Einsatz von digitalen Isolatoren zum Schutz von Testgeräten

Ich hatte in meinem Leben schon einige unglückliche Begegnungen mit fehlerhaften Prototyp-Schaltungen. Das passiert relativ häufig, aber ich hatte schon mehrmals teure Testgeräte an die Schaltung angeschlossen, die ebenfalls in Rauch aufgingen. Natürlich müssen wir unsere Werkzeuge und Testgeräte vor ungeprüften Schaltungen schützen, und eine gute Möglichkeit, dies zu tun, ist die Isolierung.

Das erste Mal, als ich auf ein Problem mit beschädigten Geräten stieß, war etwas mit dem System, das ich überwachte, furchtbar schief gelaufen und zu viel Spannung oder Strom fand seinen Weg von der Schaltung durch meinen USB-zu-USART-Konverter und in den USB-Anschluss an meinem Computer. Ein beschädigter Computer ist ein guter Anlass, um innezuhalten und sich zu fragen: „Was hätte ich tun können, um meinen Computer zu schützen?“

Für einen USART war die Antwort recht einfach und recht preiswert. Ich hatte ein Breakout-Board von SparkFun verwendet, das dem USB-Brückenmodul DEV-09873 sehr ähnlich war, und alles, was ich tun musste, war, einen digitalen Zweikanal-Isolator STISO621WTR von STMicroelectronics zwischen den Tx/Rx-Leitungen des Embedded-Systems und den Tx/Rx-Leitungen der USB-Brücke zu platzieren (Abbildung 1). Für buchstäblich unter 20 Dollar, einschließlich einiger Steckverbinder und einer Prototyp-Platine, und 10 Minuten Löten, hätte ich mehrere tausend Dollar an Ausrüstung sparen können.

Abbildung 1: Der zweikanalige digitale Isolator STISO621WTR von STMicroelectronics schützt zwei, unidirektionale Kommunikationskanäle und hätte meine Geräte retten können. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Das Interessante am STISO621WTR ist, dass er bereits in einer Konfiguration aufgebaut ist, die sich für den Schutz eines USART eignet. Abbildung 1 zeigt, wie die beiden Kanäle für die Kommunikation in entgegengesetzter Richtung eingerichtet sind, was Layout- oder Verdrahtungsprobleme vereinfacht. Der Isolator bietet 6 Kilovolt (kV) galvanische Trennung und über 50 kV pro Mikrosekunde (kV/µs) Gleichtakt-Transientenschutz. Da der Isolator auch Datenraten von bis zu 100 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) verarbeiten kann, ist er sogar für Highspeed-Anwendungen geeignet.

Ein weiterer Bereich, der meiner Erfahrung nach oft eine zusätzliche Isolierung gebrauchen kann, ist der Eingang von Logikanalysatoren. Logikanalysatoren können mehrere hundert bis mehrere tausend Dollar kosten und haben manchmal keine sehr gute Isolierung an ihren Eingängen. Leider habe ich einmal einen Logikanalysator beschädigt, den ich über ein Jahrzehnt lang besaß, weil der Eingangsschutz der Schaltung nur bis 10 Volt ging und ich ihn eines Morgens versehentlich an ein 12-Volt-Signal angeschlossen habe. Das Gerät hat sich nicht in Luft aufgelöst, aber mein Geldbeutel für das Ersatzgerät schon.

Entwickler können die Eingänge ihrer Logikanalysatoren ganz einfach schützen, indem sie wiederum eine digitale Isolierung verwenden. Zum Schutz von Testgeräten ist es oft etwas weniger komfortabel, da die Isolatoren eine externe Stromversorgung benötigen. Dies erfordert oft ein paar zusätzliche Jumper von der Testschaltung und auch von einer anderen Quelle, um beide Seiten des Isolators zu versorgen. Für eine Kommunikationsschnittstelle muss dies noch gemacht werden, aber die Stromversorgung und die Erdung sind in der Regel sowieso vorhanden.

Ein Isolator, den ich zum Schutz meiner Testausrüstung verwendet habe, ist der vierkanalige digitale Allzweck-Isolator ISOW7844DWE von Texas Instruments (Abbildung 2). Dieser Isolator kann Datenraten bis zu 100 Mbit/s unterstützen, was wichtig ist, wenn Sie eine Verbindung zu Testgeräten herstellen. Es würde nicht viel Sinn machen, einen 2-Mbit/s-Digitalisolator an das vordere Ende eines 10-Mbit/s-Logikanalysators zu setzen. Das bringt mich zu einem weiteren wichtigen Punkt: Wenn Sie planen, Ihre Testausrüstung mit einer Isolierung zu versehen, stellen Sie sicher, dass diese das Messsystem nicht negativ beeinflusst: Es ist möglich, neue Artefakte oder Probleme zu injizieren, also seien Sie vorsichtig.

Abbildung 2: Datenraten sind wichtig für digitale Isolatoren, die zum Schutz von Instrumenten eingesetzt werden, und der ISOW7844DWE kann bis zu 100 Mbit/s unterstützen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Es gibt eine ganze Reihe digitaler Isolatoren für fast jede erdenkliche Anwendung, und es ist ganz einfach, einen Isolator zu finden, der zu Ihrer Anwendung passt. Wenn ich meine Geräte schützen möchte, vergleiche ich oft auch den Footprint des Isolators, um sicherzugehen, dass ich eine Breakout-Platine bekommen kann, damit ich schnell eine Lösung prototypisieren kann. In manchen Fällen, z. B. zum Schutz des Logikanalysators, werde ich etwas komplexer und baue meine eigene Isolationsplatine auf.

Fazit

Testgeräte und Werkzeuge sind in der Regel teure und wichtige Vermögenswerte. Viele Entwickler haben von jedem wichtigen Gerät oft nur ein Exemplar, was bedeutet, dass wir damit rechnen müssen, dass Murphy's Law unsere Testgeräte im ungünstigsten Moment trifft. Seien Sie also nicht wie ich, sondern verwenden Sie eine digitale Isolierung. Achten Sie nur darauf, dass die Isolierung nicht das Messsystem selbst beeinträchtigt. Wenn dieser Schutz erst einmal vorhanden ist, können Sie sich ein wenig entspannen: Die Wahrscheinlichkeit, dass eine fehlerhafte Schaltung oder eine Unachtsamkeit Ihre Geräte beschädigt, hat sich drastisch verringert.