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Aislamiento y prestaciones para interfaces industriales

Matthias Diephaus, Director de Semiconductores Ópticos en Toshiba Electronics Europe (TEE), analiza cómo las tecnologías más avanzadas introducidas en los acopladores ópticos encaran los retos a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas industriales, como el tamaño del equipo, la temperatura de funcionamiento, las prestaciones, la fiabilidad y la conformidad a los estándares internacionales de seguridad.


AislamientoautorAplicaciones como automatización industrial y productos de control, instrumentos de medida y equipamiento de fabricación necesitan unos niveles extraordinarios de fiabilidad, todo ello funcionando en entornos que a menudo son adversos y peligrosos. Los avances en las prestaciones también se valoran mucho; por ejemplo, una pequeña mejora en la velocidad de comunicación puede traducirse en una mayor eficiencia de configuración de la fábrica. Al mismo tiempo, la conformidad a los estándares y la seguridad tienen una importancia primordial.


En tiempos más recientes, a estos conocidos requisitos de diseño industrial se han unido las exigencias que se suelen relacionar generalmente con los productos de consumo. Los diseñadores se ven sometidos a una creciente presión para reducir el tamaño del sistema y el consumo de energía, en parte porque unos componentes más pequeños y más cercanos entre sí presentan un reto para la gestión térmica, pero también debido a consideraciones como la concienciación medioambiental y las fluctuaciones de los precios energéticos a escala global.


El auge del acoplador óptico


Los componentes de aislamiento desempeñan un papel clave para afrontar este mercado industrial en desarrollo. Proporcionan tres funciones clave en el equipamiento eléctrico y electrónico: en primer lugar, se utilizan en situaciones que exigen aislamiento galvánico, bien sea por motivos de seguridad o de protección del circuito; segundo, se pueden emplear para eliminar los desajustes de impedancia; y tercero, se pueden utilizar para reducir el ruido en el circuito. Esta última función puede ser especialmente importante en el entorno industrial cuando se necesario combinar motores y accionamientos con mucho ruido eléctrico y la sensible circuitería de control electrónico.


Los acopladores ópticos u optoacopladores se han convertido en la solución escogida para numerosas aplicaciones de aislamiento industrial. Estos dispositivos convierten las señales eléctricas en forma de luz por medio de la circuitería de entrada que gobierna un LED (generalmente de tipo GaAlAs). Se utiliza un fotodetector de alta ganancia ubicado en el mismo encapsulado para detectar las señales luminosas resultantes y convertirlas de nuevo en el formato eléctrico apropiado por medio de un circuito de salida.


Aislamiento1El tipo de componente y la aplicación se definen principalmente no por la combinación de LED/detector, sino por la naturaleza de la circuitería de entrada y salida, que puede variar enormemente. Por ejemplo, se podría utilizar un acoplador óptico para proporcionar una sencilla función basculante ‘on-off’ que en el pasado habría desempeñado un interruptor o un relé. En cambio, otros tipos de componentes utilizan una entrada de nivel lógico para generar una salida de alta corriente apropiada para el gobierno de MOSFET o IGBT de potencia, una tarea que tiene más cosas en común con el acondicionamiento de señal que la conmutación de un relé.
No obstante, en todas las aplicaciones los acopladores ópticos están sustituyendo rápidamente a las soluciones electromecánicas y aportan las ventajas ya conocidas de la tecnología de estado sólido: larga vida operativa; alta fiabilidad; bajo consumo de energía; rápida velocidad de conmutación; y menos espacio ocupado en la placa.


Opciones de acoplador óptico


Los acopladores ópticos con transistor de salida se utilizan en aplicaciones como conmutadores para PLC, fuentes de alimentación e inversores. Los principales criterios de selección para el diseñador son la tensión colector-emisor, la relación de transferencia de corriente, el número de canales y el tipo de encapsulado.


Una segunda gran categoría de acopladores ópticos está formada por los CI acopladores de mayores prestaciones.
Por ejemplo, un dispositivo como el TLP2404 de Toshiba Electronics Europe (TEE) combina un amplio rango de tensión de entrada (de 4,5V a 30V) y un salida de lógica inversa con colector abierto, por lo que se trata de una solución ideal para los diseñadores que necesiten implementar un interface de aislamiento entre los módulos de potencia inteligentes (intelligent power modules, IPM) y la circuitería de control del CI (Figura 1). Las limitaciones de espacio y otras consideraciones del diseño también implican que puedan hacer falta múltiples canales.


Aislamiento2Los dispositivos TLP2468 y TLP2168 de Toshiba, por ejemplo, ofrecen opciones de salida única o de doble canal con una resistencia de ruido muy alta entre entrada y salida para interfaces de comunicación de alta velocidad (20Mbit/s) en aplicaciones como equipamiento e instrumentación para automatización industrial. Si bien las salidas se suelen configurar con colector abierto, en ocasiones es necesario conducir corriente en ambas direcciones.


En este caso se puede utilizar un dispositivo como el TLP2366, con una salida totem-pole, para realizar controles tanto de consumo como de suministro. En otras aplicaciones de consumo/suministro, como por ejemplo el control de una carga CA, un relé de estado sólido o un motor, se puede recurrir a un acoplador triac.
Los relés ópticos (también denominados acopladores con salida MOSFET) se emplean para sustituir a los relés mecánicos en una creciente variedad de aplicaciones de conmutación. Una vez más, la característica requerida dependerá de la aplicación; por ejemplo, la instrumentación industrial generalmente necesita baja capacidad y baja resistencia.


El acoplador óptico de tipo general, dirigido a diseñadores que necesiten controlar los circuitos de potencia que contengan IGBT (insulated gate bipolar transistors) o MOSFET de potencia, integra un subsistema de control de puerta complete en un solo encapsulado. Un dispositivo como el TLP352 de Toshiba hace esto precisamente y además cumple íntegramente los estándares internacionales de seguridad como EN 60747-5-2 (y otros).


Aplicaciones del acoplador óptico


En la práctica, las aplicaciones del mundo real a menudo exigen más de un tipo de acoplador óptico. Así, en una aplicación típica de servoamplificador CA basado en IGBT o MOSFET (ver Figura 2), los acopladores que proporcionan el control de puerta han de aportar asimismo un elevado aislamiento (hasta 3750V) ya que no son raros los picos de corriente de 1A o superiores.


En cambio, la velocidad tiene especial relevancia en el interface entre la circuitería del servo y el microcontrolador o ASIC host, por lo que hace falta un acoplador que pueda funcionar a velocidades del orden de megabits (o decenas de megabits). Por último, es posible que los interfaces a la red, el visualizador y el sistema de refrigeración no tengan que ofrecer las máximas especificaciones en cuanto a velocidad, pero sí los niveles de tensión lógica apropiados e inmunidad al ruido.


Una aplicación típica de controlador PLC también necesitará diversos tipos de acopladores ópticos, como ilustra la Figura 3.
Al igual que con el ejemplo del servo para CA, las velocidades transmisión de los datos pueden ser altas: hasta 25Mbit/s. Los PLC suelen manejar una gran variedad de tipos de entradas y salidas, así como señales lógicas sencillas, y tal como se ha señalado antes esto exige recurrir a entradas CA (se pueden observar en la parte superior izquierda en la Figura 3) y en configuraciones monocanal y multicanal. La capacidad de manejar tensiones de alimentación de 3,0V a 20V amplía las opciones para el diseñador.


Aislamiento3Tendencias de los acopladores ópticos


Ante una variedad tan amplia de aplicaciones, el ritmo de evolución del diseño de acopladores ópticos es elevado. Tal como se ha indicado, el espacio ocupado en la placa es uno de los principales factores y está forzando la miniaturización de los componentes en todas las áreas. Los encapsulados DIP (dual in-line packages) han visto reducido su tamaño: un SDIP (Shrink DIP) actual de seis patillas tiene una huella un 50% más pequeña que los DIP de ocho patillas al que sustituye y muchos DIP están dando paso a dispositivos de montaje superficial (SMD).


Aunque los encapsulados son cada vez más pequeños, los requisitos de IEC / EN en cuanto a creepage (la distancia más corta a lo largo de la superficie del material aislante interno entre las partes conductoras en un componente de aislamiento) y clearance (la distancia más corta por el aire entre dos partes conductoras) sigue siendo la misma o es aún más estricta, lo cual representa un reto considerable para el fabricante del acoplador óptico. Los dispositivos que han llegado últimamente al mercado ofrecen creepage y clearance superiores a 5 mm pese a que se suministran en encapsulados compactos de bajo perfil.
El funcionamiento en un amplio rango de temperaturas también es un requisito cada vez mayor, de manera que los acopladores ópticos suelen ofrecer un funcionamiento entre


-40°C y 125°C. Los desarrollos en procesos y encapsulados – junto con la introducción de nuevas tecnologías LLTL (long lifetime LED) – permiten que compañías como Toshiba cumplan los requisitos con dispositivos que garantizan unas prestaciones para el amplio rango de temperaturas y mejoran la fiabilidad a lo largo de toda la vida operativa.
La Figura 4 ilustra algunas de las tendencias más recientes de los acopladores ópticos tomando como referencia la evolución de la línea de productos de Toshiba.


Al mismo tiempo, y debido a la especial relevancia de la seguridad industrial, los requisitos de aislamiento de tensión también son cada vez más estrictos. Así, debido a la exigencia de conformidad a los estándares internacionales de seguridad se exige incluso los acopladores ópticos miniatura que ofrezcan hasta 5000Vrms.


Aislamiento4Aunque las especificaciones son cada vez más rigurosas, el punto más importante es reducir el consumo de energía lo máximo posible. Así, si bien los acopladores para control de IGBT actualmente disponibles pueden suministrar picos de corriente de hasta 6A, los propios acopladores ópticos consumen solo unos pocos miliamperios de corriente y se han diseñado con tiempos de conmutación muy rápidos (menos de 200ns) y baja inclinación o skew (80ns o menos). Estas tecnologías ayudan a los ingenieros a diseñar circuitos de potencia estrictamente controlados para reducir el consume de energía total del sistema.


Finalmente, algunos de los últimos avances de los acopladores ópticos se han centrado en aumentar las velocidades de comunicación de los datos para cubrir el creciente volumen de los datos en aplicaciones como control de IPM e interfaces digitales.
Ciertamente, además de mejorar las velocidades de transmisión de los datos es fundamental mantener la integridad de la señal; de ahí que la mayoría de los acopladores ópticos de Toshiba ofrecen altos niveles de resistencia al ruido entre entrada y salida e incorporan un apantallamiento Faraday interno. Este apantallamiento asegura que los acopladores ópticos garanticen una inmunidad mínima frente a transitorios en modo común que generalmente se encuentra entre ±15kV/µs y ±20kV/µs, mejorando así aún más la calidad de la señal a estas velocidades tan altas de transmisión de los datos.

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