Interface RS-232-TTL con optoacopladores

Aunque debiera estar ubicado dentro del área de la informática “Retro”, este circuito puede ser de gran utilidad para muchos de ustedes y, en particular, para aquellos que les encanta cacharrear con ordenadores antiguos. En el afán de conectar dispositivos de incierto funcionamiento mientras se construye un Frankenstein informático, muchos pierden por el camino, entre otras cosas, al puerto serie del ordenador que están recuperando del ático, al provocar conexiones fallidas que provocan la muerte súbita de este puerto al mundo exterior. Por otro lado, los circuitos satélites que habitualmente construimos con tanto esfuerzo y que deseamos hacer funcionar a través de este puerto pueden sufrir descargas eléctricas si no tomamos las precauciones adecuadas, terminando en el bote de basura sin pena ni la gloria de haber funcionado al menos un par de minutos. ¿Acaso nunca has sentido el cosquilleo del ordenador al tocarlo estando descalzo? Entérate cómo proteger tus sistemas.

A pesar de poseer una aislación teóricamente total entre primario y secundario, una fuente de alimentación de ordenador genera, por su alta frecuencia de trabajo, una tensión inducida que a muchas personas suele provocarles descargas eléctricas poco simpáticas y siempre sorpresivas. Instalaciones eléctricas precarias, en las que la ansiedad descontrolada por poner en marcha al sistema le gana por goleada a la razón y a la mesura de tomar las precauciones que "debieran" tenerse al instalar un sistema eléctrico de este tipo, pueden ocasionar cualquier desastre irreversible. Por ejemplo, ¿cuántos de nosotros poseemos una buena conexión a tierra donde se conecta el chasis del ordenador de mesa? ¿De qué material debe estar hecha una conexión a tierra eficiente? Por supuesto que Google responderá todas estas preguntas en un tris, pero ¿cuántos de nosotros tomamos estos recaudos antes de instalar definitivamente el ordenador? De a uno por favor, no se peleen por dejar sus comentarios sobre medidas de seguridad eléctrica.

Otra mención especial la constituyen las conexiones “en caliente”, tal como ya nos hemos acostumbrado con el puerto USB. Aquellos a los que nos apasiona la experimentación, instalamos y quitamos conectores sin tener noción cierta del riesgo al que sometemos a los puertos, tanto de nuestras maravillosas creaciones como del ordenador. Un ejemplo clásico y habitual es que muy poca gente sabe de qué se trata el método de extracción segura en las aplicaciones USB. Cámaras fotográficas, reproductores de audio, video y todo el universo de dispositivos que se conectan al puerto USB para intercambiar datos con el ordenador, son conectados, utilizados y luego extraídos sin el mínimo cuidado de aplicar el recomendado método de extracción segura. Ese procedimiento viene explicado en todos los manuales, en hojas sueltas y algún día vendrán en imágenes holográficas de advertencia al usuario, pero la mayoría no utiliza este método. Una parte por desconocimiento inocente y otra parte por desatención displicente.

En cualquiera de los puertos que el ordenador dispone, las conexiones deben hacerse con los dispositivos satélites apagados y, en los casos en los que se permita (USB), debes proceder a efectuar el método de extracción segura al retirarlo cuando ya no sea necesaria su conexión. Debes tener en cuenta que el ordenador no comprende tus apuros, necesidades y urgencias y lo que único que provocarás será la ruptura del firmware del dispositivo satélite, el que conectas y desconectas de los puertos sin piedad, que no llega a recibir las instrucciones de desconexión (Detached) apropiadas y suele entrar en un estado irresoluto dentro de su programa interno que acaba por inutilizar al dispositivo hasta una nueva recarga del firmware residente. Pero resumiendo el concepto introductorio y remarcando la esencia del artículo, vale hacer hincapié en los peligros y riesgos de destrucción por severos choques eléctricos a los que son sometidos tanto los puertos de un ordenador como los proyectos que desarrollamos para que trabajen a través de éstos.

Los optoacopladores al rescate
Los optoacopladores u optoaisladores son dispositivos que nacieron para brindarle al diseñador electrónico la posibilidad de unir y enlazar circuitos sin contacto eléctrico o también llamado contacto galvánico. Es decir, el arte de unir sin tocar. En épocas primitivas, estos dispositivos se limitaban a ser una sencilla LDR activada por una pequeña lámpara incandescente, ambas incrustadas en un medio aislado de las perturbaciones lumínicas exteriores. Con los años y el lógico avance de las tecnologías constructivas de semiconductores, la utilización del infrarrojo pasó a dominar el escenario gracias a las posibilidades de una transmisión de datos superlativa entre las partes emisora y receptora. Además, los materiales empleados y la inmensa diversidad de aplicaciones específicas de estos componentes dieron origen a los más variados formatos y diseños que requería la industria electrónica.

Todos y cada uno de los modelos que puedes ver en imagen poseen aplicaciones, características, funcionamiento y dimensiones físicas completamente diferentes entre sí, pero, sin embargo, todos son optoacopladores. De ranura, por reflexión, con salida a transistor, con salida a triac, con detector de cruce por cero o sin él y una interminable lista de opciones dentro del mundo de estas maravillas de la optoelectrónica. De todos estos modelos, elegiremos uno en particular para la aplicación que deseamos desarrollar y es el 4N35. Este optoaislador tiene la particularidad de poseer una velocidad de transmisión de datos entre el diodo emisor (el que actúa como entrada) y el fototransistor detector (que actúa como salida) muy rápida y menor a los 10 microsegundos, hecho que transforma a este dispositivo en una buena elección para lograr altas velocidades de intercambio de datos a través de los puertos.

La elevadísima resistencia de aislación entre el elemento emisor y el receptor dentro del encapsulado, sumado a la aislación de más de 7 mil Volts (7KV), nos ofrece la posibilidad de obtener a través de su correcta implementación un relé de estado sólido muy particular. Sin ruidos, chispas ni rebotes en sus contactos, el 4N35 nos brinda los elementos necesarios para acoplar a nuestro ordenador la variedad de periféricos que se nos ocurra sin peligro de conexión entre sistemas con inciertos niveles de diferencia de potencial entre sí que, por supuesto, en las ocasiones que menos esperas, provocan roturas por choques eléctricos de alta tensión que, en piezas de colección, provocan una desazón muy difícil de explicar y comprender (muchos periféricos humeantes ante mi atónita mirada, antes de este circuito, dan fe de ello).

El circuito propuesto
Orientados siempre a trabajar con microcontroladores que manejan tensiones entre 0 y 5 volts o también conocidas como "tensiones TTL", se han hecho muy populares en los bancos de trabajo de los desarrolladores las fuentes de alimentación conmutadas. Extraídas de reproductores de DVD que ya no funcionan o recicladas de un ordenador más antiguo al que estamos utilizando para nuestros experimentos, estas fuentes de alimentación están desplazando poco a poco a las antiguas hechas con pesados transformadores aisladores. Tampoco se utilizan los acumuladores o conjuntos de baterías para que resuelvan nuestras necesidades energéticas.

Hoy la electrónica es muy dinámica, muy práctica, muy liviana y los circuitos conmutados, convertidores de DC-DC, están abriéndose paso y dominando sectores cada vez más vastos y amplios dentro de las aplicaciones, donde antes era impensado dejar de utilizar un transformador aislador. Un ejemplo contundente y claro son las ya famosas fuentes “Tranformerless” que, con un puñado menor a 10 componentes, son capaces de entregarnos 5Volts para los microcontroladores a partir de la red domiciliaria de alimentación de corriente alterna.

Por lo tanto, las necesidades de estar protegidos, nosotros y nuestros circuitos, es tomando las precauciones necesarias y dejando de desafiar a la suerte con las típicas frases como “a mí no me sucederá”. Un circuito optoaislado con dos 4N35 que se utilizan para transmisión y recepción de datos, respectivamente, es una alternativa de protección “extra” que nunca estará de más en tu banco de trabajo y que en más de una ocasión te servirá para decir libremente: “a mí no se me rompió”, gracias a las propiedades de aislación galvánica provistas por el circuito.

Aunque parezca complejo, teniendo en cuenta algunos conceptos sencillos y prácticos, el circuito es muy elemental y te resultará muy fácil comprender su funcionamiento. Lo primero que debes saber es que a pesar de que un ordenador de hace algunos años trabaja en su interior con tensiones TTL, la norma RS232 establece que: valores entre +3 y +15Volts equivaldrán a un 0 lógico y tensiones entre -3 y -15Volts representarán un 1 lógico. Observa la curiosidad de las tensiones utilizadas y la inversión lógica empleada en la estructura de la norma internacional.

Por lo tanto, el transistor T1 conducirá cuando exista una salida de tensión positiva, hecho que a su vez energizará el LED del optoacoplador haciendo que su respectivo fototransistor pase a la saturación y obtengamos en su colector un 0 lógico a nivel TTL en el lado de nuestro desarrollo (pin RXD). Es decir, se corresponderá esta señal entregada desde el ordenador con la obtenida del lado aislado de nuestra interface. En el caso de recibir una tensión de polaridad negativa (1 lógico para la norma RS232), el transistor se mantendrá al corte y sin conducción entre colector y emisor. El LED no activará el fototransistor y del lado TTL obtendremos un estado lógico alto que equivale un 1 para la norma TTL.

Para el caso de la transmisión de datos desde el lado TTL, la situación es la que te presentamos a continuación y será muy sencillo que puedas seguir el análisis con el diagrama superior a través de las líneas punteadas rojas. Para un 1 lógico TTL desde el pin TXD (del lado TTL), el transistor T4 permanecerá al corte (sin conducción) y el diodo emisor de OC2 no activará a su respectivo fototransistor. VCC alimentará la base de T2 (a través de R9, D3 y D4) que pasará al estado de saturación y hacia el ordenador se conectará el potencial –VCC, es decir, el estado lógico alto que llegará gracias a la conducción de T2 (línea roja). Además, en esta condición, R8 asegura el estado de corte de T3 de modo que impide cualquier conducción por ruidos en la línea RS232. (Recuerda: –VCC es estado lógico alto y +VCC estado lógico bajo para la norma RS232).

Para un 0 lógico TTL, el transistor T4 pasará a la saturación provocando que el diodo emisor de OC2 active el fototransistor pasándolo a un estado de conducción. La corriente circulará desde +VCC por R9, D2 y también se mantendrá por la unión Emisor-Base de T3, R6 y el propio fototransistor drenando su corriente en –VCC. De este modo, T2 permanece en estado de corte y T3 pasa a conducir +VCC (por R7) hacia el conector de salida(líneas azules). Así se completa la transmisión de un 0 TTL, que resulta en +VCC del lado del ordenador. (Recuerda: –VCC es estado lógico alto y +VCC estado lógico bajo para la norma RS232).

Los indicadores LED rojos se iluminarán al encontrar 0 lógicos del lado del ordenador y los verdes indicarán la transmisión de los estados altos (-VCC). Seguro será más sencillo comprenderlo desde el lado TTL: cuando se iluminan los rojos, estamos transmitiendo o recibiendo bits, y cuando están energizados los verdes, el circuito no manifiesta transferencia de información. Con una construcción adecuada, con los componentes indicados en el esquema, con un montaje prolijo y con conciencia, este circuito puede trabajar hasta una velocidad de 9600 bauds. Un circuito sencillo, útil, que te ayudará a proteger tus conexiones, equipos y desarrollos de manera segura y confiable.

Nota del Editor: Agradezco a todos ustedes, lectores de NeoTeo, la posibilidad que me han brindado de estar en este prestigioso espacio de tecnología dentro de la web, leyendo mis artículos y ayudándome a mejorar día a día, en lo humano y lo profesional. Además, quiero hacer un agradecimiento especial a mi familia, mi esposa Patricia, a mi sobrina Natalia Pineda, a Federico Reggiani, a Max Ferzzola y a todo el grupo de trabajo NeoTeo. Por supuesto, al maestro Ariel Palazzesi con cariño. GRACIAS a todos por estos primeros 100 artículos.  Cuando alcance los 1000 artículos publicados, los invito a cenar a todos. Gracias.