Aumente la seguridad y la confiabilidad de las aplicaciones industriales de alto voltaje con aisladores galvánicos

Muchos sistemas de automatización industrial, especialmente los de las plantas de fabricación, necesitan conectarse a equipos que utilizan altos voltajes que van desde cientos hasta miles de voltios. Los aisladores basados en semiconductores se usan comúnmente para separar estos voltajes altos de los voltajes lógicos digitales mucho más bajos de 5 voltios utilizados en la mayoría de los sistemas de control. Por ejemplo, los optoaisladores de doble molde en un solo paquete se han utilizado ampliamente para este propósito debido a su alta resistencia a altos voltajes transitorios y a la inmunidad a los campos magnéticos ambientales. Sin embargo, los diseñadores necesitan una tecnología que sea más estable con el paso del tiempo y ante temperaturas extremas, y que sea menos compleja desde una perspectiva de fabricación.

Este artículo explica por qué usar aisladores galvánicos en un solo paquete y cómo usarlos para aislar de manera segura los voltajes altos utilizados en los modernos sistemas industriales, médicos y de EV (vehículos eléctricos). Luego, analiza dos aisladores galvánicos basados en silicio de Texas Instruments que apuntan a sistemas de alta tensión y alta confiabilidad, y examina cómo colocarlos adecuadamente en una placa de CI para aislar de manera segura los altos voltajes de la lógica digital utilizada en los PLC (controladores lógicos programables) y en interfaces humanas.

¿Por qué aislar voltajes altos y bajos?

Muchos sistemas industriales se controlan mediante PLC, computadoras o HMI (interfaces hombre-máquina). Estos sistemas de control funcionan con voltajes de control digital estándar de 5 voltios o menos. Cuando estos sistemas se conectan para administrar altos voltajes de 120 voltios o más, es importante separar físicamente y aislar eléctricamente los voltajes bajos digitales del equipo de alto voltaje. Los convertidores de potencia, los convertidores de CC a CC y los EV también deben separar cuidadosamente los voltajes de control digital de lo que podrían ser miles de voltios utilizados en el sistema.

Si bien los transistores de potencia pueden manejar fácilmente estas aplicaciones, no pueden hacerlo de manera segura. Los transistores en estas aplicaciones tienen el control digital y de alto voltaje en el mismo sustrato semiconductor. Una avería o daño físico en el transistor de potencia puede provocar rápidamente la inyección de miles de voltios en la lógica digital. Además de destruir el equipo de control, esto también pone al usuario en riesgo.

El aislamiento óptico ha sido históricamente el método preferido para separar físicamente y aislar eléctricamente los sistemas de bajo y alto voltaje. Un optoaislador típico de dos moldes en un solo paquete contiene en un molde un led que irradia la luz que emite, generalmente infrarroja, a través de una barrera de aislamiento transparente a un receptor de fotodiodo en un segundo molde. El fotodiodo convierte esto en una señal de bajo voltaje que se usa para controlar los circuitos de alto voltaje.

Para que un optoaislador controle de forma segura miles de voltios, el molde del led y el molde del fotodiodo se insertan en una barrera de aislamiento transparente hecha de un material capaz de resistir el voltaje nominal del optoaislador.

Los optoaisladores son resistentes al ruido electrónico transitorio y son completamente inmunes a los campos magnéticos ambientales, lo que los convierte en la mejor opción para aplicaciones de control de motores de alto voltaje. Los optoaisladores para aplicaciones de servicio pesado pueden soportar voltajes de sobretensión muy altos de 10,000 voltios o más.

Sin embargo, los optoaisladores no funcionan bien en condiciones de temperaturas muy altas. Además, los ledes en los optoaisladores se degradan con el paso del tiempo. Los optoaisladores también son dispositivos de dos moldes, lo que significa un proceso de fabricación más complejo en comparación con los semiconductores en un solo molde.

Aislamiento galvánico

En aplicaciones donde la prioridad es la larga duración y en las que es probable que haya temperaturas extremas se pueden usar aisladores galvánicos en un solo paquete. Cuando el aislamiento óptico separa dos circuitos con ledes y fotodiodos, el aislamiento galvánico separa eléctricamente dos circuitos con componentes de carga acoplada mediante el uso de condensadores o inductores basados en dióxido de silicio (SiO₂). La efectividad del aislamiento es una función del dieléctrico de SiO₂.

Los aisladores galvánicos son dispositivos de alta velocidad y larga duración que se conectan fácilmente con la mayoría de los microcontroladores. Los ejemplos que se presentaron recientemente han sido probados para soportar hasta 6,000 voltios, operar a temperaturas de hasta 150 °C y durar más de 35 años. Esto mejora la seguridad y la confiabilidad del sistema en general, al tiempo que reduce los costos de mantenimiento.

Por ejemplo, el aislador digital de propósito general de seis canales ISO7762FDWR de Texas Instruments puede soportar hasta 5,000 voltios RMS (V_RMS) y tiene un voltaje de sobretensión de aislamiento de 12,800 voltios (Figura 1). El ISO7762 está disponible en dos opciones: el ISO7762F tiene pines de salida OUT[A:F] con una lógica de salida predeterminada baja, mientras que sin el sufijo F el estado lógico de salida predeterminado es de lógica alta.

Figura 1: El dispositivo ISO7762F de Texas Instruments es un aislador galvánico de seis canales con cuatro canales de avance y dos canales de dirección inversa. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El ISO7762F tiene dos dominios de potencia, uno a la izquierda y otro a la derecha, separados eléctrica y físicamente por una capa de aislamiento de SiO₂. Cada dominio de potencia tiene su propia energía y pines de tierra independientes.

El dispositivo tiene cuatro canales de avance y dos canales de dirección inversa. Los dos canales inversos (entradas E y F) permiten que la información del sistema de alto voltaje se envíe al sistema de control digital mientras se mantiene el aislamiento seguro de los dos dominios de potencia. Los datos transmitidos en cualquier dirección pueden ser simples datos digitales de encendido/apagado o datos seriales mediante el uso de un UART (transmisor receptor asíncrono universal) o de un I²C (circuito interintegrado) de dos cables.

Para cada canal, el ISO7762F utiliza dos condensadores de SiO₂ en serie para separar los dos dominios de voltaje. Los datos digitales se transmiten utilizando la modulación de OOK (manipulación de encendido-apagado), donde un 1 lógico en cualquier entrada IN[A:F] está representado por una señal de CA a través del condensador hacia el otro dominio de potencia, y un 0 lógico está representado por 0 voltios. Los datos en la salida OUT[A:F] correspondiente reflejan el estado lógico del pin de entrada. El dieléctrico de SiO₂ en los condensadores separa los dos dominios de potencia para aislar de manera segura los dispositivos electrónicos de control de alto voltaje del sistema de control digital.

Los diseñadores del ISO7762F enfatizaron la alta resistencia de aislamiento para obtener una máxima seguridad. La resistencia de aislamiento a 25 °C está clasificada en mayor que 1 teraohmio (TΩ). La resistencia de aislamiento del ISO7762F a 150 °C es mayor que 1 gigaohmio (GΩ). Para poner esto en perspectiva, esta resistencia es mayor que la resistencia del aire ambiente alrededor del ISO7762F.

Texas Instruments calificó la duración del ISO7762F como de al menos 37 años, pero la capa de aislamiento del aislamiento galvánico tiene una vida útil de más de 135 años. Si bien no es necesario garantizar el funcionamiento del equipo durante este período de tiempo, estas cifras indican la confiabilidad y durabilidad del dispositivo.

Para voltajes de resistencia aún más altos, el ISO7821LLSDWWR de Texas Instruments es un búfer de aislamiento diferencial de doble canal con una capacidad de 5700 V_RMS con un voltaje de sobretensión de aislamiento de 12,800 voltios (Figura 2). Los dos canales van cada uno en direcciones opuestas. Cada canal es un transmisor de par diferencial utilizado para LVDS (comunicaciones de datos de señal diferencial de bajo voltaje) a velocidades de hasta 150 Mbps (megabits por segundo).

Figura 2: El aislador digital ISO7821LLS de Texas Instruments tiene dos canales diferenciales en direcciones opuestas. Cada búfer de salida tiene una habilitación de salida que puede deshabilitar la salida a un estado de alta impedancia. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El SiO₂ utilizado para el aislamiento galvánico en el ISO7821LLS es el mismo que en el ISO7762F, excepto que en lugar de dos condensadores en serie para cada canal, el ISO7821LLS utiliza un condensador para cada canal. También utiliza la misma modulación OOK para transmitir datos digitales a través de los condensadores de SiO₂.

El controlador de aislamiento galvánico ISO7821LLS puede transmitir datos de LVDS a través de cables de grado industrial como el cable de par trenzado doble de alta resistencia 88723-002500 de Belden. Este es un cable industrial de alta calidad que lleva dos pares trenzados de cables de 22 CAE (AWG) en un aislante rojo. Está diseñado para uso en interiores o exteriores e incluso puede enterrarse bajo tierra. Este cable puede manejar temperaturas de funcionamiento extremas de -70 °C a +200 °C, por lo que es apropiado para aplicaciones industriales hostiles de alto voltaje, como los inversores de energía solar en entornos muy cálidos o muy fríos. Una unidad de control puede transmitir datos de control de LVDS en ambas direcciones a través de este cable de Belden a un ISO7821LLS dentro de la caja del inversor solar. Cualquier sobretensión de alto voltaje debida a una avería en la caja del convertidor se detendría en el aislador, lo que protegería a la unidad de control de bajo voltaje y a cualquier operador humano que se encuentre cerca de la unidad.

Las dos salidas en el ISO7821LLS de Texas Instruments tienen pines de habilitación independientes que pueden deshabilitar sus respectivas salidas al ponerlas en un estado de alta impedancia. Esto es útil si el dispositivo está en un bus de LVDS con más de un controlador y necesita ceder el bus a otro bus maestro. Esto es aplicable en entornos industriales donde los equipos de alto voltaje deben ser operados por más de una unidad de control en diferentes lugares.

Para ayudar a los diseñadores a evaluar el ISO7821LLS, Texas Instruments tiene la placa de evaluación ISO7821LLSEVM (Figura 3). Esta placa requiere un mínimo de componentes externos y se puede utilizar para evaluar el comportamiento y el rendimiento del ISO7821LLS y permite la supervisión de las comunicaciones del bus de LVDS para fines de prueba y referencia.

Figura 3: El módulo de evaluación ISO7821LLSEVM de Texas Instruments se puede utilizar para probar y evaluar el rendimiento de las comunicaciones de datos de LVDS del búfer de aislamiento diferencial de doble canal ISO7821LLS. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Debido a que cada aplicación de alto voltaje es diferente, el ISO7821LLSEVM no está diseñado para probar el comportamiento de aislamiento de alto voltaje del ISO7821LLS.

Diseño del aislador galvánico

Un aislador galvánico de alto voltaje debe diseñarse con mucho cuidado para garantizar un aislamiento efectivo. Para un diseño de placa de CI de baja EMI (interferencia electromagnética) se aplican reglas de diseño estándar, que incluyen el uso de una placa de CI de al menos cuatro capas con trazas de alta velocidad en la parte superior con un plano de tierra sólido debajo y el plano de alimentación debajo de eso. Las señales de control más lentas deben estar en el plano inferior.

Es esencial que los componentes de bajo y alto voltaje estén físicamente separados en la placa de CI. Para ese propósito, los aisladores analizados aquí tienen dominios de potencia separados para los lados izquierdo y derecho del paquete. Además, las trazas para un dominio no deben enrutarse cerca de las del otro para evitar interferencias en la señal.

Si el aislador se encuentra en la sección de alto voltaje, puede ser más seguro colocar el aislador con el lado de bajo voltaje hacia un borde de la placa de CI. Esto ayuda a evitar que cualquier voltaje alto forme un arco eléctrico hacia el lado de bajo voltaje, lo que puede dañar gravemente cualquier dispositivo electrónico de bajo voltaje en el otro extremo del aislador.

Conclusión

Los equipos industriales que utilizan miles de voltios requieren componentes que puedan aislar de manera segura estos voltajes altos de la lógica de control digital de 5 voltios o menos para proteger al equipo y a sus usuarios. La naturaleza del equipo industrial requiere que dicho aislamiento sea estable y confiable ante variaciones extremas de temperatura durante largos períodos de tiempo.

Como se muestra, los aisladores digitales basados en aislamiento galvánico tienen las características de aislamiento y las especificaciones de temperatura de funcionamiento adecuadas para tales aplicaciones. Con la debida atención al diseño y a la configuración, estos aisladores pueden evitar daños o lesiones.