ELECT-MODULO ASISTENCIA

Protección ESD
Tecnología iCoupler® de aislamiento
digital
Artículo cedido por ARROW IBERIA Electrónica
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Figura 2. iCoupler cross
section.
Tecnología iCoupler® de aislamiento digital para proteger los buses RS232, RS-485 y CAN en aplicaciones
industriales, informáticas y de instrumentación.
En aplicaciones como las de
control de procesos industriales, regulación de fuentes de alimentación
y comunicaciones punto a punto
entre ordenadores, los buses de
comunicaciones en serie transmiten
datos a través de redes físicas de distintos tipos, como las RS-232, RS485 y redes de control (Controller
Area Network o CAN). Cada uno de
los sistemas conectados a estas redes tiene su propia fuente de alimentación y a menudo se encuentran a
gran distancia, de modo que es necesario aislarlos galvánicamente para
romper los circuitos de masa, protegerlos contra subidas transitorias de
tensión y reducir la distorsión de las
señales, aparte de por seguridad física.
Los medios más corrientes de
aislamiento galvánico son los transformadores, condensadores de acoplamiento, optoacopladores y, ahora, los iCouplers. Este aislamiento
evita que pase corriente entre dos
puntos pero permite que pasen sin
dificultad los datos (Figura 1).
Las masas de un sistema que se encuentren a gran distancia no tendrán el mismo potencial, de modo
que sepueden producir fugas de corriente en cualquier punto. Si no estuvieran aislados los componentes,
esas fugas causarían ruido, degradarían las mediciones e incluso podrían
destruir los componentes. Las corrientes que se acoplan por inducción en los cables largos habituales
en entornos industriales, por ejemplo al poner en marcha o parar los
motores, por descargas electrostáticas (ESD) o por rayos que cayeran en
las cercanías, pueden causar fuertes
cambios en el potencial de las masas, que a veces pueden llegar a
cientos o miles de voltios.
Cuando eso sucede, la señal de
conmutación a nivel lógico que debería llegar al sistema remoto lo
hace superpuesta a una tensión muy
alta con relación a la masa de ese
sistema. Sin aislamiento, esa tensión
puede corromper las señales e incluso dañar el sistema.
Si referimos a una sola masa
todos los componentes conectados
al bus, protegeremos al sistema
contra esa energía destructora
y, al aislar a los componentes, evitaremos los contactos a masa y
las subidas de tensión o intensidad. Para aislar totalmente un sistema, deben estar aisladas todas
Los sistemas se aíslan para protegerlos contra las altas tensiones o
intensidades producidas por subidas
en la línea o por los contactos a
masa que se pueden producir con
frecuencia en cualquier sistema que
pueda hacer masa en varios sitios.
las fuentes de alimentación y los
cables de señales.
Un convertidor DC/DC aislado
puede aislar la fuente de alimentación, mientras que los cables de
señales se aíslan con un aislante
digital iCoupler.
Aislamiento
Figura 1. Aislamiento
galvánico
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La tecnología iCoupler
Los aislantes iCoupler son acopladores magnéticos basados en
chips transformadores (Figura 2),
mientras que los optoacopladores
llevan LED y fotodiodos.
Los transformadores planares
están hechos de capas metálicas de
CMOS y una capa de oro colocada
sobre la de pasivación. Una película
de poliamida con alto índice de rotura, instalada bajo esa capa de oro,
aísla la parte superior del transformador de la parte inferior. La capa
de contacto entre cada transformador y las señales externas está formada por circuitos CMOS de alta velocidad conectados a la bobina superior y a la inferior del transformador. Un método económico de integrar en un solo chip varios canales
aislados y otras funciones del semiconductor es realizar el proceso en
el mismo chip.
La tecnología iCoupler elimina
la incertidumbre de las relaciones de
transmisión de corriente, las funciones de transferencia no lineales y el
desplazamiento que se produce en
los optoacopladores con el tiempo y
la temperatura; reduce el consumo
hasta un 90% y evita tener que
utilizar excitadores o componentes
discretos externos.
Los circuitos del primario del
transformador codifican las transiciones lógicas de entrada en impulsos de 1 ns, que se acoplan a través
del transformador, y los circuitos del
secundario los detectan y reproducen la señal de entrada, como vemos
en la Figura 3.
• Junio 2006
Protección ESD
lar el sistema del cable es instalar
uno entre el procesador y el transceptor. Para completar el aislamiento, se utiliza un convertidor DC/DC
para suministrar corriente al aislante y al transceptor. La combinación
de un aislante digital iCoupler
ADuM13012 y una fuente de alimenUn circuito de refresco en la
entrada asegura que el estado de la
salida coincide con el de la entrada,
aunque no existan transiciones de
entrada. Esto es importante al encender el sistema y cuando se envían
ondas con pocos datos o con entradas de DC constante. Una característica novedosa de los dispositivos con
tecnología iCoupler es su capacidad
de incorporar en el mismo dispositivo los canales de transmisión y recepción.
Los transformadores iCoupler
son intrínsecamente bidireccionales,
es decir, que las señales se pueden
transmitir en cualquier dirección,
siempre que en cada lado del transformador haya los circuitos adecuados. De este modo se puede disponer de aislantes de varios canales
con distintas posibilidades de transmisión/recepción1.
RS-485
Para controlar hasta 32 pares de
transmisores y receptores se especifica el estándar RS-485. Su versatilidad y capacidad para controlar cables hasta de 4.000 metros lo han
convertido en una solución muy eficaz para múltiples aplicaciones, sobre todo para la interconexión de
sistemas a larga distancia. La interfaz SCSI (Small Computer Systems
Interface) y los protocolos PROFIBUS
usan para las comunicaciones el estándar RS-485. La longitud de los
cables depende de la velocidad que
se necesite para la transmisión de
datos, de modo que hay combinaciones que van desde 200 kbps a
1200 metros hasta 12 Mbps a 100
metros. Con señales diferenciales
• Junio 2006
equilibradas, desde un puerto RS485 se puede enviar datos a través
de dos cables de salida. El receptor
detecta el estado lógico comparando las dos señales: una diferencia
mayor que 200 mV indica un nivel
lógico válido. Unos amplificadores
diferenciales entre el transmisor y el
receptor controlan la corriente entre
los cables de señales. Como el estándar RS-485 se usa normalmente
para conectar varios sistemas, es vital el aislamiento entra cada sistema
y el bus. Igual que con el RS-232, los
circuitos de aislamiento digital tampoco soportan el RS-485, de modo
que no se pueden usar entre el transceptor y el cable. Por eso se instalan
entre el transceptor y el sistema local. El lado del transceptor que se
conecta al sistema lo hace normalmente a un bus local o al procesador. Puesto que los circuitos de entrada y salida del aislante iCoupler
están aislados eléctricamente entre
sí, un procedimiento sencillo de ais-
Figura 3. La entrada digital
se recrea a la salida del
iCoupler
Figura 5. Transceiver RS485 aislado ADM 2486
tación aislada, como vemos en la
Figura 4, evita los circuitos de masa
y ofrece una protección eficaz contra subidas de tensión o intensidad.
La Figura 5 muestra un iCoupler
ADM24863 con salida RS-485.
Referencias
1
h t t p : / / w w w. a n a l o g . c o m /
Analog_Root/static/pdf/dataConverters/SelectionGuides/
digitalIsolators.pdf
2
ADI website: www.analog.com
(Search) ADuM1301 (GO)
3
ADI website: www.analog.com
(Search) ADM2486 (GO)
Figura 4. Circuito RS-485
aislado
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