Soluciones de aislamiento galvánico para aplicaciones de automatización industrial

Niveles de aislamiento

Hay cuatro niveles distintos de aislamiento: 
- Cuando se utiliza el aislamiento para permitir que el sistema funcione correctamente, pero no necesariamente como barrera contra descargas, se denomina aislamiento funcional. 
- El aislamiento que proporciona suficiente protección contra descargas eléctricas, siempre que la barrera de aislamiento esté intacta, se denomina aislamiento básico. En material de aislamiento digital básico, ofrecemos dispositivos en canales simples, dobles, triples y cuádruples, con clasificaciones de aislamiento de hasta 3 kV rms. 
- Las normas de seguridad requieren que el aislamiento básico se complemente con una barrera de aislamiento secundario para la redundancia, de modo que la barrera adicional proporcione una protección contra descargas, incluso si la primera barrera falla. A esto se lo denomina aislamiento doble. 
- Para hacer que los sistemas sean compactos y ahorren costos, se recomienda tener solo un nivel de aislamiento que tenga la fortaleza eléctrica, confiabilidad y protección contra descargas requeridas de dos niveles de aislamiento básico. A esto se lo denomina aislamiento reforzado Cuando se trata de aislamiento reforzado, nuestra cartera incluye dispositivos dobles y cuádruples con velocidades de hasta 100 Mbps y clasificaciones de aislamiento de hasta 5,7 kV rms, el más alto de la industria.

Comprender estas definiciones y su relevancia para las aplicaciones reales le permite elegir el aislador correcto para su diseño. El nivel de aislamiento y su metodología de prueba se analizan detalladamente en el artículo "Aislamiento reforzado de alta tensión: definiciones y metodologías de prueba" de TI.

Algunos parámetros de aislamiento clave

El rendimiento del aislamiento de alta tensión de un aislador se describe con varios parámetros clave. Los más importantes son: 
- La tensión de aislamiento transitoria (VIOTM) y la tensión soportada de aislamiento (VISO) máximas indican una capacidad del aislador de soportar una alta tensión transitoria (menos de 60 segundos).
- La tensión de pico repetitivo (VIORM) y la tensión de trabajo (VIOWM) máximas indican la tensión continua que el aislador puede soportar durante toda su vida útil.
- La sobretensión de aislamiento máxima (VIOSM) indica la tensión de choque máxima (forma de onda con aumento de 1,2-μs y tiempo de reducción de 50-μs) que el aislador puede soportar.
- Distance eléctrica y espacio: distancia a lo largo de la superficie del paquete y a través del aire entre las clavijas de un lado del aislador y las clavijas del otro lado. Las normas del nivel del sistema indican valores mínimos de estos parámetros basados en la tensión de trabajo, la tensión transitoria pico y la sobretensión.
- El índice de seguimiento comparativo (CTI) indica la capacidad del compuesto de moldeado de paquete de manejar una alta tensión constante sin la degradación de la superficie. Un CTI más alto permite el uso de paquetes más pequeños para la misma tensión de trabajo.

Hay muchas otras especificaciones en la hoja de datos de aislamiento relacionadas con el tiempo, el consumo de potencia, la inmunidad a tensiones transitorias y más. 

Descripción general del aislamiento capacitivo

Los aisladores digitales de TI utilizan capacitores de dióxido de silicio (SiO2) de alta tensión internos para formar barreras de aislamiento. Internamente, el aislador consta de dos chips conectados por cables, un transmisor y un chip receptor que contiene los capacitores de alta tensión.

Figura 1: Arquitectura de la Modulación digital de amplitud (On-Off Keying) utilizada en la familia de aisladores digitales reforzados ISO78xx de TI (fuente: TI)

En la figura 1, se muestra el diagrama de bloques conceptual de un canal de un aislador capacitivo digital (DCI). La familia ISO78xx utiliza una arquitectura avanzada denominada "On-Off Keying" (OOK) para transmitir la señal a través de la barrera de aislamiento basada en dióxido de silicio. El flujo de bits digitales entrantes se modula con un reloj oscilador interno de amplio espectro para generar señales de OOK de tal manera que uno de los estados de entrada esté representado por la transmisión de una frecuencia portadora, y el otro estado por ninguna transmisión. Los dispositivos de ISO78xx incorporan técnicas de circuito avanzadas para maximizar el rendimiento de la Inmunidad transitoria de modo común (CMTI) y minimizar las emisiones enviadas debido a la transmisión de alta frecuencia y a la conmutación de búfer de E/S. 

Figura 2: Aislador de ejemplo en paquete de 16 clavijas (fuente: TI)

Un diagrama de clavijas de un aislador digital típico se muestra en la figura 2. Consta de dos suministros VCC1 y VCC2, dos conexiones a tierra, GND1 y GND2, y clavijas de entrada y salida en cualquiera de los lados correspondientes a las conexiones a tierra respectivas; las clavijas 1 a 8 corresponden a GND1 y las clavijas 9 a 16 corresponden a GND2. Las clavijas de salida en cualquiera de los lados se activan si su respectiva clavija ENx está alta o abierta; de lo contrario, las salidas están en un estado de alta impedancia.

Compilamos una guía de diseño para ayudarlo a comenzar a diseñar con la cartera amplia de aisladores digitales de TI y funciones aisladas en el tiempo más corto posible. Nuestra cartera incluye la familia de aisladores digitales reforzados de 5,7 kV rms ISO78xx, la familia de aisladores digitales de 3 kV rms ISO73xx y la familia de aisladores digitales de 2,5 kV rms ISO71xx, entre otros. 

Aislamiento capacitivo en comparación con aislamiento óptico

Observemos cómo se compara la tecnología de aislamiento capacitivo con su importante adversario, el aislamiento óptico, que se ha utilizado ampliamente en el pasado. 

Los aisladores ópticos u optoacopladores logran el aislamiento convirtiendo los datos digitales en impulsos de luces utilizando un LED y transfiriendo luego la información a través de un canal óptico cerrado a un fototransistor o fotodiodo, que lo convierte de nuevo en corriente. La separación física proporciona el aislamiento del transmisor y receptor.

Diferencias entre el aislamiento óptico y el aislamiento capacitivo Comparemos los dos en algunas áreas de importancia.

Comparación del aislamiento

El aislador capacitivo de TI, con sus capacitores de SiO2 como dieléctrico de nivel intermedio, tiene dos beneficios. Primero, es uno de los materiales de aislamiento más robustos con el menor efecto de envejecimiento. Por lo tanto, extiende la expectativa de vida útil de los aisladores capacitivos mucho más allá de aquella ofrecida por las tecnologías de la competencia. Segundo, el SiO2 se puede procesar utilizando una fabricación de semiconductores estándar, lo que contribuye a disminuir significativamente los costos de producción. 

Un optoacoplador, por otro lado, obtiene su aislamiento en el empaquetado. El LED y el fotoacoplador están sujetos a un bastidor de conductores dividido separado por un espacio físico de entre 80 y 1000 micrones, y una silicona o protección de aislamiento transparente que utiliza una combinación de espacio físico, cinta de poliimida, relleno de silicona y compuesto de moldeado de plástico para el aislamiento. Esta construcción híbrida produce una complejidad y una variación pieza a pieza superiores, lo que aumenta el costo y disminuye la confiabilidad.

Comparación de la confiabilidad

Los fabricantes de semiconductores y sus clientes son fanáticos de la calidad y la confiabilidad. Se emplean procedimientos de diseño, calificación y prueba altamente sofisticados (y costosos) para garantizar que se detecten los productos defectuosos antes de dejar la fábrica, y que una vez que los productos estén en funcionamiento en la aplicación, su confiabilidad sea la más alta posible. Una falla en el campo activa un proceso riguroso de análisis de falla y aislamiento, seguido de una medida correctiva para garantizar que la misma falla no vuelva a ocurrir nunca más.

Falla en tiempo (FIT): el número de fallas experimentadas dentro de un período determinado. Es una medida común utilizada por los ingenieros de calidad y confiabilidad. Para los semiconductores, se define generalmente como la cantidad de fallas que se pueden esperar en mil millones (109) de horas de funcionamiento del dispositivo. 

Los datos empíricos indican una correlación entre la tasa de fallo y el aumento de temperatura o tensión. Por ejemplo, las tasas de fallo a 40 °C son tres veces más bajas que aquellas a 55 °C y 80 veces mejores que aquellas a 125 °C; a 40 °C con un 20 % menos de tensión, se mejora la tasa de fallo por un factor de ocho.

Los optoacopladores experimentan una tasa de fallo considerablemente más alta que los aisladores capacitivos. Al comparar los valores de FIT para dos dispositivos diferentes (uno un aislador digital de TI y el otro de una compañía importante de optoacopladores), se obtiene la siguiente tabla:

Figura 3: una comparación de los datos de FIT a 55 °C para un aislador capacitivo frente a un optoacoplador con una confianza del 60 %

Acerca de la compatibilidad electromagnética 

Antes de que analicemos algunas aplicaciones del mundo real, hablemos brevemente acerca de la compatibilidad electromagnética (EMC).

Se puede debatir acerca de que los expertos en EMC valoran su reputación como si fuera magia negra (mueva un capacitor hacia aquí, modifique una capa allí, y los problemas desaparecen misteriosamente... o empeoran). A pesar de esto, es fundamental realizar una apreciación de las pruebas de cumplimiento relevantes de ECM para comprender cómo funcionará el aislador digital en una aplicación del mundo real. 

Hay personas que han dedicado sus vidas a este tema, pero nunca tuvieron miedo: para ayudarlo, hemos compilado un documento técnico integral llamado ‘Understanding Electromagnetic Compliance Tests in Digital Isolators’ (Comprensión de las pruebas de cumplimiento electromagnético en aisladores digitales), donde se analizan conceptos básicos de ECM, los estándares aplicables, algunos errores que se deben evitar y algunas opciones de configuración de pruebas comunes.

Aplicaciones de automatización industrial para aisladores galvánicos 

Existen numerosas aplicaciones para dispositivos de aislamiento en la automatización industrial. En esta sección, observaremos tres áreas diferentes donde se utiliza el aislamiento: la adquisición de datos analógicos, las comunicaciones digitales de alta velocidad y la potencia aislada.

Aplicación de aislamiento: adquisición de datos analógicos

Existen muchas aplicaciones industriales (por ejemplo, los sensores remotos o el control de motores), donde las señales analógicas de bajo nivel se deben detectar, amplificar y digitalizar en la presencia de tensiones potencialmente peligrosas. Un convertidor analógico a digital (ADC) aislado se personaliza para dicha situación. 

Existen muchas arquitecturas de ADC diferentes (aproximación sucesiva [SAR], segmentación, integración), pero para el uso de menor velocidad, la arquitectura delta-sigma combina una alta resolución con baja potencia y bajo costo, lo que es ideal para muchas aplicaciones de sensores industriales.

El AMC1304 es un modulador delta-sigma (ΔΣ) de precisión aislado con un regulador LDO integrado. La salida está aislada de la entrada por una barrera de aislamiento doble capacitivo certificada para proporcionar un aislamiento reforzado de hasta 7000 V pico según las normas VDE V 0884-10, UL1577 y CSA. Utilizado en conjunto con los suministros de energía aislados, el dispositivo impide que las corrientes de ruido en una línea de tensión de modalidad común alta ingresen a la conexión a tierra del sistema local e interfieran con los circuitos de baja tensión y los dañen. 

Figura 4: diagrama de bloques funcional del AMC1304 (fuente: TI)

El circuito de interfaz del AMC1304 contiene un amplificador diferencial y una etapa de muestreo, seguido de un modulador ΔΣ de alimentación directa, con capacitor conmutado y de segunda orden. El AMC3104 puede lograr 16 bits de resolución con una gama dinámica de 81 dB (13,2 ENOB) a una tasa de transferencia de datos de 78 kSPS. 

Aplicación de aislamiento: comunicación digital de alta velocidad

Las comunicaciones digitales de alta velocidad son indispensables en la automatización industrial. Una fábrica conectada moderna tiene una gran cantidad de máquinas, robots industriales, sensores individuales, accionadores y válvulas bajo el control de microcontroladores, PC industriales y controladores lógicos programables (PLC) integrados. Estos dispositivos se comunican entre sí a través de una red de comunicaciones de alta velocidad con cables de cientos o incluso miles de pies de longitud. Los niveles a tierra en cada extremo de un cable Ethernet de mil pies pueden variar mucho, especialmente por las altas tensiones y corrientes que consumen las grandes máquinas industriales, como las fundidoras y los motores. Si hay un desequilibrio en estas corrientes, la corriente de retorno puede ser muy grande, lo que genera una tensión diferencial importante; esto puede causar daños a redes digitales de alta velocidad. 

Puede evitar esta situación utilizando un aislador digital de alta velocidad en la red. TI ofrece una cantidad de aisladores digitales de alta velocidad para aplicaciones de red especializadas y el uso de E/S general. 

El ISO1176 es un transceptor de línea diferencial RS-485 aislado que opera hasta 40 Mbps. Está diseñado para utilizarse en aplicaciones PROFIBUS, en aplicaciones de automatización industriales, como sensores en red y control de motor y movimiento. 

El ISO1050 está diseñado para utilizarse con CAN, otro protocolo industrial popular. Este dispositivo cumple con los requisitos de la especificación CAN ISO11898-2 y proporciona un aislamiento galvánico de hasta 5000 VRMS.

Para la E/S digital de alta velocidad, el ISO7842 es un aislador digital de canal cuádruple de alto rendimiento con una tensión de aislamiento de 8000 V pico y admite una tasa de señal de hasta 100 Mbps. Proporciona inmunidad electromagnética alta y bajas emisiones a un consumo bajo de potencia, mientras aísla las E/S digitales CMOS o LVCMOS con un valor nominal de la tensión pico de VDE 0884-10 de 4000 V. 

Aplicación de aislamiento: suministro de potencia de retorno

Un dispositivo aislado requiere que los suministros de energía en cada lado de la barrera de aislamiento también estén aislados unos de otros. Para aplicaciones de baja potencia y baja tensión (1 o 2 W), TI ofrece convertidores de CC-CC aislados, como la familia DCH, que están integrados en un único paquete; para tensiones y corrientes más altas, aunque los diseños de convertidor de CC-CC utilizan generalmente un controlador integrado y componentes discretos, incluido un transformador para el aislamiento de entrada-salida. 

Otra aplicación de conversión de potencia donde el aislamiento es un requisito y la seguridad es una gran preocupación está en la conversión de CA-CC. Nuevamente, un transformador proporciona aislamiento entre las tensiones potencialmente letales en el lado principal y el resto del sistema. 

Figura 5: conmutador de retorno UCC2891x (fuente: TI)

Según la topología, el circuito de control puede estar en el lado principal o en el lado secundario. En la figura 5, se muestra el suministro de energía de conmutación de retorno aislado con el controlador UCC289x para la regulación del lado principal. Los UCC28910 y UCC28911 son dispositivos de alta tensión con un FET de potencia de 700 V que proporcionan regulación de tensión y corriente de salida sin el uso de un optoacoplador. Un análisis completo del circuito se puede encontrar aquí, pero los bloques de circuito principales son:

1. Resistor de fusible de entrada: limita la corriente entrante en el capacitor de entrada cuando la tensión de línea se aplica y desconecta la línea en caso de un exceso de corriente de entrada.
2. Diodo puente: rectifica la tensión de línea de CA de entrada.
3. Filtro de línea (L1, L2, R1 y R2): reduce las EMI generadas por la conmutación.
4. Capacitor no regulado (capacitores C1 y C2): almacena la energía y reduce la ondulación de tensión de entrada.
5. Resistores de divisor de VS: determinan el punto de regulación de la tensión de salida; RS1 también ajusta el punto de conmutación continua. 
6. Circuito de abrazadera de tensión de drenaje: protege el FET de potencia y amortigua la oscilación debido a la inductancia de dispersión principal del transformador.
7. Transformador: proporciona aislamiento; el devanado auxiliar proporciona potencia del controlador.
8. Etapa de salida: tamaño del capacitor de salida COUT determinado por la respuesta transitoria deseada sin carga. El RPRL del resistor de precarga detiene la activación de OVP si no se conecta ninguna carga externa.

En un convertidor de contrafase, la parte principal del transformador recibe el suministro de corriente de la línea de entrada mediante los pares de controladores en un circuito de contrafase simétrico. Los controladores se encienden y apagan de forma alternada, e invierten periódicamente la corriente en el transformador, de modo que la corriente se obtiene de la línea en ambas mitades del ciclo de conmutación. Los convertidores de contrafase tienen una corriente de entrada más constante que los convertidores reductores-elevadores, generan menos ruido en la línea de entrada y son más eficaces en aplicaciones de potencia más alta.