Бывает так, что приходится работать на двух компьютерах одновременно. Также радиолюбители, настраивающие популярные компьютеры Raspberry Pi, на практике используют параллельно обычный большой компьютер. Значит на столе должно быть два монитора и комплект из двух клавиатур и мыши. Помимо нехватки места, существует проблема ошибочной попытки использовать не ту клавиатуру или мышь. Думаем те, кому когда-либо приходилось работать таким образом, знают эти проблемы.
Решением может быть использование только одного набора консольных устройств (экран плюс клавиатура и мышь). Современные компьютерные мониторы обычно имеют несколько входных разъемов, а переключение источника сигнала осуществляется одной кнопкой. Вот только клавиатуру или мышь приходится заново переключать вручную, что не очень удобно. Зато предлагаемое устройство решает эту проблему, позволяя переключать мышь и клавиатуру с ПК на ПК одним нажатием кнопки.
Как работает переключатель
Гнезда USB (стандарта 1.1 и 2.0) имеют четыре контакта: VCC, GND и дифференциальную пару D+ и D-. Поэтому достаточно переключить эти четыре провода одновременно и, таким образом, физически отключить USB-клавиатуру от одного компьютера и подключить ее к другому. На практике было бы достаточно поворотного переключателя, но тогда это было бы механическое, медленное и ненадежное устройство, а не электронное. В представленном выключателе используются электромеханические бистабильные реле с электронным управлением. Реле, в отличие от полупроводниковых переключателей, обеспечивает полную диэлектрическую развязку управляемых цепей от управляющих. Катушке бистабильного реле требуется питание только на время переключения, что экономит энергию.
Схема устройства представлена на рисунке. В этом проекте использовались два однообмоточных бистабильных реле PR1 и PR2. Каждое из них имеет две независимые цепи включения (PR1 переключает VCC и GND, а PR2 сигнализирует D+ и D-). Таким образом, устройство имеет 2 выходных разъема USB типа B (USB1 и USB2 для подключения компьютеров) и входной разъем USB3 типа A. Вместо входного разъема можно использовать USB-концентратор, благодаря которому можно переключать мышь и клавиатуру в одно и то же время.
В однокатушечных бистабильных реле переключение происходит за счет смены полярности катушки. Для этого был задействован несколько необычный Н-мост. Необычность заключается в использовании двух независимых питающих напряжений, подхваченных с двух разных выходных портов USB (точнее, с подключенных к ним компьютеров). На то, питается ли данный USB-порт от компьютера, указывают светодиоды LED1 и LED2, подключенные через резисторы ограничивающие их ток — R1 и R2.
Чтобы переключить схему на порт USB1, нажмите кнопку S1. Ток начинает течь через резистор R3, открывая транзисторы Т3 и Т5. Открытый транзистор Т3 через резистор R4 также открывает транзистор Т1. Таким образом, ток может течь от порта USB1 VCC через транзистор T1, катушки реле и через транзистор T5 замыкает цепь на порт GND. При отпускании кнопки транзисторы закрываются, но бистабильные реле остаются включенными. Аналогично происходит переключение на порт USB2, но на этот раз кнопка S2 открывает транзисторы Т6, Т2 и Т4, и ток через катушки реле течет в обратном направлении, используя открытые транзисторы Т4 и Т2.
Непреднамеренное одновременное нажатие обеих кнопок может быть проблематичным. Тогда верхний и нижний транзисторы откроются одновременно, что приведет к короткому замыканию линии питания на землю. Полимерные предохранители В1 и В2 должны защищать от такого события, но не стоит намеренно доводить до такой ситуации. Катушки обоих реле соединены параллельно, при этом параллельно им подключен набор встречно-параллельных стабилитронов. Это защита управляющих транзисторов от напряжения, индуцируемого в катушках реле в момент отключения. Конденсаторы С1 и С2, подключенные параллельно к выводам кнопок S1 и S2, защищают схему от последствий контактных вибраций кнопок, а резисторы R13 и R14 обеспечивают полярность транзисторов Т3 и Т6.
Также необходимо обсудить кажущееся странным расположение двух транзисторов Т7 и Т8. Это почти классический триггер, его задача — запомнить, какая кнопка была нажата последней, и включить соответствующий светодиод. Работает он следующим образом: транзисторы Т7 и Т8 в инверторной конфигурации соединены друг с другом: коллектор одного через резистор (R11 и R12) с базой другого и наоборот. Эта схема имеет два устойчивых состояния, одновременно может быть открыт только один из транзисторов. Для принудительного открытия транзистора Т7 следует кратковременно подать напряжение на его базу (здесь с ключа S1 через диод D3 и резистор R9). Транзистор Т7 откроется, и ток, протекающий через его базу и резистор R12, вызовет падение напряжения на коллекторе транзистора Т8, препятствуя его открытию. После отпускания кнопки S1 ток в цепи базы Т7 будет продолжать протекать через резистор R12. Это состояние будет устойчивым до тех пор, пока не будет нажат переключатель S2, когда через диод D4 и резистор R10 в базовой цепи транзистора Т8 протекает ток. Открытый транзистор Т8 через резистор R11 вызывает падение напряжения на коллекторе транзистора Т7, в результате чего он закрывается. Несмотря на отпускание кнопки S2, ток базы транзистора Т8 все равно будет протекать через резистор R11.
Коллекторные цепи транзисторов Т7 и Т8 запитываются совместно от выпрямительных диодов D1 и D2 и токоограничивающих резисторов R7 и R8. Светодиоды LED3 и LED4 соединены несколько необычно в эмиттерных цепях транзисторов Т7 и Т8. Задача этих светодиодов — сигнализировать, какой транзистор открыт, то есть какая кнопка была нажата последней (и, следовательно, какой USB-порт активен).
Монтаж и наладка схемы
В устройстве используется односторонняя плата. Поскольку большинство компонентов относятся к типу SMD, а также используются крупные сквозные компоненты, её сборка будет двухсторонней. Начинать пайку лучше всего с самых мелких компонентов для поверхностного монтажа — тогда плата сможет ровно лежать на столе.
Вместо перемычки ZW можно впаять резистор R0 1206. Правильно собранный из функциональных элементов переключатель должен работать сразу после подключения к компьютерам. Необязательно, чтобы оба компьютера работали одновременно. В такой ситуации просто не получится переключиться на неактивную USB-розетку. LED1 и LED2 показывают, какой компьютер работает.
Устройство «запоминает» на момент выключения, какая розетка была активна в последний раз. К сожалению, сразу после включения светодиоды индикатора (LED3 и LED4) могут не выполнять свою задачу (могут гореть не те). Положение спасает короткое нажатие кнопки S1 или S2. Данный переключатель предназначен для использования с маломощными USB-устройствами, такими как клавиатуры и мыши. Из-за применения слаботочных реле к нему категорически недопустимо подключать устройства, требующие большого тока, например, внешний жесткий диск. Но проблема естественно решается установкой более силовых элементов.
