Los aisladores digitales pueden utilizarse en aplicaciones de seguridad intrínseca

Los diseñadores de equipos de seguridad intrínseca (IS) conocen los retos que supone la entrada y salida de señales de sus equipos. Hay nuevas tecnologías que tienen propiedades tentadoras que harían un diseño más pequeño, más sencillo, menos potente, más rápido, o las cuatro cosas, pero no está claro si puedes utilizarlas, o cómo, debido a los requisitos de la norma de seguridad intrínseca.

Introducción

Si eres nuevo en el mundo de la seguridad intrínseca (SI), puede que te sientas un poco abrumado por la terminología y los conceptos. Es un mundo aparte del resto del diseño electrónico y lleva algún tiempo familiarizarse con los términos y la visión del mundo (juego de palabras). Repasemos los conceptos principales de los componentes del aislador IS. Se trata de la seguridad en torno a las atmósferas inflamables y el polvo. El concepto principal es que el diseño no puede ser capaz de crear una chispa o una llama con la energía de que dispone, de modo que, en todos los escenarios de fallo concebibles, el aislamiento permanezca intacto. Todas las directrices de ensayo y diseño de la norma IEC 60079-11 están realmente orientadas a conseguir estos dos objetivos. La norma aborda el aspecto de la seguridad imponiendo propiedades de aislamiento como el grosor o la distancia a lo largo de la superficie. Aunque ésta es la forma habitual de abordar la seguridad del aislamiento, los márgenes de seguridad elegidos fueron mucho más conservadores de lo que es habitual en las normas IEC.

El mundo de la seguridad intrínseca se divide en dos zonas: la zona de seguridad intrínseca, donde el polvo y el gas crean condiciones peligrosas, y el resto del mundo (la zona no-IS). En el ámbito de la IS, la energía es limitada y los voltajes tienden a funcionar en el rango de 24 V a 60 V con corriente limitada y en el rango de tensión extra baja segura (SELV). En este entorno, un componente debe ser capaz de disipar la máxima potencia que el sistema puede suministrar sin que se produzcan chispas o se queme. Esto se puede conseguir de varias maneras. Uno de ellos es construir componentes robustos que puedan disipar mucha energía sin calentarse. La otra es proteger las entradas y salidas con componentes discretos que limiten la potencia a lo que pueda tolerar la sala. Normalmente, los componentes limitadores consisten en un diodo Zener para limitar la tensión y un fusible o resistencia para limitar la corriente. Si consideras un sistema moderno con un número incluso modesto de componentes, puede empezar a convertirse en un gran número de componentes pasivos que rodean a cada componente activo. En la zona que no es de IS, donde tú y yo vivimos, las tensiones de las líneas oscilan entre los 100V y los 250V, con una corriente potencialmente ilimitada. Para considerarse seguro, un dispositivo de aislamiento debe ser capaz de sobrevivir a un fallo de la línea eléctrica y no invalidar su aislamiento ni provocar una chispa de arco o una quemadura que entre en la zona IS. Esto significa que hay interfaces muy robustas y dispositivos de protección capaces de manejar un fallo muy energético. La protección robusta utiliza aún más componentes y espacio en la placa.

¿He mencionado que los comités de normas de la SI son muy conservadores y no adoptan rápidamente las nuevas tecnologías? La tecnología elegida para conseguir comunicaciones de nivel lógico entre zonas es el venerable optoacoplador. Las relaciones han sido tensas entre los fabricantes de optoacopladores y los requisitos de aislamiento conservadores de la norma IS. La norma IS no presume mucho de la calidad de una pieza aislante, sólo reconoce dos tipos de aislamiento. El primero es un compuesto de moldeo que puede cubrir compuestos de molde relativamente fiables para los circuitos integrados, así como compuestos de encapsulado mucho menos controlados. El segundo tipo de aislamiento es cualquier cosa sólida y aislante, que incluiría todo, desde el vidrio y las finas películas de polímero hasta el papel encerado. Las capacidades de estos materiales aislantes y la calidad de su aplicación pueden variar considerablemente. La norma adopta el enfoque conservador y exige capas gruesas de aislamiento. Cuando se diseña un optoacoplador con el grosor mínimo prescrito por la norma, resulta difícil fabricar un componente que funcione con cierta rapidez. A medida que la norma fue evolucionando, se intentó reducir los requisitos de grosor del aislamiento, lo que permitió el uso de optoacopladores de mejor rendimiento. Se creó una nueva prueba, la prueba de carbonización del optoacoplador, para verificar que los optoacopladores no fallaran cuando se aplicara la altísima potencia disponible en la zona no IS. Los resultados fueron dispares en el mejor de los casos y la mayoría de los diseñadores y empresas de optoacopladores no estaban satisfechos con las compensaciones.

Requisitos de la IEC60079-11

La norma IEC60079-11, Sección de atmósferas explosivas - Parte 11: Protección del equipo por seguridad intrínseca "I" Edición 6 - contiene directrices para hacer que un sistema sea seguro para su uso en entornos explosivos, como plantas químicas o zonas con polvos combustibles. La norma caracteriza los dispositivos de aislamiento de cuatro maneras.

Distancia alrededor del aislador y a lo largo de la superficie, fuga y holgura

La distancia de fuga y el espacio libre del paquete dependen de la tensión de funcionamiento requerida y de la clase de instalación, según la coordinación de aislamiento IEC60664 y el grado de contaminación 2 o 3, según la aplicación.

Tolerancia a los fallos

Las averías con la tensión más alta disponible en el sistema deben tolerarse sin que se produzcan quemaduras, arcos voltaicos o la inutilización del aislamiento. Esto puede requerir o no componentes externos en función de la potencia disponible. Se trata de la integridad del aislamiento en entornos de alta temperatura; no requiere la funcionalidad de los componentes.

Evaluación transitoria

Se derivará de la clase de instalación y de la tensión del sistema para entornos SELV. Dentro del límite de la IS, suele ser de 500 V rms, y para las tensiones de línea puede ser de hasta 6000 V_PEAK. Esta caracterización se refiere a la integridad del aislamiento en caso de tensión elevada. No requiere la funcionalidad de los componentes.

Distancia a través del aislamiento

Las normas de coordinación del aislamiento establecen simplemente que la rotura y el desgaste del aislamiento no pueden predecirse de forma fiable y deben calcularse experimentalmente. En el caso de las barreras IS-no-IS, la norma IEC60079-11 ha optado por errar en el lado de la seguridad y ha elegido valores de distancia a través del aislamiento lo suficientemente grandes como para que casi cualquier aislamiento sea seguro. Para las tensiones de línea, esto significa que se necesita de 1 a 2 mm de aislamiento, y para los entornos controlados, 0,2 mm. En el caso de las interfaces IS-to-IS, no se aplican los requisitos de distancia a través del aislamiento.

Hay dos barreras que deben cruzarse en una aplicación IS, la barrera IS-no IS, donde la tensión de línea está presente en el lado no IS, y las barreras IS-a-IS internas a la zona de seguridad intrínseca, utilizadas para separar la energía del sistema de la capacitancia distribuida o de las fuentes de alimentación. La fuente de alimentación suele estar en niveles SELV. La norma impone requisitos muy diferentes a los aislantes para cada tipo de barrera.

Propiedades del aislador

¿Cómo afectan los requisitos de la norma IEC60079-11 a la capacidad de los diseñadores para utilizar un aislador en una aplicación IS? Las distancias de fuga y separación requeridas y los valores nominales transitorios son similares a los exigidos por cualquier norma industrial. Casi todos los optoacopladores y aisladores digitales pueden cumplir estos requisitos. Lo que determina la idoneidad de un seccionador es su capacidad de tolerar una condición de fallo y la distancia a través del aislamiento requerida en la Tabla 5 o el Anexo F de la IEC60079-11.

Los optoacopladores existen desde hace unos 50 años. Son la tecnología estándar que se ha puesto a disposición de los diseñadores de SI para mover las señales de nivel lógico dentro y fuera de un área de SI. Desde el principio se vio que los requisitos de aislamiento y disipación de energía eran onerosos para los optoacopladores. Por ejemplo, un requisito de aislamiento de 1 mm atenúa tanto la luz que los optoacopladores de alta velocidad son poco prácticos. Se pueden fabricar optoacopladores de baja velocidad, pero su rendimiento se ve comprometido.

La norma se ha ido modificando a lo largo de los años, ya que la industria ha exigido comunicaciones cada vez más rápidas. Se han hecho dos esfuerzos para acomodar los optoacopladores. El primero fue el Anexo F, que se formuló para un entorno de instalación más limpio (grado de contaminación 2) que el supuesto para el cuerpo de la norma. Esto permitió acortar las distancias de fuga y los espacios libres. Además, las distancias a través del aislamiento se han reducido a 0,2 mm, lo que permite que la mayoría de los optoacopladores cumplan el requisito. En segundo lugar, se ha añadido una sección de pruebas especial para caracterizar los optoacopladores en busca de fallos en el límite entre IS y no IS, sin necesidad de componentes limitadores externos. Esta sección incluye un gran número de pruebas de sobrecarga y algo llamado prueba de char. Lamentablemente, este conjunto de pruebas era tan severo que pocos optoacopladores cumplían esta parte de la norma.

La norma se ha adaptado lo suficiente a los optoacopladores como para que se puedan realizar interfaces funcionales con ellos. Sin embargo, los mismos defectos que tienen los optoacopladores en todas las aplicaciones industriales son un problema en las aplicaciones SI. En concreto, los optoacopladores son ahora grandes, lentos, consumen mucha energía, están limitados en su capacidad de integrar otras funciones o incluso canales en direcciones mixtas, y sus parámetros se desvían con el tiempo.

La tecnología alternativa es el aislador digital, que puede resolver casi todos los problemas funcionales del optoacoplador. Los aisladores digitales pueden funcionar con una potencia ultrabaja, con paquetes muy pequeños, con múltiples direcciones de canal en un solo paquete, con velocidades de órdenes de magnitud superiores, con una fácil integración de la funcionalidad de la interfaz y con un rendimiento estable en el tiempo. Estas propiedades las hacen muy atractivas para los diseñadores de equipos IS. Sin embargo, para conseguir estas características, utilizan un aislante de capa fina que puede tener un grosor de entre 10 μm y 40 μm. Con respecto a los requisitos de aislamiento pasante de aproximadamente 1 mm para la Tabla 5 o de 0,2 mm para el Anexo F, el aislante digital tiene un aislamiento mucho más fino que estos requisitos. Llegados a este punto, la mayoría de los diseñadores lanzan un fuerte suspiro y empiezan a hojear de nuevo el catálogo de optoacopladores.

¡No tan rápido! Como recuerdas, la distancia alrededor del aislante y a lo largo de la superficie, la distancia de fuga y la distancia de aislamiento no se aplican al aislamiento IS o de IS, por lo que se pueden utilizar aisladores digitales dentro de este límite. En las aplicaciones IS-to-IS, las tensiones suelen estar limitadas por debajo de los límites de tensión SELV y la potencia también está limitada, por lo que el aislamiento transitorio suele ser de 500 VPEAK y la distancia de fuga y la distancia de aislamiento son sólo de 0,5 mm a 4 mm, según la placa utilizada. Esto significa que en estas interfaces se puede utilizar el pequeño paquete que ofrece el aislador digital. De repente, el aislador digital se vuelve muy atractivo. Sólo queda abordar la cuestión de la tolerancia a los fallos.

En el entorno de voltaje y corriente limitados de la frontera IS-to-IS, la tolerancia a los fallos puede abordarse de una de las dos maneras siguientes: protegiendo los pines de E/S y las fuentes de alimentación o diseñando y calificando los pines para que disipen suficiente energía. La opción de protección externa consume mucho espacio en la placa y puede ocupar más espacio del que se ahorra al cambiar a un paquete pequeño. La otra opción es evaluar el comportamiento del aparato en condiciones de fallo a partir de las cuales se generan los parámetros de la entidad. Los parámetros de la entidad son un conjunto de límites de tensión, corriente y potencia que garantizan que la pieza no se arqueará, romperá o inutilizará su aislamiento. En estas condiciones, la pieza probablemente experimentará un aumento de temperatura debido a la disipación de energía. Esto, combinado con la temperatura ambiente nominal máxima, dará una temperatura máxima del recinto que se utilizará en el análisis térmico del SI.

Ejemplo práctico, Aislador cuádruple ADuM144x de Analog Devices

La serie ADuM144x de Analog Devices de iAcoplador^® los aislantes digitales son interesantes para los diseñadores de SI por varias de sus propiedades. Puede consumir microamperios de potencia, tiene una alta velocidad de datos de 2 Mbps y dispone de 4 canales de datos en un pequeño encapsulado QSOP o SSOP con aislamiento resistivo. Especificaciones de fuga, holgura y transitorios (por encima de 6000 V_PEAK) de estos aislantes digitales son más que adecuados para el entorno IS. El dispositivo es muy adecuado para las comunicaciones SPI de 1 Mbps. Las especificaciones de la pieza la hacen atractiva para aplicaciones IS, ya que su evaluación según la norma IEC60079-11 la hace fácilmente utilizable.

Esta familia de dispositivos, al igual que todos los aisladores digitales, no tiene un aislamiento lo suficientemente grueso para el aislamiento entre IS y no IS y no se ha evaluado para los parámetros de la entidad. Esto significa que el dispositivo podría utilizarse con dispositivos de protección externos en las barreras IS-to-IS. Sin embargo, la pieza era capaz de tolerar un fallo hasta una disipación de potencia suficientemente alta que, con los parámetros adecuados de la entidad de prueba, podía generarse para permitir que el dispositivo se utilizara sin protecciones, lo que lo hacía ideal para el entorno IS-to-IS.

Analog Devices ha trabajado con CSA/SIRA para generar certificaciones ATEX e IECEx para esta familia de dispositivos, con el fin de que los diseñadores de sistemas IS puedan incluirla fácilmente en sus diseños. CSA/SIRA tuvo que interpretar los requisitos de la norma existente en lo que respecta a los aisladores digitales. Por ejemplo, los transformadores de impulsos utilizados en estos dispositivos son más parecidos a los condensadores en cuanto a sus propiedades de aislamiento. Almacenan muy poca energía, por lo que no era lógico aplicarles las normas de diseño de los transformadores. Los procedimientos para comprobar los parámetros de la entidad también tuvieron que desarrollarse desde cero.

Los parámetros de la entidad y las condiciones ambientales se muestran en la Tabla 1 y la Tabla 2. La disipación de energía se especifica para mantener la integridad del aislamiento, no la funcionalidad de la pieza más allá de los aspectos de seguridad. Esto permite especificar una mayor disipación de energía y eliminar componentes externos. Hay que tener en cuenta que todos los límites de los parámetros de la entidad deben respetarse para garantizar la seguridad del aislamiento; por tanto, la potencia total limitará la tensión y/o la corriente en una aplicación práctica. La temperatura máxima de la superficie en la Tabla 2 refleja la temperatura máxima medida de la superficie observada durante la caracterización. El caso más grande tiene la temperatura más baja. Se trata del primer aislador digital con certificación general a nivel de componentes para su uso en entornos explosivos, por lo que cumple todos los requisitos de calidad de fabricación de la norma.

Tabla 1. Parámetros de la entidad ADuM144x

Tipo de envase	Parámetros de entrada Lado 1	Parámetros de entrada Lado 2
QSOP-16	Ui = 42 V Ii = 275 mA Pi = 1,3 W Li = 0 Ci = 4 pF	Ui = 42 V Ii = 275 mA Pi = 1,3 W Li = 0 Ci = 4 pF
SSOP-20	Ui = 42 V Ii = 275 mA Pi = 1,3 W Li = 0 Ci = 4 pF	Ui = 42 V Ii = 275 mA Pi = 1,3 W Li = 0 Ci = 4 pF

Tabla 2. Características térmicas del ADuM144x

Tipo de recinto	Máximo Potencia lado 1 (W)	Máximo Potencia lado 2 (W)	Máximo Temperatura del componente (°C)	Ambiente Ambiente (°C)
qSOP 16 hilos	1.3	1.3	189.8	85
sSOP 20 pellets	1.3	1.3	218	85

¿Qué nos depara el futuro?

Tener un aislante digital de uso limitado está bien en algunas circunstancias, pero aplicar requisitos de grosor de aislamiento no específicos y excesivamente conservadores a todos los tipos de aislantes ha dado lugar a un uso restringido o a una construcción que limita el rendimiento. La comunidad de SI lo ha reconocido desde hace tiempo y el problema se está abordando a nivel de normas. Se está estudiando un nuevo enfoque de los aislantes IS para incluirlo en la próxima revisión de la norma. Trataría los optoaisladores y los aisladores digitales de manera uniforme y proporcionaría una alternativa a los requisitos de aislamiento pasante de la versión actual de la norma. También se están racionalizando las pruebas de tolerancia a fallos necesarias para evitar el uso de dispositivos de protección externos. El futuro nos depara un acceso mucho más amplio a los aisladores digitales de alto rendimiento en aplicaciones de seguridad intrínseca.