Utilizar aisladores digitales integrados para proteger las redes de comunicaciones industriales

La comunicación industrial fiable es fundamental para el buen funcionamiento de la planta y la aplicación efectiva de los principios de la Internet industrial de las cosas (IIoT). Gran parte de esta comunicación tiene lugar a través de redes locales capaces de enlaces de comunicación multipunto y de transferencia de datos a larga distancia. Estos usan tecnología probada como una interfaz RS-422/RS-485 que soporta protocolos de alto nivel como Profibus, Interbus o Modbus. Aún así, estas redes son propensas a la interrupción.

Por ejemplo, una descarga electrostática (ESD) en un armario conectado a una red industrial puede hacer que el voltaje de modo común del sistema supere los 20 voltios, muy por encima del máximo operativo de 12 voltios especificado en la norma RS-422/RS-485. Incluso un transceptor RS-422/RS-485 particularmente resistente es probable que produzca datos corruptos - o que falle por completo - cuando se exponga a un pico de tensión de tal magnitud. Aislando los transceptores sensibles de los picos de tensión de señal y potencia, los ingenieros pueden mitigar estos riesgos. Sin embargo, las técnicas de aislamiento convencionales que utilizan transformadores u optoacopladores introducen sus propias compensaciones, como el aumento del tamaño de la solución, el costo, la complejidad y las limitaciones de rendimiento.

Un nuevo enfoque del aislamiento digital, basado en transformadores a escala de chip, ha hecho posible la creación de transceptores RS-422/RS-485 que integran tanto reguladores aislados CC-CC como un aislador de señal de tres canales en un solo chip. Estos dispositivos permiten a los ingenieros construir sistemas de comunicaciones industriales aislados digitalmente más compactos, más simples y menos costosos.

En este artículo se analiza el problema del aislamiento y los diferentes enfoques para abordarlo. Luego describe los avances en los transformadores planares que permiten una mayor integración de la tecnología de aislamiento digital. Como ejemplo práctico, el artículo presenta dos soluciones de transceptores RS-422/RS-485 altamente integrados y aislados de Analog Devices y cómo aplicarlos.

Enfoques convencionales de aislamiento de energía y señales

El aislamiento de la energía en los sistemas convencionales se logra generalmente utilizando un transformador (Figura 1), pero esta técnica tiene algunos inconvenientes, entre ellos:

• Un transformador suele ser más caro y más grande que el inductor equivalente utilizado en una fuente de alimentación no aislada, por lo que los dispositivos aislados son menos compactos y más costosos.
• Un transformador es menos eficiente que un inductor.
• Debido a que la barrera de aislamiento impide que la salida de la fuente de alimentación sea detectada directamente y controlada con precisión, su regulación y rendimiento transitorio es inferior al de los dispositivos no aislados.
• Se pueden colocar convertidores CC-CC más pequeños y no aislados cerca de la carga para reducir los efectos de la línea de transmisión y aumentar la eficiencia.
• Debido a que el transformador es típicamente un dispositivo fabricado a medida, no hay dos dispositivos que proporcionen exactamente la misma salida.

Figura 1: Una fuente de alimentación CC-CC aislada (abajo) utiliza un transformador en lugar del inductor de la versión no aislada. Esto aumenta el tamaño y el costo y reduce la eficiencia. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El método convencional para implementar una barrera de señales aisladas es utilizar un optoacoplador. El tipo más básico de optoacoplador emplea un LED y un fototransistor encerrado en un paquete a prueba de luz, pero hay otras versiones disponibles. El LED se enciende y se apaga para representar la información digital, y el fototransistor -un dispositivo bipolar sensible a la luz- reacciona alterando el flujo de corriente entre su emisor y su colector.

El aislamiento de la señal mediante un optoacoplador es simple y eficaz, pero tiene algunas desventajas. Entre ellos se incluyen:

• Los requerimientos de energía del LED son relativamente altos y el LED del optoacoplador debe estar encendido siempre que la señal de entrada sea alta. Eso puede ser ineficiente.
• Los optoacopladores a menudo dejan de funcionar sin previo aviso debido al fallo del LED.
• Los retrasos en la propagación limitan el rendimiento.
• Debido a que la entrada y la salida del optoacoplador no están impulsadas por puertas lógicas, la conexión entre el dispositivo y el resto del sistema digital es más compleja.
• Es difícil integrar múltiples canales de optoacopladores en un solo paquete.

Además de estos desafíos, el aislamiento convencional requiere componentes de aislamiento de potencia y de señal separados, porque el voluminoso transformador no se presta a la integración en el mismo dispositivo que el optoacoplador.

Reducción del aislamiento digital

El aislamiento digital ofrece una solución a los retos que impone el aislamiento convencional al no utilizar transformadores y optoacopladores costosos y voluminosos que presentan un rendimiento limitado. Junto con la longevidad y el alto rendimiento, la tecnología ofrece un menor consumo de energía y una solución más compacta.

Sin embargo, el aislamiento digital todavía tiende a añadir costo y complejidad porque los componentes son relativamente caros, y se necesitan dispositivos separados para la funcionalidad de la energía y la señal aisladas (además de los transceptores de la red) a fin de cumplir las normas de aislamiento.

Pero los recientes avances en la tecnología, los materiales y la miniaturización han llevado a niveles mucho más altos de integración y rendimiento de aislamiento, de tal manera que ahora se ha eliminado la necesidad de un bloque de aislamiento externo CC-CC. Estas soluciones de aislamiento digital reducen el costo, la complejidad y los requisitos de espacio.

Ejemplos de tecnología de aislamiento digital mejorada son el iCoupler de Analog Devices y las tecnologías de aislamiento de señales y potencia digitales isoPower. isoPower emplea una arquitectura de controlador del lado secundario con retroalimentación aislada de modulación de ancho de pulso (PWM). La energía se suministra a un circuito oscilante que conmuta la corriente en un transformador plano a escala de chip que a su vez transfiere la energía al lado secundario donde se rectifica y regula a 3.3 voltios (Figura 2).

Figura 2: El iCoupler y el isoPower utilizan transformadores planares a escala de chip que eliminan la necesidad de energía fuera del chip y bloques de aislamiento de señales. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Un bucle de retroalimentación que utiliza un canal de datos aislado modula el circuito del oscilador para controlar la energía que se envía al lado secundario. Al añadir retroalimentación, es posible una mayor potencia, y la eficiencia y la regulación se mejoran significativamente. El transformador a escala de chip proporciona una excelente inmunidad transitoria en modo común de hasta 100 kilovoltios/microsegundo (kV/μs).

El iCoupler también emplea bobinas de transformadores a escala de chip para acoplar las señales digitales magnéticamente. Este tipo de aislamiento digital reduce el consumo de energía en un orden de magnitud en comparación con un optoacoplador. La técnica se basa en la codificación de los bordes ascendentes y descendentes de las señales de entrada en pulsos de corriente dobles o simples que impulsan el devanado primario. Esto a su vez crea un pequeño y localizado campo magnético que induce corriente en el devanado secundario. Los pulsos de corriente son de alrededor de 1 nanosegundo (ns) de duración, por lo que la corriente media es modesta. Los pulsos se decodifican de nuevo en los bordes ascendentes y descendentes del lado secundario (Figura 3).

Figura 3: El iCoupler codifica los bordes ascendentes y descendentes de las señales de entrada en pulsos de corriente para impulsar el devanado primario e inducir la corriente en el devanado secundario. Los pulsos son entonces decodificados de nuevo en los bordes ascendentes y descendentes. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Soluciones de redes industriales aisladas

Ya están disponibles transceptores comerciales con iCoupler e isoPower integrados y aislamiento de potencia en un solo chip. Los transceptores digitales aislados ADM2682EBRIZ y ADM2687EBRIZ RS-422/RS-485 de Analog Devices ofrecen una solución de aislamiento digital compacta, simple y económica con un bajo consumo de energía.

El ADM2682EBRIZ tiene una velocidad de datos de 16 megabits por segundo (Mbits/s), mientras que el ADM2687EBRIZ puede manejar 500 kilobits por segundo (kbits/s). Los dispositivos son transceptores de señales y datos aislados de potencia de 5 kilovoltios (kV) _rms totalmente integrados con una protección de ±15 kV de ESD, y son adecuados para la comunicación de alta velocidad en sistemas industriales multipunto. Los transceptores incluyen una fuente de alimentación CC-CC integrada y aislada de 5 kV_rms, eliminando la necesidad de un regulador externo de CC-CC.

En cada chip se incorpora un aislante de tres canales, un conductor de línea diferencial de tres estados, un receptor de entrada diferencial y un convertidor CC-CC aislado (Figura 4). Los ADM2682EBRIZ y ADM2687EBRIZ se alimentan de un suministro de 3,3 o 5 voltios. Las características incluyen la limitación de la corriente y el apagado térmico para protegerse contra los cortocircuitos de salida y las situaciones en las que la contención del bus puede causar una excesiva disipación de energía. Están especificados para operar en el rango de temperatura industrial de -40 °C a +85 °C.

Figura 4: Los transceptores ADM2682EBRIZ y ADM2687EBRIZ de Analog Devices integran un aislador de tres canales, un conductor de línea diferencial de tres estados, un receptor de entrada diferencial y un convertidor CC-CC aislado en un solo paquete. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Estos transceptores RS-422/RS-485 están certificados de acuerdo con la UL1577, una especificación para aisladores ópticos, capacitivos e inductivos. La especificación requiere protección y aislamiento de hasta 5 kV durante un minuto, y 25 kV por microsegundo (kV/μs) de inmunidad transitoria entre la tierra del controlador y las líneas de señal RS-422/RS-485.

Gestionar la IEM de los dispositivos de aislamiento digital

Si bien el aislamiento digital aborda los desafíos de diseño del aislamiento convencional, introduce una clave propia: el uso de circuitos osciladores y pulsos de corriente por parte de la técnica aumenta la posibilidad de interferencia electromagnética (IEM).

Por ejemplo, la tecnología de energía aislada de Analog Devices utiliza circuitos osciladores que conmutan la corriente en el transformador a una frecuencia de entre 180 y 300 megahercios (MHz). El circuito rectificador del lado secundario duplica esta frecuencia durante la rectificación. La frecuencia operativa resultante es tres órdenes de magnitud superior a la de un convertidor CC-CC estándar, y el ruido generado por el dispositivo en los 30 MHz a 1 gigahercio (GHz) puede causar IEM problemáticas.

Hay dos fuentes potenciales de IEM en placas de ordenador de cuatro capas con transceptores RS-422/RS-485 que utilizan iCoupler e isoPower: las emisiones de borde y las emisiones de dipolo de entrada a salida. Las emisiones de borde se generan donde el ruido diferencial de muchas fuentes se encuentra en el borde de la placa, filtrándose de un espacio de plano a plano que actúa como guía de ondas. La radiación dipolo de entrada a salida se genera al conducir una fuente de corriente a través de un hueco entre planos de tierra - precisamente la función de una fuente de energía aislada (Figura 5).

Figura 5: La radiación dipolo de entrada a salida se genera al conducir una fuente de corriente a través de una brecha entre planos de tierra. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Los diseñadores pueden utilizar las siguientes técnicas para reducir estas emisiones:

• La capacitancia de la costura del plano de tierra de entrada a salida
• Control de carga
• Protección de los bordes
• Derivación capacitiva interplano

Colocando un condensador de puntada cerca de la señal a través de cualquier división en el plano de tierra de la placa de pc, el diseñador elimina cualquier corriente y voltaje diferencial entre los planos conductores de la placa de pc que pudiera generar ruido eléctrico. Hay tres técnicas que se utilizan para formar la capacitancia de la costura: Un condensador de seguridad aplicado a través de la barrera; un plano metálico flotante que abarca el espacio entre los lados aislados y no aislados en una capa interior, o que extiende los planos de tierra y potencia en una capa interior en el espacio de aislamiento de la placa de circuito impreso para formar un condensador.

El diseñador puede reducir la incidencia de IEM operando el dispositivo isoPower bajo una carga lo más ligera posible. Las cargas ligeras reducen el tiempo de encendido del oscilador, lo que a su vez reduce la cantidad de ruido que el dispositivo genera.

La protección de los bordes usando un tratamiento de bordes conductores sólidos en una placa de PC es posible, pero costoso. Una solución más barata que funciona bien para la protección de los bordes es tratar los bordes de la placa con una estructura de anillo de protección unida por vías. Hay dos objetivos en la creación de la protección de borde. El primero es reflejar las emisiones cilíndricas de las vías de regreso al espacio interplanetario, no permitiendo que se escape del borde. La segunda es proteger cualquier corriente de borde que fluya en los planos internos debido al ruido o a las grandes corrientes.

La derivación capacitiva entre planos es una técnica destinada a reducir tanto las emisiones conducidas como las radiadas de la placa mejorando la integridad de la derivación a altas frecuencias. Se puede implementar usando una fina capa de núcleo para los planos de potencia y de tierra. Estos planos estrechamente acoplados proporcionan una capa de capacitancia interplano que complementa cualquier condensador de derivación montado en la placa.

Evaluación de los sistemas de comunicación industrial aislados

Analog Devices ofrece placas de evaluación para los transceptores RS-422/RS-485 ADM2682EBRIZ y ADM2687EBRIZ. Específicamente, la placa de evaluación EVAL-ADM2682EEBZ para la ADM2682E y la placa de evaluación EVAL-ADM2687EEBZ para la ADM2687E.

Las placas permiten una fácil evaluación de los transceptores RS-422/RS-485 aislados de señal y potencia. Los bloques de terminales de tornillo proporcionan conexiones convenientes para las conexiones de energía y de señal, y las placas de evaluación se configuran fácilmente a través de conexiones de puente.

Las placas de evaluación pueden utilizarse en configuraciones de dúplex medio o completo. Una resistencia de terminación (_RT) de 120 ohm (Ω) está instalada en las entradas del receptor. El conductor y el receptor se activan y desactivan mediante conexiones de puente. Se incluyen puntos de prueba en las líneas de energía y de señal a ambos lados de la barrera de aislamiento. Los enlaces LK1-4 pueden ser reconfigurados para activar/desactivar funciones o cambiar las entradas y salidas de los puntos de prueba a los bloques terminales. Cuando los enlaces LK5 y 6 están ambos conectados, la placa está configurada para la operación en semidúplex, y cuando ambos están abiertos la placa está configurada para la operación en full-dúplex (Figura 6).

Figura 6: Configuración operativa básica de la placa de evaluación de Analog Devices para probar transceptores RS-422/RS-485 aislados digitalmente. Los enlaces LK1-4 pueden ser reconfigurados para activar/desactivar funciones o cambiar las entradas y salidas de los puntos de prueba a los bloques terminales. Los enlaces LK5 y 6 determinan el funcionamiento en dúplex completo o medio. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las placas de evaluación no solo permiten al diseñador probar los sistemas de comunicaciones industriales basados en los transceptores ADM2682EBRIZ y ADM2687EBRIZ RS-422/RS-485, sino que también están diseñadas siguiendo las técnicas anteriores para reducir las interferencias electromagnéticas generadas por los elementos de conmutación de alta frecuencia utilizados para transferir señales y energía a través de los transceptores.

Una implementación de circuito dúplex completo del ADM2682E/2587E se muestra en la Figura 7. Se pueden conectar hasta 256 transceptores al autobús. La colocación de la R_T depende de la ubicación del nodo y de la configuración de la red. En general, para reducir al mínimo los reflejos, termine la línea en el extremo receptor en su impedancia característica y mantenga al mínimo la longitud de los muñones.

Figura 7: Se pueden conectar hasta 256 transceptores al bus RS-485/RS-422. Los diseñadores deben tener cuidado de colocar el_RT en el extremo receptor, que es ambos extremos cuando está en modo semidúplex (aquí se muestra el modo dúplex completo). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Para el funcionamiento en semidúplex, ambos extremos de la línea deben ser terminados porque cualquiera de los dos extremos puede ser un extremo receptor.

Conclusión:

Los sistemas de comunicaciones industriales están en peligro por los picos de tensión de las señales y la energía. Los ingenieros pueden eliminar estos riesgos utilizando técnicas de aislamiento digital, pero las soluciones convencionales que incluyen componentes de aislamiento discreto introducen compensaciones de costo, complejidad y espacio.

Como se ha visto, los nuevos enfoques que avanzan el estado del arte en transformadores planares han permitido la integración del aislamiento digital en los transceptores, como los de las redes RS-422/RS-485, disminuyendo el costo y reduciendo el espacio.