів, на платі є ще три світлодіоди та перемикач. Пара світлодіодів показує режим роботи (Low і High speed), а також наявність живлення на виході. Перемикачем вибирається режим передавання — ті самі Low і High speed.


Усі конденсатори великої ємності на платі — танталові. На вході є самовідновлювальний запобіжник на струм 400мА, тож із безпекою все гаразд.


Пристрій, під’єднаний через розв’язку, отримує живлення від ізольованого перетворювача напруги, у цьому випадку 5-5 Вольт, потужністю 1 Ватт, тобто максимальний струм навантаження — 200мА. Від нього ж живиться і вторинна сторона самої плати, тому особливо не розженешся: наприклад, спроба під’єднати зовнішній SSD-накопичувач призвела до його циклічного перезавантаження.
В іншому магазині я купив собі п’ять подібних перетворювачів для живлення вольтметрів із VFD-дисплеями та й просто для різних застосувань. Корисна річ.


А за власне розв’язку відповідає ADUM3160. Поруч розташований оптрон, через який перемикач подає команду на керувальний вхід ADUMа, щоб задати швидкість передавання даних.


За заявою виробника (якщо вважати, що мікросхема оригінальна, а не клон) забезпечується гальванічна розв’язка з максимальною напругою до 2.5кВ і швидкістю передавання даних 1.5/12 Мбит.


Знизу нічого немає, але маю зробити зауваження. У характеристиках ADUM3160 зазначено, що він витримує 2.5кВ, але в цьому випадку напруга пробою буде обмежена не ним, а відстанню між контактами перетворювача напруги. Не знаю, яку напругу витримує його ізоляція, але відстань між 2 і 3 контактами мала, і я б щонайменше зробив там проріз у текстоліті.


Ємність між сторонами ізолятора я спочатку виміряв у варіанті земля/земля — прилад показав 26пФ. Потім виміряв ємність земля/живлення — показало ті самі 26пФ, що, на мій погляд, більш ніж нормально.


А тепер перевіримо його в роботі.
Тут перевірка була не з якимось із моїх пристроїв, а зі звичайною флешкою. Власне, ізолятору байдуже, що саме під’єднано, адже для системи він цілком прозорий, не потребує жодних драйверів тощо — під’єднав і працюй. Саме цим він мене й зацікавив.
На первинній стороні є два світлодіоди — синій і червоний. Синій світиться, коли вибрано режим високої швидкості (12 Мбит), червоний — низької (1.5 Мбит).
Але чомусь нормально працював лише режим високої швидкості. На низькій комп’ютер бачив, що щось під’єднано, але не міг визначити, що саме. Перевіряв і флешки, і USB-UART-конвертер, перемикав як «на ходу», так і з перепідключенням — у режимі Low speed нічого не запрацювало.


Трохи тестів швидкості.
1. Кардридер, підключений до USB 3.0-хаба
2. Кардридер, підключений до USB 2.0 комп’ютера
3. Флешка USB 2.0, підключена до USB 2.0 комп’ютера.

Максимальна швидкість, яку я отримав, — близько 9 Мбіт, що загалом нормально. При цьому видно, що за прямого підключення до комп’ютера швидкість вища.


1, 2. Струм споживання в режимі High speed нижчий, ніж у Low speed, і становить відповідно 15 і 28 мА.
3. Напруга на виході без навантаження вища, ніж на вході, приблизно на 0,1 В.
4, 5. Цікаво, що в режимі Low speed струм споживання навантаження падає майже до нуля (фото 5). Живлення при цьому є, адже тестер працює, але пристрої не визначаються, про що я писав вище.
6. Навантажувальна здатність модуля дуже мала: вже за струму навантаження 60–65 мА напруга просідає до 4,6 В. У цьому тесті ізолятор був підключений через USB-подовжувач, але навіть за прямого підключення різниця була невеликою.


Отже, з позитивного: якість виготовлення нормальна, модуль працює стабільно, дані передаються. Користуватися ним дуже зручно, адже він просто вмикається між комп’ютером і пристроєм, що підключається, наприклад тим самим навантаженням, блоком живлення, USB-осцилографом тощо.
З негативного: швидкість лише до 12 Мбіт, тож модуль підійде для не надто швидкісних пристроїв. До того ж чомусь він працює лише в одному режимі. Навантажувальна здатність на виході мала й становить лише близько 40–50 мА, тому пристрій, що підключається, бажано живити окремо. Є також зауваження до якості ізоляції між первинною та вторинною сторонами. Це можна виправити, замінивши DC-DC-ізолятор; якщо встановити потужніший, зросте й навантажувальна здатність на виході.

Підсумок: якщо знати про нюанси застосування, модуль цілком має право на життя й у деяких ситуаціях може справді полегшити життя. Не так давно в мене був реальний випадок: за певного поєднання електронного навантаження, його блока живлення, блока живлення, що тестувався, і комп’ютера USB-з’єднання зникало кожні 5–10 секунд. USB-ізолятор розв’язав би цю проблему, адже без підключення до комп’ютера все працювало стабільно.

На цьому все, сподіваюся, огляд був корисним.