BSW | Przełącznik USB

Przełącznik USB

Dość często zdarza się, że trzeba pracować na dwóch komputerach jednocześnie. W takiej sytuacji są profesjonaliści pracujący na maszynach firmy Apple. Z uwagi na niekompatybilność zmuszeni są oni równolegle używać również PC-tów. Także hobbyści konfigurujący popularne komputerki Raspberry Pi w praktyce równolegle do nich używają normalnego dużego komputera. Na biurku muszą się znaleźć dwa monitory oraz zestaw dwóch klawiatur i myszy. Poza brakiem miejsca dochodzi problem omyłkowych prób użycia niewłaściwej klawiatury lub myszy. Każdy, kto musiał kiedyś pracować w ten sposób, zna te problemy.

Rozwiązaniem może być korzystanie z tylko jednego zestawu urządzeń konsolowych (ekran plus klawiatura i mysz). Współczesne monitory komputerowe mają z reguły kilka gniazd wejściowych, a przełączenie źródła sygnału odbywa się jednym przyciskiem. Jednak klawiaturę czy mysz trzeba przepinać ręcznie, co jest niezbyt wygodne. Opisane w tym artykule urządzenie rozwiązuje ten problem. Pozwala ono przełączyć mysz i klawiaturę z komputera na komputer naciśnięciem przycisku.

Jak to działa

Gniazda USB (w standardzie 1.1 i 2.0) mają cztery styki: VCC, GND oraz różnicową parę D+ i D-. Wystarczy zatem przełączać te cztery przewody jednocześnie i w ten sposób odłączyć fizycznie klawiaturę USB od jednego komputera i podłączyć do drugiego. W praktyce wystarczyłoby zastosować przełącznik obrotowy lub isostat, ale wtedy byłoby to urządzenie mechaniczne, a nie elektroniczne. W prezentowanym przełączniku zastosowane zostały sterowane elektronicznie elektromechaniczne przekaźniki bistabilne. Przekaźnik, w odróżnieniu od przełączników półprzewodnikowych, zapewnia całkowitą separację dielektryczną obwodów sterowanych od sterujących. Cewka przekaźnika bistabilnego potrzebuje zasilania tylko na czas przełączenia, co nie tylko oszczędza energię, ale również eliminuje wpływ stałego pola magnetycznego generowanego przez nią na czułe obwody przełączane.

Schemat urządzenia przedstawiony jest na rysunku 1. W tym projekcie użyto dwóch jednocewkowych, bistabilnych przekaźników PR1 i PR2. Każdy z nich ma dwa niezależne obwody przełączające (PR1 przełącza VCC i GND, a PR2 sygnały D+ i D-). Zatem urządzenie ma dwa gniazda wyjściowe USB typu B (USB1 i USB2 do podłączenia komputerów) oraz gniazdo wejściowe USB3 typu A. Zamiast gniazda wejściowego można zastosować hub USB, dzięki któremu można jednocześnie przełączać mysz i klawiaturę.

W jednocewkowych przekaźnikach bistabilnych przełączenie następuje poprzez zmianę polaryzacji cewki. Został do tego wykorzystany nieco nietypowy mostek H. Nietypowość polega na użyciu dwóch niezależnych napięć zasilających, "podbieranych" z dwóch różnych portów wyjściowych USB (a raczej z komputerów do nich podłączonych). O tym, czy dany port USB jest zasilany z komputera informują świecące diody LED1 i LED2, podłączone poprzez rezystory ograniczające ich prąd R1 i R2.

Aby przełączyć układ na port USB1, należy nacisnąć przycisk S1. Prąd zaczyna płynąć przez rezystor R3, otwierając tranzystory npn T3 i T5. Otwarty tranzystor T3 poprzez rezystor R4 otwiera także tranzystor T1. Zatem prąd może płynąć od VCC portu USB1 przez tranzystor T1, cewki przekaźników, a poprzez tranzystor T5 zamyka obwód do GND portu. Po zwolnieniu przycisku tranzystory się zamykają, ale bistabilne przekaźniki pozostają przełączone. Analogicznie następuje przełączenie na port USB2, ale tym razem użyty przycisk chwilowy S2 otwiera tranzystory T6, T2 oraz T4, a prąd płynie przez cewki przekaźników w odwrotnym kierunku, korzystając z otwartych tranzystorów T4 i T2.

Problematyczne może być niezamierzone naciśnięcie obu przycisków naraz. Otwarte zostaną wtedy jednocześnie górne i dolne tranzystory, co spowoduje zwarcie linii zasilania do mas. Przed takim zdarzeniem mają zabezpieczać polimerowe bezpieczniki B1 i B2, lecz nie należy świadomie doprowadzać do takiej sytuacji. Cewkiobu przekaźników połączone są równolegle, z kolei równolegle do nich podłączony jest przeciwsobny zestaw diod Zenera – DZ1 i DZ2. Jest to zabezpieczenie tranzystorów sterujących przed napięciem indukującym się w cewkach przekaźników w momencie rozłączenia. Kondensatory C1 i C2 podłączone równolegle do zacisków przycisków S1 i S2 zabezpieczają układ przed konsekwencjami drgań styków w przyciskach, a rezystory R13 i R14 zapewniają polaryzację tranzystorów T3 i T6.

Omówienia wymaga jeszcze z pozoru dziwny układ dwóch tranzystorów T7 i T8. Jest to prawie klasyczny przerzutnik typu Flip-Flop, a jego zadaniem jest pamiętanie, który przycisk był ostatnio naciśnięty i załączenie odpowiedniej diody LED. Działa to następująco: tranzystory T7 i T8 w konfiguracji inwertera są połączone wzajemnie: kolektor jednego poprzez rezystor (R11 i R12) z bazą drugiego i na odwrót. Układ ten ma dwa stany stabilne, czyli otwarty naraz może być tylko jeden z tranzystorów. Aby wymusić otwarcie tranzystora T7, należy na chwilę podać na jego bazę napięcie (tutaj z przełącznika S1 poprzez diodę D3 i rezystor R9). Tranzystor T7 zostanie wówczas otwarty, a przepływ prądu przez jego bazę i rezystor R12 wymusi spadek napięcia na kolektorze tranzystora T8, uniemożliwiając jego otwarcie. Po zwolnieniu przycisku S1 prąd w obwodzie bazy T7 będzie nadal płynąć poprzez rezystor R12. Stan taki będzie stabilny do czasu naciśnięcia przełącznika S2, kiedy to poprzez diodę D4 i rezystor R10 prąd popłynie w obwodzie bazy tranzystora T8. Otwarty tranzystor T8 poprzez rezystor R11 wymusza spadek napięcia na kolektorze tranzystora T7, w rezultacie powodując jego zamknięcie. Mimo zwolnienia przycisku S2 prąd bazy tranzystora T8 nadal będzie płynąć poprzez rezystor R11.

Obwody kolektorów tranzystorów T7 i T8 zasilane są wspólnie za pomocą diod prostowniczych D1 i D2 oraz rezystorów R7 i R8 ograniczających prąd. Diody świecące LED3 i LED4 są włączone, nieco nietypowo, w obwody emiterów tranzystorów T7 i T8. Zadaniem tych diod jest sygnalizacja, który tranzystor jest otwarty, czyli który przycisk był ostatnio naciśnięty (a tym samym który port USB jest aktywny).

Montaż i uruchomienie

W urządzeniu zastosowano płytkę jednostronną, którą przedstawia rysunek 2. Ponieważ większość użytych elementów jest typu SMD, ale zastosowano też duże przewlekane elementy, jej montaż będzie dwustronny. Lutowanie najlepiej rozpocząć właśnie od tych najmniejszych elementów do montażu powierzchniowego - płytka może wtedy leżeć płasko na stole. Pomoc we właściwym umiejscowieniu elementów SMD może stanowić rysunek 3. Zamiast zwory ZW można wlutować rezystor R0 1206. Prawidłowo zmontowany, ze sprawnych elementów, przełącznik powinien działać od razu po podłączeniu do komputerów. Nie jest konieczne, aby oba komputery były jednocześnie uruchomione. W takiej sytuacji po prostu nie będzie możliwe przełączenie na nieaktywne gniazdo USB. O tym, który komputer działa, informują świecące diody LED1 i LED2. Fotografia 5 pokazuje przełącznik w obudowie.

Urządzenie „zapamiętuje” na czas wyłączenia, które gniazdo było aktywne ostatnim razem. Niestety zaraz po włączeniu diody wskazujące (LED3 i LED4) mogą nie spełniać swego zadania (świecić może ta niewłaściwa). Sytuację ratuje krótkie naciśnięcie przycisku S1 lub S2. Opisany przełącznik przeznaczony jest do użytku z urządzeniami USB o niskim poborze prądu jak klawiatura czy mysz. Z uwagi na zastosowanie delikatnych przekaźników absolutnie niedopuszczalne jest podłączenie do niego urządzeń wymagających sporego prądu np. zewnętrznego dysku twardego.


Powyższy artykuł ukazał się w czasopiśmie "Elektronika dla Wszystkich" w numerze 5/2017

Materiały dodatkowe:

Wykaz elementów

Do pobrania z elportalu:

 PrzelacznikUSB (ZIP, 197kB)