Módulo de isolamento galvânico para USB

Por causa do meu trabalho, muitas vezes me deparo com situações em que um dispositivo conectado ao computador via USB não deve ter ligação elétrica direta com ele, pois isso pode causar desde muita interferência, a ponto de impedir o funcionamento, até interação entre as fontes de alimentação do computador e do dispositivo em teste. Não há muitas soluções, e a mais simples é usar isolamento galvânico.


Já contei como adicionei isolamento galvânico a uma das minhas cargas eletrônicas. É uma solução relativamente simples, mas ainda exige modificar a estrutura da carga e instalar um software específico. Como alternativas:
1. Isolar galvanicamente o próprio computador da rede elétrica, mas aí também seria preciso isolar o monitor, a alimentação do hub USB e a impressora. Enfim, não é uma opção.
2. Usar Wi-Fi, Bluetooth ou Ethernet. O isolamento é excelente, mas a implementação é complexa e, em geral, é preciso modificar cada dispositivo separadamente.
3. Um isolador USB. É um dispositivo extremamente simples, totalmente transparente do ponto de vista do software e do hardware, que pode ser usado quando necessário. É justamente sobre ele que vou falar hoje.

De fato, às vezes basta isolar temporariamente o computador do dispositivo conectado, seja para trabalhar, seja para descobrir "quem é o culpado". Por isso encomendei justamente esse modelo, embora, como escrevi no início, sempre que possível eu prefira fazer o isolamento dentro dos próprios dispositivos, como fiz nas minhas fontes de alimentação.

Na época da compra, custava US$ 7,59 + 1,63 pelo frete, cerca de 9,2 dólares no total. Não é barato, mas eu também não precisava de uma dúzia deles.
Depois de um tempo, recebi este pacotinho. Na mesma compra, pedi também alguns módulos Wi-Fi-UART, mas, por algum motivo, o vendedor decidiu que eu não precisava deles e não os enviou. Que pena, menos uma análise útil :(


Foto comparativa com uma caixa de fósforos padrão, para dar uma ideia do tamanho.


E as dimensões informadas na página do produto.


A construção é bem caprichada. Claro que daria para encontrar defeitos, mas não vou fazer isso, porque fiquei satisfeito com tudo.


Além dos conectores USB, a placa tem três LEDs e uma chave. Dois LEDs indicam o modo de operação (Low e High speed) e a alimentação na saída. A chave seleciona o modo de transmissão, ou seja, Low ou High speed.


Todos os capacitores de maior capacitância da placa são de tântalo. Na entrada há um fusível rearmável para 400 mA, então, em termos de segurança, está tudo certo.


O dispositivo conectado através do isolador recebe alimentação de um conversor de tensão isolado, neste caso de 5 para 5 V, com potência de 1 W, ou seja, a corrente máxima de carga é de 200 mA. A própria parte secundária da placa também é alimentada por esse conversor, então não dá para exigir muito. Por exemplo, ao tentar conectar um SSD externo, ele ficou reiniciando em loop.
Comprei em outra loja cinco conversores parecidos para alimentar voltímetros com displays VFD e também para outros usos. É uma peça útil.


O isolamento propriamente dito fica por conta do ADUM3160. Ao lado fica um optoacoplador, que transmite o comando da chave para a entrada de controle do ADUM, definindo a velocidade de transmissão dos dados.


Segundo o fabricante (supondo que o chip seja original, e não um clone), ele oferece isolamento galvânico com tensão máxima de até 2,5 kV e velocidade de transmissão de dados de 1,5/12 Mbit.


A parte de baixo está vazia, mas preciso fazer uma observação. As especificações do ADUM3160 dizem que ele suporta 2,5 kV, mas, neste caso, a tensão de ruptura será limitada não por ele, mas pela distância entre os contatos do conversor de tensão. Não sei qual é a tensão suportada pelo isolamento dele, mas a distância entre os contatos 2 e 3 é pequena, e eu pelo menos faria uma ranhura no laminado da placa nesse ponto.


Primeiro medi a capacitância entre os lados do isolador no modo terra/terra: o instrumento indicou 26 pF. Depois medi a capacitância entre terra e alimentação, e o resultado foi o mesmo, 26 pF, o que, na minha opinião, é mais do que aceitável.


Agora vamos testar o funcionamento.
Desta vez, o teste não foi feito com nenhum dos meus dispositivos, mas com um pendrive comum. Para o isolador, tanto faz o que está conectado, pois ele é totalmente transparente para o sistema e não precisa de drivers nem de nada parecido: é só conectar e usar. Foi justamente isso que me chamou a atenção.
No lado primário há dois LEDs, um azul e um vermelho. O azul acende quando o modo de alta velocidade está selecionado (12 Mbit), e o vermelho, no modo de baixa velocidade (1,5 Mbit).
Mas, por algum motivo, só o modo de alta velocidade funcionou direito. No modo de baixa velocidade, o computador detectava que algo estava conectado, mas não conseguia identificar o que era. Testei tanto pendrives quanto um conversor USB-UART, alternando tanto «a quente» quanto desconectando e conectando de novo. No Low speed, nada funcionou.


Alguns testes de velocidade.
1. Leitor de cartões conectado a um hub USB 3.0
2. Leitor de cartões conectado à porta USB 2.0 do computador
3. Pendrive USB 2.0 conectado à porta USB 2.0 do computador.

A velocidade máxima que consegui foi de cerca de 9 Mbit/s, o que, em princípio, é normal. Dá para ver que, na conexão direta ao computador, a velocidade é maior.


1, 2. O consumo de corrente no modo High speed é menor que no Low speed: 15 e 28 mA, respectivamente.
3. A tensão na saída sem carga é maior que na entrada, cerca de 0,1 V.
4, 5. É interessante que, no modo Low speed, a corrente consumida pela carga cai quase a zero (foto 5). A alimentação está presente, pois o testador funciona, mas os dispositivos não são reconhecidos, como mencionei acima.
6. A capacidade de carga do módulo é muito baixa: com uma corrente de carga de apenas 60–65 mA, a tensão cai para 4,6 V. Neste teste, o isolador foi conectado por meio de uma extensão USB, mas mesmo com a conexão direta a diferença não foi muito grande.


Vamos então aos pontos positivos: a qualidade de fabricação é boa, o módulo funciona de forma estável e os dados são transmitidos. É muito prático de usar, pois basta conectá-lo entre o computador e o dispositivo em questão, por exemplo, uma carga, uma fonte de alimentação, um osciloscópio USB etc.
Pontos negativos: a velocidade é limitada a 12 Mbit/s, então serve para dispositivos que não exigem muita velocidade. Além disso, por algum motivo, só funciona em um dos modos. A capacidade de carga na saída é baixa, de apenas cerca de 40–50 mA, por isso é recomendável alimentar o dispositivo em questão separadamente. Também há ressalvas quanto à qualidade do isolamento entre o lado primário e o secundário. Isso pode ser resolvido substituindo o isolador DC-DC; se for usado um mais potente, a capacidade de carga na saída também aumentará.

Em resumo, se você conhecer as particularidades de uso, o módulo pode ser útil e, em algumas situações, facilitar bastante a vida. Há pouco tempo, passei por um caso real em que, com uma determinada combinação de carga eletrônica, sua fonte de alimentação, a fonte em teste e o computador, a conexão USB caía a cada 5–10 segundos. Um isolador USB teria resolvido o problema, pois tudo funcionava de forma estável sem a conexão ao computador.

Por aqui é só. Espero que a análise tenha sido útil.