Cómo proteger las redes Ethernet contra sobretensiones

A medida que Ethernet se convierte en la columna vertebral de las comunicaciones industriales, la susceptibilidad de su infraestructura a sobretensiones, como la caída de rayos, plantea un reto crítico. Estos incidentes pueden inducir bucles de masa y tensiones acopladas magnéticamente, lo que puede paralizar los sistemas tecnológicos operativos.

Para mantener la integridad del sistema y la funcionalidad de los dispositivos conectados a Ethernet, los desarrolladores necesitan una solución resistente que proteja los componentes electrónicos sensibles de las transferencias de energía destructivas.

Este artículo describe brevemente cómo afectan las sobretensiones a los sistemas electrónicos. A continuación, presenta los dispositivos de protección de Analog Devices y muestra cómo utilizarlos para mitigar las sobretensiones.

Impacto de las sobretensiones en los sistemas electrónicos

Las sobretensiones pueden deberse a varios factores, siendo los rayos los más dramáticos y destructivos. Incluso a varios kilómetros de distancia, un rayo puede inducir bucles de tierra y voltajes acoplados magnéticamente en los sistemas electrónicos. Esta sobretensión transitoria puede dañar componentes electrónicos sensibles e interrumpir operaciones críticas.

El impacto de las sobretensiones en los sistemas electrónicos va más allá del mal funcionamiento temporal. Estas transferencias de alta energía pueden causar daños irreversibles en los circuitos, lo que provoca costosas reparaciones y paradas del sistema. En las redes Ethernet, las sobretensiones pueden dañar el hardware de red y los dispositivos conectados, provocando la pérdida de datos, la reducción del rendimiento del sistema e incluso su fallo completo.

La susceptibilidad de la infraestructura Ethernet a las sobretensiones se debe a su gran alcance y a su naturaleza interconectada. Cuando los cables Ethernet atraviesan largas distancias, captan perturbaciones electromagnéticas del entorno, incluidas las tensiones y corrientes inducidas por una sobretensión, llegando a dispositivos aparentemente aislados del punto de la sobretensión (Figura 1a).

Figura 1: Una instalación Ethernet sin protección es susceptible de sufrir sobretensiones que atraviesen componentes electrónicos sensibles (a), pero el uso de métodos de diseño de protección contra sobretensiones, como los planos de guarda, puede permitir un paso seguro de las corrientes de sobretensión (b). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Los desarrolladores deben aplicar sólidas medidas de protección contra sobretensiones para proteger los componentes electrónicos sensibles de estas transferencias de alta energía, garantizando la integridad y funcionalidad del sistema. Se trata de proteger los puntos críticos de la red con dispositivos de protección contra sobretensiones capaces de desviar el exceso de energía lejos de los componentes sensibles, ya sea conectándola a tierra o disipándola de forma segura mediante técnicas como los planos de guarda (Figura 1b).

Para ayudar a incorporar la protección contra sobretensiones a sus dispositivos conectados, los desarrolladores recurren a métodos de diseño avanzados como la fijación de voltaje mediante un supresor de voltaje transitorio (TVS), enfoques de aislamiento, filtrado de alta frecuencia y otras técnicas. Al mismo tiempo, el éxito de la protección contra sobretensiones exige combinar estas técnicas con componentes especializados, como dispositivos de capa física (PHY) Ethernet, controladores y equipos de suministro de energía diseñados para gestionar las tensiones inducidas por las sobretensiones.

Un conjunto de soluciones de Analog Devices está diseñado específicamente para admitir métodos de diseño de protección contra sobretensiones, al tiempo que cumple los requisitos especializados de funcionalidad resistente en dispositivos conectados a Ethernet.

Protección contra sobretensiones en redes Ethernet

Para las organizaciones que realizan la transición de las comunicaciones heredadas a la conectividad basada en Ethernet, la aparición del estándar Ethernet de capa física 10BASE-T1L proporciona el enlace crítico necesario para conectar dispositivos de borde en ubicaciones remotas y peligrosas dentro de la fábrica utilizando el estándar IEEE 802.3cg para cable Ethernet de par único (SPE) de 10 megabits por segundo (Mbps). Diseñado para soportar estos estándares, el ADIN1100 de Analog Devices es un transceptor de un solo puerto y bajo consumo que admite conectividad Ethernet a distancias de hasta 1,700 metros (m). Con un consumo de solo 39 milivatios (mW), el ADIN1100 combina una completa arquitectura funcional con una interfaz hardware diseñada para simplificar la conexión de un procesador host a una red Ethernet (Figura 2).

Figura 2: El ADIN1100 proporciona una PHY 10BASE-T1L completa, lo que simplifica la transición de los sistemas industriales a redes Ethernet. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

El diseño de protección contra sobretensiones del ADIN1100 con monitorización integrada de la fuente de alimentación y circuitos de Reinicialización por activación (POR) contribuye a la resistencia del sistema, garantizando un funcionamiento estable incluso en condiciones volátiles. Con la placa de evaluación EVAL-ADIN1100-EBZ de Analog Devices, los desarrolladores pueden evaluar rápidamente el rendimiento del ADIN1100 y explorar mecanismos adicionales de protección contra sobretensiones.

Junto con los indicadores LED de estado, los botones y las conexiones de interfaz, la placa de evaluación proporciona puntos de prueba, una pequeña zona de prototipado para examinar enfoques alternativos de conexión de cables y transformadores de aislamiento o inductores de acoplamiento de potencia opcionales (Figura 3).

Figura 3: El EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 simplifica la evaluación del rendimiento del ADIN1100 y la experimentación con mecanismos de diseño de protección contra sobretensiones. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Controlador de dispositivos con alimentación Ethernet industrial

Diseñado para aplicaciones SPE industriales, el LTC9111 de Analog Devices es un controlador de dispositivo alimentado por alimentación a través de Ethernet (SPoE) de par único compatible con IEEE 802.3cg que presenta un amplio rango de funcionamiento de 2.3 a 60 voltios. El dispositivo es compatible con el protocolo de clasificación de comunicaciones serie (SCCP) en sistemas en los que el dispositivo alimentado (PD) y el equipo de suministro eléctrico (PSE) comparten información sobre las clases de potencia requeridas.

Gracias a su compatibilidad con IEEE 802.3cg, el LTC9111 está diseñado para reducir el efecto de las sobretensiones, pero los desarrolladores que utilicen el dispositivo en aplicaciones sensibles a sobretensiones pueden incluir una fijación de voltaje como un diodo TVS. Un TVS combinado con el ADIN1100 proporciona una solución eficaz para implementar soluciones SPoE que pueden funcionar a grandes distancias (Figura 4).

Figura 4: Combinado con el ADIN1100, el LTC9111 simplifica los diseños SPoE, ya que solo requiere unos pocos componentes adicionales para completar el lado del dispositivo alimentado de una conexión Ethernet industrial. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Controlador SPoE PSE

Para la alimentación de una aplicación compatible con 802.3cg, el LTC4296-1 es un controlador SPoE PSE de cinco puertos diseñado para la interoperabilidad con PD 802.3cg en sistemas de 24 ó 54 voltios. Con un rango de tensión de entrada de 6 a 60 voltios, el dispositivo admite un amplio conjunto de funciones de protección, incluido el uso de MOSFET externos de canal N, Límite de corriente analógica de retorno (ACL), disyuntores electrónicos de origen y retorno ajustables y mucho más. Para una protección adicional contra sobretensiones, los desarrolladores pueden añadir un diodo TVS, como el Littelfuse SMAJ58A para mitigar los picos de suministro (Figura 5).

Figura 5: Como complemento del controlador PD LTC9111, el controlador SPoE de cinco puertos LTC4296-1 simplifica el diseño del lado PSE de una conexión Ethernet industrial. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Con el kit de evaluación EVAL-SPoE-KIT-AZ de Analog Devices, los desarrolladores pueden adquirir rápidamente experiencia en controladores PSE. El kit permite a los diseñadores estudiar una aplicación SPoE completa compatible con IEEE 802.3. Se suministra con placas madre basadas en LTC4296-1 y LTC9111, cada una de las cuales aloja escudos plugin basados en ADIN1100 que se conectan a través de un cable SPE (Figura 6).

Figura 6: El kit de evaluación EVAL-SPoE-KIT-AZ proporciona un juego completo de placas de hardware y cables para evaluar una aplicación SPoE basada en los controladores LTC4296-1 PSE y LTC9111 PD y un dispositivo ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Aunque el controlador PSE LTC4296-1, el controlador PD LTC9111 y el dispositivo Ethernet PHY ADIN1100 10BASE-T1L permiten una rápida implementación de soluciones SPoE compatibles con IEEE 802.3cg, otra solución de Analog Devices aborda la necesidad de controladores de pinza activa.

Controlador PWM de sujeción activa

Los dispositivos de la serie MAX5974 de Analog Devices, diseñados para mejorar la eficacia de las fuentes de alimentación en las aplicaciones de DP PoE, son controladores de modulación por ancho de pulsos (PWM) de espectro ensanchando, con sujeción activa y en modo de corriente. Los dispositivos de la serie MAX5974 se ofrecen en múltiples variaciones. Por ejemplo, el MAX5974D está diseñado para admitir la regulación de salida mediante la realimentación tradicional del optoacoplador. Por el contrario, el MAX5974B está diseñado para soportar la regulación de salida sin optoacoplador, al tiempo que permite que la salida del inductor acoplado derive a la entrada de alimentación del convertidor (IN) (Figura 7).

Figura 7: El MAX5974B de Analog Devices simplifica el diseño del convertidor con sujeción activa eliminando los optoacopladores en la realimentación y derivando la tensión de entrada (IN) del convertidor a partir de la salida del inductor acoplado. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La pinza de ciclo de trabajo máximo de alimentación integrada en los dispositivos MAX5974 garantiza que la tensión de pinza máxima permanezca independiente de la tensión de línea durante las condiciones transitorias. La capacidad de límite de corriente ciclo a ciclo del dispositivo ayuda a proteger aún más los componentes electrónicos sensibles. Cuando el dispositivo detecta que se ha alcanzado el límite de corriente de pico y se ha mantenido más allá de un umbral de duración, apaga temporalmente la salida de accionamiento de puerta del interruptor principal (NDRV) y la salida de accionamiento de puerta del interruptor de pinza activa (AUXDRV), permitiendo que la corriente de sobrecarga se disipe antes de intentar un arranque suave.

Aplicar un enfoque amplio a la protección contra sobretensiones

Estos productos permiten un enfoque amplio de la protección contra sobretensiones en redes Ethernet. El ADIN1100 garantiza un funcionamiento de largo alcance y bajo consumo, sirviendo de base sólida para la red. Los controladores LTC9111 y LTC4296 trabajan en tándem para gestionar el suministro de energía y proteger contra sobretensiones tanto a nivel de PD como de PSE. El MAX5974 complementa esta configuración garantizando una conversión de potencia eficiente y reduciendo el potencial de desperdicio de energía durante las sobretensiones.

Mediante la aplicación coordinada de estos productos, los desarrolladores pueden mejorar considerablemente la capacidad de protección contra sobretensiones de las redes Ethernet. Este enfoque integrado protege el hardware y garantiza la comunicación ininterrumpida y la continuidad operativa.

Conclusión:

Ethernet ofrece importantes ventajas para las comunicaciones industriales, pero los largos tendidos de cable hacen que los componentes electrónicos sensibles sean vulnerables a las sobretensiones. Utilizando un juego de dispositivos y recursos de desarrollo de Analog Devices, los desarrolladores pueden implementar rápidamente conectividad Ethernet capaz de resistir los efectos de eventos de sobretensión.