Módulo de aislamiento galvánico para USB

Por mi trabajo, a menudo me encuentro con situaciones en las que un dispositivo conectado al ordenador por USB no debe tener una conexión eléctrica directa con él, ya que esto puede provocar desde interferencias importantes, hasta el punto de impedir que funcione, hasta interacciones entre las fuentes de alimentación del ordenador y del dispositivo que se está probando. No hay muchas soluciones y la más sencilla es usar aislamiento galvánico.


Ya conté cómo añadí aislamiento galvánico a una de mis cargas electrónicas. Es una solución también bastante sencilla, pero requiere modificar la estructura de la carga e instalar un programa especial. Como alternativas:
1. Aislar galvánicamente el propio ordenador de la red eléctrica, pero también habría que aislar el monitor, la alimentación del concentrador USB y la impresora; en fin, no es una opción.
2. Usar WiFi, Bluetooth o Ethernet. El aislamiento es excelente, pero la implementación es complicada y, por lo general, hay que modificar cada dispositivo por separado.
3. Un aislador USB. Es un dispositivo muy sencillo, completamente transparente desde el punto de vista del software y el hardware, que se puede usar cuando haga falta. Precisamente de él voy a hablar hoy.

En efecto, a veces solo hace falta aislar temporalmente el ordenador del dispositivo conectado, tanto para trabajar como para comprobar «quién tiene la culpa». Por eso pedí precisamente este modelo, aunque, como escribí al principio, siempre que puedo procuro incorporar el aislamiento dentro de los propios dispositivos, por ejemplo, como hice en mis fuentes de alimentación.

Cuando lo compré costaba $7.59+1.63 de envío, unos 9.2 dólares en total. No es barato, pero tampoco necesitaba una docena.
Al cabo de un tiempo recibí este paquetito. También había pedido un par de módulos WiFi-UART, pero por alguna razón el vendedor decidió que no los necesitaba y no los envió. Qué pena, me quedaré sin una reseña útil :(


Foto comparativa con una caja de cerillas estándar para hacerse una idea del tamaño.


Y las dimensiones indicadas en la página del producto.


El acabado es bastante cuidado. Se le podrían poner pegas, claro, pero no lo haré porque a mí me ha parecido bien.


Además de los conectores USB, la placa tiene tres LED y un interruptor. Dos LED indican el modo de funcionamiento (Low y High speed) y también la alimentación de la salida; con el interruptor se selecciona el modo de transmisión, es decir, Low o High speed.


Todos los condensadores de gran capacidad de la placa son de tántalo. En la entrada hay un fusible rearmable de 400 mA, así que la seguridad está bien resuelta.


El dispositivo conectado a través del aislador recibe alimentación mediante un convertidor de tensión aislado, en este caso de 5-5 V y 1 W de potencia; es decir, la corriente máxima de carga es de 200 mA. Además, este mismo convertidor alimenta el lado secundario de la propia placa, así que no se puede pedir mucho: por ejemplo, al intentar conectar una unidad SSD externa, esta empezó a reiniciarse en bucle.
En otra tienda compré cinco convertidores parecidos para alimentar voltímetros con pantallas VFD y también para otros usos. Son muy útiles.


El aislamiento propiamente dicho lo proporciona el ADUM3160. Al lado hay un optoacoplador que transmite la orden del interruptor a la entrada de control del ADUM para seleccionar la velocidad de transmisión de datos.


Según el fabricante (suponiendo que el chip sea original y no una copia), ofrece aislamiento galvánico con una tensión máxima de hasta 2.5 kV y una velocidad de transmisión de datos de 1.5/12 Mbit.


La parte inferior está vacía, pero tengo que hacer una observación. En las especificaciones del ADUM3160 se indica que soporta 2.5 kV, pero en este caso la tensión de ruptura no la limitará el chip, sino la distancia entre los contactos del convertidor de tensión. No sé qué tensión soportará su aislamiento, pero la distancia entre los contactos 2 y 3 es pequeña y, como mínimo, yo haría una ranura en la placa de circuito impreso.


Primero medí la capacitancia entre los lados del aislador en la configuración tierra/tierra: el instrumento indicó 26 pF. Después medí la capacitancia entre tierra y alimentación y obtuve los mismos 26 pF, lo que me parece más que aceptable.


Y ahora vamos a probarlo en funcionamiento.
Esta vez no lo probé con ninguno de mis dispositivos, sino con una memoria USB normal. Al aislador le da igual qué se conecte, porque es completamente transparente para el sistema y no necesita controladores ni nada parecido: lo conectas y listo. Precisamente eso fue lo que me interesó.
En el lado primario hay dos LED, uno azul y otro rojo. El azul se enciende cuando está seleccionado el modo de alta velocidad (12 Mbit) y el rojo, el de baja velocidad (1.5 Mbit).
Pero, por alguna razón, solo funcionaba correctamente el modo de alta velocidad. En el modo de baja velocidad, el ordenador detectaba que había algo conectado, pero no podía identificar qué era. Probé tanto memorias USB como un convertidor USB-UART, cambiando el modo «en caliente» y volviendo a conectar el dispositivo, pero en Low speed no funcionó nada.


Unas pruebas de velocidad.
1. Lector de tarjetas conectado a un hub USB 3.0
2. Lector de tarjetas conectado a un puerto USB 2.0 del ordenador
3. Memoria USB 2.0 conectada a un puerto USB 2.0 del ordenador.

La velocidad máxima que obtuve fue de unos 9 Mbit/s, lo cual en principio está bien. Se ve que, con la conexión directa al ordenador, la velocidad es mayor.


1, 2. El consumo en el modo High speed es menor que en Low speed: 15 y 28 mA, respectivamente.
3. La tensión de salida sin carga es superior a la de entrada, aproximadamente en 0,1 V.
4, 5. Es curioso que, en el modo Low speed, la corriente consumida por la carga cae casi a cero (foto 5). Hay alimentación, porque el comprobador funciona, pero los dispositivos no se detectan, como ya comenté.
6. La capacidad de carga del módulo es muy baja: con una corriente de carga de apenas 60-65 mA, la tensión cae hasta 4,6 V. En esta prueba, el aislador estaba conectado mediante un alargador USB, pero incluso con conexión directa la diferencia no era muy grande.


Empecemos por lo positivo: la calidad de fabricación es correcta, el módulo funciona de forma estable y transmite datos. Además, es muy cómodo de usar, ya que basta con conectarlo entre el ordenador y el dispositivo en cuestión, por ejemplo, una carga, una fuente de alimentación, un osciloscopio USB, etc.
Lo negativo: la velocidad está limitada a 12 Mbit/s, así que sirve para dispositivos que no requieran mucha velocidad. Además, por algún motivo solo funciona en uno de los modos. La capacidad de carga de la salida es baja, de apenas unos 40-50 mA, por lo que conviene alimentar el dispositivo por separado. También hay dudas sobre la calidad del aislamiento entre el lado primario y el secundario. Se puede solucionar sustituyendo el aislador DC-DC; si se instala uno más potente, también aumentará la capacidad de carga de la salida.

En resumen, si se conocen sus limitaciones, puede ser útil y, en algunas situaciones, facilitar mucho las cosas. Hace poco me encontré con un caso real: con una determinada combinación de carga electrónica, su fuente de alimentación, la fuente que estaba probando y el ordenador, la conexión USB se perdía cada 5-10 segundos. Un aislador USB habría resuelto el problema, porque todo funcionaba de forma estable cuando no estaba conectado al ordenador.

Eso es todo por mi parte. Espero que el análisis haya sido útil.