Amplificador de aislamiento

Los amplificadores de aislamiento son un tipo de amplificador diferencial que permite medir señales pequeñas en presencia de una alta tensión de modo común, proporcionando aislamiento eléctrico y una barrera de seguridad eléctrica. Protegen los componentes de adquisición de datos de las tensiones de modo común , que son diferencias de potencial entre la tierra del instrumento y la tierra de la señal. Los instrumentos que se utilizan en presencia de una tensión de modo común sin una barrera de aislamiento permiten la circulación de corrientes de tierra, lo que en el mejor de los casos produce una representación ruidosa de la señal bajo investigación. En el peor de los casos, suponiendo que la magnitud de la tensión o corriente de modo común sea suficiente, es probable que el instrumento se destruya. Los amplificadores de aislamiento se utilizan en instrumentos médicos para garantizar el aislamiento del paciente de la corriente de fuga de la fuente de alimentación. ^{[ 1 ]}

Los amplificadores con barrera de aislamiento permiten que la etapa de entrada del amplificador flote con respecto a la tensión de modo común hasta el límite de la tensión de ruptura de la barrera, que suele ser de 1000 voltios o más. Esta acción protege tanto al amplificador como al instrumento conectado a él, al tiempo que permite una medición razonablemente precisa.

Estos amplificadores también se utilizan para amplificar señales de bajo nivel en aplicaciones multicanal . Además, pueden eliminar errores de medición causados por bucles de tierra . Los amplificadores con transformadores internos eliminan la necesidad de una fuente de alimentación externa aislada . Suelen utilizarse como interfaces analógicas entre sistemas con tierra separada .

Los amplificadores de aislamiento pueden incluir fuentes de alimentación aisladas tanto para las etapas de entrada como de salida, o pueden utilizar fuentes de alimentación externas en cada parte aislada. ^{[ 1 ]}

Conceptos

Componentes de la fuente de señal

Todas las fuentes de señal se componen de dos componentes principales. El componente de modo normal (VNM ₎ representa la señal de interés y es la tensión que se aplica directamente a las entradas del amplificador. El componente de modo común (VCM ₎ representa la diferencia de potencial entre el lado de baja tensión del componente de modo normal y la tierra del amplificador, que se utiliza para medir la señal de interés (la tensión de modo normal).

En muchas situaciones de medición, el componente de modo común es insignificante, pero rara vez es cero. Los componentes de modo común de tan solo unos pocos milivoltios se encuentran con frecuencia y, en general, se ignoran con éxito, especialmente cuando el componente de modo normal es varios órdenes de magnitud mayor.

El primer indicio de que la magnitud de la tensión en modo común compite con la componente en modo normal es una reproducción ruidosa de esta última en la salida del amplificador. Esta situación no suele requerir un amplificador de aislamiento, sino más bien un amplificador diferencial . Dado que la componente en modo común aparece simultáneamente y en fase en ambas entradas del amplificador, el amplificador diferencial, dentro de los límites de su diseño, puede rechazarla.

Sin embargo, si la suma de los voltajes de modo normal y de modo común excede el rango de modo común del amplificador diferencial o el rango máximo sin daños, entonces queda firmemente establecida la necesidad de un amplificador de aislamiento.

Principios de funcionamiento

Los amplificadores de aislamiento están disponibles comercialmente como circuitos integrados híbridos fabricados por varios fabricantes. Existen tres métodos para proporcionar aislamiento.

Un amplificador con aislamiento por transformador se basa en el acoplamiento mediante transformador de una señal portadora de alta frecuencia entre la entrada y la salida. Algunos modelos también incluyen una fuente de alimentación con aislamiento por transformador, que puede utilizarse para alimentar dispositivos de procesamiento de señal externos en el lado aislado del sistema. El ancho de banda disponible depende del modelo y puede oscilar entre 2 y 20 kHz. El amplificador de aislamiento contiene un convertidor de voltaje a frecuencia conectado mediante un transformador a un convertidor de frecuencia a voltaje. El aislamiento entre la entrada y la salida se proporciona mediante el aislamiento de los devanados del transformador.

Un amplificador con aislamiento óptico modula la corriente a través de un optoacoplador LED . La linealidad se mejora mediante el uso de un segundo optoacoplador en un bucle de retroalimentación. Algunos dispositivos ofrecen un ancho de banda de hasta 60 kHz. El aislamiento galvánico se logra mediante la conversión de la corriente eléctrica en flujo fotónico a través del espacio entre el LED y el detector, independientemente del medio intermedio.

Una tercera estrategia consiste en utilizar pequeños condensadores para acoplar una portadora modulada de alta frecuencia; estos condensadores pueden soportar grandes tensiones de CC o CA de frecuencia industrial, pero proporcionan acoplamiento para la señal portadora de frecuencia mucho mayor. Algunos modelos basados en este principio pueden soportar 3,5 kilovoltios y proporcionar un ancho de banda de hasta 70 kHz. ^{[ 1 ]}

Diagrama de bloques de un amplificador con aislamiento por transformador.
Esquema de ejemplo de un amplificador con aislamiento óptico.
Circuito amplificador híbrido con aislamiento óptico (de Burr-Brown Corporation ) con el espacio de aislamiento visible en el circuito abierto a la derecha.
Diagrama de bloques de un amplificador de aislamiento acoplado con condensadores.

Uso de amplificadores de aislamiento

Los amplificadores de aislamiento se utilizan para permitir la medición de señales pequeñas en presencia de un alto voltaje de modo común. La capacidad de un amplificador de aislamiento es función de dos especificaciones clave del amplificador de aislamiento:

La tensión de ruptura de aislamiento del amplificador define la tensión máxima absoluta de modo común que tolera sin sufrir daños. Es común encontrar especificaciones de 1000 voltios o más.
Relación de rechazo en modo común (CMRR) del amplificador . La especificación CMRR define el grado en que la tensión en modo común interferirá con la medición del componente en modo normal y, por lo tanto, afectará la precisión de la medición.

La frecuencia de la tensión de modo común puede afectar negativamente al rendimiento. Las tensiones de modo común de alta frecuencia dificultan el funcionamiento de muchos amplificadores de aislamiento debido a la capacitancia parásita de la barrera de aislamiento. Esta capacitancia se manifiesta como una baja impedancia para las señales de alta frecuencia, lo que permite que la tensión de modo común atraviese la barrera e interfiera con las mediciones, o incluso dañe el amplificador. Sin embargo, la mayoría de las tensiones de modo común son una combinación de tensiones de línea, por lo que las frecuencias generalmente se mantienen en el rango de 50 a 60 Hz con cierto contenido armónico, dentro del rango de rechazo de la mayoría de los amplificadores de aislamiento.

Amplificadores diferenciales

Un amplificador diferencial no aislado no proporciona aislamiento entre los circuitos de entrada y salida. Comparten la fuente de alimentación y puede existir una ruta de CC entre la entrada y la salida. Un amplificador diferencial no aislado solo puede soportar tensiones de modo común hasta la tensión de la fuente de alimentación.

Al igual que los amplificadores de instrumentación , los amplificadores de aislamiento tienen una ganancia diferencial fija en un amplio rango de frecuencias, una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida .

Pautas para la selección de amplificadores

Los amplificadores de instrumentación se pueden clasificar en cuatro grandes categorías, organizadas de menor a mayor costo:

De un solo extremo. Entrada no balanceada, no aislada. Adecuada para mediciones donde los voltajes de modo común son cero o extremadamente pequeños. Muy económica.

Diferencial. Entrada balanceada, no aislada. Adecuada para mediciones donde la suma de las tensiones de modo común y modo normal permanece dentro del rango de medición del amplificador.

Entrada común flotante de terminación simple. Entrada aislada y cuasi balanceada (la común flotante se conecta normalmente a la entrada negativa de un amplificador diferencial). Adecuada para mediciones sin conexión a tierra hasta la tensión de ruptura de la barrera de aislamiento, y presenta una excelente supresión de modo común (100 dB típico).

Diferencial, común flotante. Entrada aislada y balanceada. Adecuada para mediciones fuera de tierra hasta la tensión de ruptura de la barrera de aislamiento, y presenta un excelente rechazo de modo común (>120 dB).

Para la mayoría de las aplicaciones industriales que requieren aislamiento, el diseño flotante de un solo extremo ofrece la mejor relación precio/rendimiento.

También existen dos clasificaciones generales de amplificadores de aislamiento que deben considerarse junto con la aplicación:

Amplificadores que proporcionan aislamiento de entrada a salida sin aislamiento entre canales. Esta es una forma de aislamiento menos costosa que ofrece una única barrera de aislamiento para un instrumento multicanal. Si bien los comunes de cada canal están aislados de la tierra de alimentación mediante la barrera de aislamiento de entrada a salida, no están aislados entre sí. Por lo tanto, una tensión de modo común en un canal intentará aislar a todos los demás, a veces con resultados desastrosos. Esta forma de aislamiento solo es adecuada cuando se tiene la certeza de que existe una única tensión de modo común que se aplica por igual a todos los canales.

Amplificadores que proporcionan aislamiento tanto de entrada a salida como entre canales. Esta es la forma más pura de aislamiento y la opción que debería considerarse para casi todas las aplicaciones. Los instrumentos multicanal que lo emplean son inmunes a las fluctuaciones de voltaje en modo común en cualquier combinación de canales, dentro de los límites de los amplificadores.

Aplicación típica

Mediciones de celdas de voltaje apiladas

Las mediciones de voltaje en celdas apiladas son comunes debido a la creciente popularidad de las celdas solares y de combustible. En esta aplicación, el técnico busca perfilar el rendimiento de celdas de voltaje individuales conectadas en serie, pero a menudo se pasa por alto la necesidad de un amplificador aislado. Cada celda de voltaje (el voltaje en modo normal) se desconecta de tierra en una cantidad igual a la suma de los voltajes de las celdas inferiores (el voltaje en modo común). A menos que los amplificadores utilizados para medir los voltajes de las celdas individuales puedan mantenerse a un nivel igual al voltaje en modo común, es probable que las mediciones no sean precisas, excepto para la primera celda de la cadena, donde el voltaje en modo común es cero.

Se puede utilizar un amplificador diferencial no aislado, pero tendrá una tensión máxima de modo común nominal que no se puede superar manteniendo la precisión.

Referencias

1 2 3 Paul Horowitz, Winfield Hill El arte de la electrónica Segunda edición , Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7páginas 462-464

Enlaces externos

Aprende la importancia del aislamiento
Guía para la selección de amplificadores de aislamiento

[HH89-1] 1 2 3 Paul Horowitz, Winfield Hill El arte de la electrónica Segunda edición , Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7páginas 462-464

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