Mida las señales pequeñas que circulan en voltajes altos y evite los bucles de tierra del sensor

Los diseñadores a menudo necesitan medir pequeños voltajes en presencia de voltajes de modo común, particularmente cuando trabajan con fuentes de alimentación y accionamientos de motores. Esto está relacionado con el problema de los bucles de masa cuando se utilizan sensores, ya que ambos problemas pueden resolverse mediante el uso efectivo de amplificadores de aislamiento.

Los amplificadores de aislamiento proporcionan separación galvánica entre sus entradas y salidas, por lo que transmiten solo las señales deseadas y eliminan los altos voltajes de modo común. En los sistemas de monitoreo basados en sensores, mantienen la separación de tierra entre los sensores para eliminar los bucles de tierra. Encuentran aplicaciones comunes en fuentes de alimentación, controladores de motores, detección remota de voltaje, mediciones biomédicas y adquisición remota de datos.

Para explicar cómo funcionan los amplificadores de aislamiento y cómo aplicarlos eficazmente, este artículo describirá un escenario típico en el que se requiere aislamiento antes de discutir tres métodos de aislamiento comunes: acoplamiento del transformador, acoplamiento óptico y acoplamiento capacitivo. A lo largo del camino, introducirá soluciones prácticas para cada método, con un ejemplo final utilizando un diseño de referencia.

Escenario típico de suministro de energía

Las modernas fuentes de alimentación y los accionamientos de motores requieren la medición de señales pequeñas en presencia de altas tensiones de modo común. ¿Cómo pueden los diseñadores medir la corriente de carga de un excitador de potencia FET de contrafase utilizando una derivación resistiva con el FET sesgado a más de 300 voltios (Figura 1a)?

Figura 1: la medición de pequeñas caídas de voltaje en presencia de altos voltajes de modo común (a) y la eliminación de bucles de tierra (b) son aplicaciones de circuitos comunes que requieren aislamiento. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El circuito superior (a) es un conductor de potencia típico para controlar un motor o una fase del motor. Controla la potencia al variar el ciclo de trabajo de la forma de onda del pulso a la carga. Los voltajes de alimentación (HV+ y HV-) son del orden de varios cientos de voltios. La tensión sensora de corriente a través de la resistencia en derivación, R_SHUNT, es del orden de 10s de milivoltios, pero se mueve en una forma de onda de pulso que oscila entre HV+ y HV-. La aplicación de este voltaje a la entrada de una instrumentación conectada a tierra o de un amplificador sensor de corriente excedería el límite de voltaje del modo común y posiblemente destruiría el dispositivo.

En la misma línea, ¿cómo pueden los diseñadores medir la salida de voltaje de una sola célula solar en la parte superior de una pila de múltiples células? Una vez que un voltaje de modo común excede los 80 voltios, se requiere algún medio de aislamiento eléctrico para separar la señal deseada de él.

Considere también la cuestión de cómo aislar los circuitos de los problemas del bucle de tierra (Figura 1 b). La señal se conecta desde la fuente transmisora de la izquierda al receptor de la derecha mediante un cable coaxial. Las corrientes de tierra perdidas de otros circuitos pueden encontrar un camino de retorno a través de la pantalla coaxial que conecta las dos tierras. Estos crean voltajes a través de la impedancia de la serie de blindaje del cable que hace que V_G2 sea diferente de V_G1, lo que da como resultado un error en la entrada del receptor.

Ambas aplicaciones requieren la capacidad de aislar las conexiones de señal. La solución está en los amplificadores de aislamiento, que proporcionan separación galvánica entre sus entradas y salidas. Transmiten sólo las señales deseadas y eliminan las altas tensiones de modo común. Aplicados para eliminar los bucles de tierra en los sistemas, mantienen la separación a tierra entre los elementos del circuito.

Cómo funcionan los amplificadores de aislamiento

Un amplificador de aislamiento es un amplificador que está aislado galvánicamente entre sus circuitos de entrada y salida, incluidas sus fuentes de alimentación asociadas. Esto asegura que no hay camino conductivo entre las secciones de entrada y salida. Presentan fugas extremadamente bajas entre secciones, junto con especificaciones de alto voltaje de ruptura dieléctrica. La etapa de entrada es un amplificador diferencial que atenúa el voltaje del modo común. Puede hacer esto porque las entradas están dentro de un voltio de distancia entre sí, y el amplificador está flotando y no está referenciado a tierra. El acoplamiento capacitivo entre secciones, que puede reducir el aislamiento, se minimiza mediante un diseño y una disposición cuidadosos. El aislamiento entre las secciones es proporcionado por el transformador, la capacitancia o el acoplamiento óptico (Figura 2). Estos métodos de acoplamiento normalmente bloquearían los componentes de CC y de baja frecuencia de la señal. Esta deficiencia se evita utilizando la señal de entrada para modular una portadora y transmitir todo el espectro de la señal que se recupera mediante demodulación en el lado de salida del dispositivo. Tanto el lado de entrada como el de salida utilizan fuentes de alimentación aisladas.

Figura 2: un amplificador de aislamiento genérico que muestra los tres métodos de aislamiento comúnmente utilizados, incluido un transformador, capacitivo u óptico.(Fuente de la imagen: DigiKey)

La técnica de modulación utilizada depende del dispositivo, aunque la frecuencia, el ancho de pulso o la modulación sigma-delta se utilizan con frecuencia. La modulación Sigma-delta es la más común. Las entradas son diferenciales, y las configuraciones de salida pueden ser de un solo extremo o diferenciales. Tenga en cuenta que las secciones de entrada y salida del amplificador de aislamiento tienen conexiones de alimentación separadas. Generalmente, la sección de entrada utiliza un suministro "flotante" que no está referenciado a tierra. Mantener un buen aislamiento requiere que los suministros estén bien aislados.

Los valores nominales del amplificador de aislamiento para la máxima diferencia de voltaje entre las entradas aplicadas y la(s) salida(s) se especifican normalmente para voltajes continuos de CC y CA. La tensión máxima aplicada para los transitorios se especifica por separado con la temporización de la condición de transitorios. Estas especificaciones se aplican siempre y cuando el diseño físico mantenga el espacio recomendado entre los pines de entrada y salida del dispositivo, que se especifica cuidadosamente en la hoja de datos.

Acoplamiento del transformador (magnético)

El aislamiento acoplado al transformador es, históricamente, la forma más antigua de aislar circuitos. El AD202JY de Analog Devices es un amplificador de aislamiento acoplado magnéticamente (Figura 3).

Figura 3: el AD202JY de AD202JY de Analog Devices utiliza un acoplamiento de transformador para lograr un aislamiento de 1000 voltios de CC utilizando una sola fuente de alimentación no aislada de 15 voltios.(Fuente de la imagen: Analog Devices)

El AD202JY tiene un voltaje de aislamiento máximo de 750 voltios RMS CA a 60 Hertz (Hz) y 1000 voltios CC, más CA continuo. Utiliza transformadores duales, el primero de los cuales es para la trayectoria de la señal. El segundo acopla una portadora de 25 kHz de la salida al lado de la entrada y es la portadora del modulador. También se utiliza para generar salidas de potencia aisladas duales para la sección de entrada. Esto satisface la necesidad de una fuente de alimentación separada y aislada.

La ganancia del amplificador es ajustable por el usuario entre 1 y 100 voltios/voltio, y tiene un ancho de banda de potencia total de 5 kHz. La etapa de salida es una salida diferencial sin búfer capaz de suministrar ±5 voltios.

Acoplamiento óptico

El acoplamiento óptico es otra posibilidad para proporcionar aislamiento entre la entrada y la salida de un amplificador de aislamiento. La sección de entrada del amplificador de aislamiento acciona un diodo emisor de luz (LED), cuya luz es captada por un fototransistor en la sección de salida (Figura 4). El enlace es totalmente óptico, sin conexión eléctrica entre el LED y el fototransistor.

Figura 4: el diagrama funcional de una familia de amplificadores de aislamiento Broadcom ACPL790X muestra el uso de un enlace óptico para proporcionar aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

La familia de amplificadores de aislamiento Broadcom ACPL790 combina un acoplamiento óptico excepcional con tecnología de convertidor sigma-delta y amplificadores estabilizados por chopper para ofrecer aislamiento de alto voltaje, salida diferencial y un ancho de banda de 200 kHz. Tiene una tensión de aislamiento de trabajo de 891 voltios (pico) según IEC/EN/DIN EN60747-5-5. Hay tres productos en la familia que difieren en su especificación de precisión. El ACPL-7900 ofrece una precisión del 3%; el ACPL-790A tiene una precisión del 1%; el ACPL-790B tiene una precisión del 0.5%.

Acoplamiento capacitivo

El amplificador de aislamiento AMC1301 de Texas Instruments representa el tercer método para obtener el aislamiento, es decir, el acoplamiento capacitivo (Figura 5).

Figura 5: el TI AMC1301 utiliza dos condensadores en serie en cada pata de su barrera de aislamiento reforzada para proporcionar aislamiento capacitivo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El AMC1301 es un amplificador de aislamiento de salida diferencial con una capacidad de aislamiento de voltaje de 1500 voltios (pico). La etapa de entrada del amplificador de aislamiento consiste en un amplificador diferencial que acciona un modulador delta-sigma. El reloj aislado (portador) se deriva internamente. El controlador del transmisor (TX) transfiere datos a través de la barrera de aislamiento de condensador dual. Los datos modulados recibidos se demodulan y sincronizan en el lado inferior con el reloj y se emiten como una señal diferencial. El AMC1301 tiene una ganancia fija de 8.2 y un ancho de banda nominal de 200 kHz (típico).

Como en las discusiones anteriores, los lados de entrada y salida del AMC1301 requieren fuentes de alimentación aisladas.

Diseño de referencia AMC1301

Texas Instruments suministra un ejemplo de diseño de referencia para el amplificador de aislamiento AMC1301 como una simulación TINA-TI (TINA-TI es un simulador de circuito libre disponible en Texas Instruments). El circuito tiene una señal de 200 milivoltios (pico), 5 kHz, montada en un voltaje de modo común de 500 voltios como una entrada simulada. La salida diferencial tiene una amplitud de pico de 1.6 voltios con una desviación de 0 voltios en una carga de 10 kilohmios. Este ejemplo muestra la potencia del amplificador de aislamiento para eliminar el gran desplazamiento de modo común, 500 voltios en este caso, de la señal de entrada.

Figura 6: el diseño de referencia de Texas Instrument para el AMC1301, que se ejecuta como una simulación en TINA-TI, es un ejemplo del AMC1301 que proporciona aislamiento para un desplazamiento de CC de 500 voltios en modo común. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Aislamiento de bucles de masa

El aislamiento entre la entrada y la salida del amplificador de aislamiento se puede utilizar para romper los bucles de tierra, como el que se muestra en la Figura 1b. Al colocar el amplificador de aislamiento entre el transmisor y el receptor, se rompe la conexión a tierra entre ellos a través del cable coaxial, y no hay una trayectoria directa a tierra entre ellos (Figura 7).

Figura 7: la interposición de un amplificador de aislamiento entre el transmisor y el receptor elimina el bucle de tierra debido a la conexión original del cable coaxial. (Fuente de la imagen de DigiKey)

Conclusión

El amplificador de aislamiento, ya sea basado en acoplamiento magnético, óptico o capacitivo, es una herramienta útil para medir señales pequeñas que se mueven en voltajes de modo común altos, o para aislar tierras de circuitos para eliminar bucles de tierra en sistemas con anchos de banda de hasta 200 kHz. Encuentran aplicaciones comunes en fuentes de alimentación, controladores de motores, detección remota de voltaje, mediciones biomédicas y adquisición remota de datos.