AmplificadoresAislamiento2

Instrumentacin Electrnica Pgina 4.1Enero-2005

Departamento Electrnica

Universidad Alcal

AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO

Hola1.- Introduccin.

2.- Aplicaciones de los amplificadores de aislamiento (A.A.).

3.- Caractersticas especficas de los A.As.

4.- Tipos de A.As segn el mtodo de acoplo.

5.- Consideraciones adicionales de diseo con A.A.

6.- A.As comerciales.

ndice



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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO1.- Introduccin.

Amplificador de Aislamiento:

- Dispositivo capaz de asegurar un paso fiel de la informacin analgica entre dos sistemas a la vez que mantiene un aislamiento ohmico entre ambos.

- En ocasiones es necesario tambin aislar la fuente de alimentacin, de esta manera pueden clasificarse en:

! A.As de dos puertos

" A.As de tres puertos

La alimentacin comparte conexin elctrica bien con el circuito de entrada de seal, bien con el de salida. Hay por tanto dos masas independientes.

La alimentacin est completamente aislada tanto del circuito de entrada como del de salida. Hay por tanto tres masas independientes.



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Etapas que forman un amplificador de Aislamiento:

ENTRADA SALIDAA A

ALIMENTACINENTRADA

ALIMENTACINSALIDA

ALIMENTACIN Conversor DC/DC

Circuito de entrada # Formado por un amplificador operacional (entrada diferencial, asimtrica).

Circuito de salida # Suele ser en tensin, pueden encontrarse con salida en corriente o frecuencia.

Circuito de aislamiento # Incluye la circuitera necesaria para acoplar la seal de entrada a la salida proporcionando aislamiento ohmico, y normalmente ganancia unidad.

Circuito de alimentacin # Consiste en un conversor DC/DC (integrado o externo).



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Simbologa:

-

+

A.A de tres puertos con alimentacin integrada

-

+

A.A de dos puertos sin circuito de alimentacin



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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO2.- Aplicaciones de los A.A.s.

! Proteccin de equipos: Amplificar con exactitud tensiones diferenciales pequeas superpuestas a tensiones en modo comn elevadas (VCM >15 V.) y se requiere un alto CMR.

Ejemplo: Cuando aparecen tomas de tierra alejadas fsicamente, estas pueden tener una diferencia de potencial de decenas de voltios.

En los terminales V1 y V2 las tensiones con respecto a su masa (T2) pueden ser muy elevadas y por tanto pueden deteriorar el equipo detector.

VD

VD

Vref

V1

V2

R

R

R

Rx

Equipo detector

V

T1 T2

La tensin en modo comn a la entrada del equipo detector es elevada debido a la diferencia de potencial entre las tomas de tierra.



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$ Seguridad para el paciente en equipos de electromedicina, para evitar tensiones peligrosas en electrodos.

Amplificador de ECG

" Amplificar con exactitud tensiones diferenciales pequeas superpuestas a tensiones en modo comn elevadas ,soportables por el A.A. pero que puedan provocar errores no tolerables. La capacidad de rechazo del IMR es superior a la del CMR.



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% Para la ruptura de lazos de corriente y evitar de esta manera problemas de interferencias electromagnticas.



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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO2.- Aplicaciones de los A.A.s: Ejemplos.

A.- Amplificador con aislamiento para acondicionamiento de sensores.

Amplificador de precisin con aislamiento.



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Amplificador con aislamiento de tres

puertos.

B.-



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C.- Transmisin de bucles de corriente 4-20 mA con aislamiento.



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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO3.- Caractersticas especficas de los A.As.

Se parte del siguiente modelo:

-

+

+

VISO

RF

CF

+++

VD /2

VCM

+

++

VD /2

VIO(CMR)VIO(PSR) VIO(IMR)

RF# Resistencia de Aislamiento

CF# Capacidad deAislamiento

VISO# Tensin de Aislamiento



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A. Tensiones en modo comn (VCM) y modo aislamiento (VISO).

VCM# Semisuma de las tensiones de entrada referidas al comn de entrada.

- Si el comn de entrada est unido con el comn de la fuente de seal, la tensin en modo comn mxima queda limitada a un rango comprendido entre los lmites de la alimentacin.

VISO# Diferencia de tensin entre los terminales de entrada y de salida.

- Su valor queda determinado por el entorno del circuito.

- Nunca se debe pasar la tensin de aislamiento mxima indicada por el fabricante.



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A. Tensiones en modo comn (VCM) y modo aislamiento (VISO) (cont.).

Si la VCM a la entrada es superior a la que soporta el dispositivo, se debe evitar que la masa de entrada y la de la fuente sean la misma.

Solucin # - Referenciar la fuente a la masa de salida.

- De esta manera la tensin comn cae en la barrera de aislamiento.

VD

Vref

V1

V2

R

R

R

Rx

-

+ RF

-

+ RFVCM

+!

No hay aislamiento entre entrada y salida

ISOCMTARESPECTOcm VVV "#2|'

T2



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A. Tensiones en modo comn (VCM) y modo aislamiento (VISO) (cont.).

Se calcula el valor de la tensin comn que tenemos a la entrada del circuito.

ISOCMTARESPECTOcm VVV "#2|'

0'' $%%% &%'

# (& CMR

FCM

CMCMCM VRZ

ZVV F

CMISOZR

FCM

FCMISO VVRZ

RVV CMF $%%%% &%'

# ))'

!

La tensin comn cae en la barrera de aislamiento

VCM+

RF

VISOVCM

ZCM

T2



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B. Rechazo al modo comn y al modo aislamiento.

Rechazo al modo comn (CMR).

Se define de la misma manera que para los amplificadores de instrumentacin, e igualmente indica la capacidad del amplificador para rechazar las variaciones de tensin comn a la entrada:

VVVVCMR

CM

IO /**

# CMRCMRR 1log20#

VVVVIMR

ISO

IO /**

#IMR

IMRR 1log20#

Rechazo al modo aislamiento (IMR).

Indica la capacidad del amplificador para rechazar las variaciones de la tensin de aislamiento.

VAVICMRCM

IO /**

#

VAVIIMRISO

IO /**

#

Entrada en Tensin

Entrada en Corriente

Entrada en Tensin

Entrada en Corriente



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B. Rechazo al modo comn y al modo aislamiento (cont.).

El CMR es funcin de la frecuencia de la seal de la ganancia y de la carga, mientras que el IMR depende de frecuencia de la tensin de aislamiento.

CMR en funcin de frecuencia, ganancia y carga IMR en funcin de frecuencia de VISO.



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C. Corrientes de fugas de la etapa de aislamiento.IF (Corriente de fugas o aislamiento)# Corriente que fluye entre los terminales de referencia de entrada y salida a travs de la barrera de aislamiento. (suele ser del orden de +A):

Es consecuencia de la resistencia y capacidad de fijas (RF y CF)

2)(1 FF

F

ISOF

CwR

RV

I

'

#

- Corrientes de fugas elevadas pueden deteriorar el dispositivo, por eso si la frecuencia de trabajo aumenta, la VISOdebe disminuir para que IF no aumente.

,,!--!-- ISOF VIf



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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO4.- Tipos de A.As segn el mtodo de acoplo.

- Segn el mtodo de acoplo se pueden clasificar en:

A. Acoplo inductivo o por transformador.

B. Acoplo capacitico.

C. Acoplo ptico.

La informacin se pasa modulada

La informacin se pasa en banda base.

- El mtodo de acoplo influye en las caractersticas del A.A, as en general:

Acoplo capacitivo e inductivo ! Alta linealidad y exactitud.

Acoplo capacitivo y ptico ! Alta velocidad (ancho de banda).



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A.A. con acoplo inductivo o por transformador.

& Sensibles a radiaciones electromagnticas debido al empleo de transformador (radian y captan).

& Tiempo de respuesta elevado: debido al ancho de banda de los transformadores.

' Facilidad de uso.

Ventajas:

Inconvenientes:

Ejemplo: AD210 de Analog Devices

La barrera de aislamiento la constituye un transformador.



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A.A. con acoplo inductivo o por transformador. (AD210 de Analog Devices)

Amplificador de tres puertos con DC/DC integrado.



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A.A. con acoplo inductivo o por transformador. (AD210 de Analog Devices)Caractersticas:

- Alimentacin de +15 v. convertida mediante el oscilador de potencia en una seal de 50 Khzacoplada, posteriormente filtrada y rectificada para alimentar el circuito.

- Proporciona dos tensiones, una referida a la entrada y otra a la salida de .15 V. (.5 mA) para alimentar otros circuitos.

- Entrada# Es un simple A.O., su salida se modula y acopla al transformador para ser transmitida

- Salida# Se demodula la seal y se filtra, para presentarse a la salida mediante un buffer de ganancia unidad.

- La modulacin se realiza a la frecuencia a la que mejor comportamiento tiene el transformador para disminuir las distorsiones de amplitud.



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A.A. con acoplo inductivo o por transformador. (AD210 de Analog Devices)Nota:

-Si una aplicacin requiere varios A.A, es ms conveniente utilizar circuitos sin conversor DC/DC integrado, recurriendo en este caso a conversores externos, con el consiguiente ahorro econmico.



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A.A. con acoplo capacitivo.

- Constituyen la ltima novedad en el estado de la tcnica de este tipo de dispositivos.

' Permiten ancho de banda elevado y excelente exactitud y linealidad.

' Facilidad de uso.

Ventajas:

Ejemplo: ISO122 de Texas/Burr-Brown

- La barrera de aislamiento est formada por condensadores.

' Econmicos.

- La calidad del circuito la imponen los condensadores de la barrera de aislamiento. Deben tener alta rigidez dielctrica y bajas corrientes de fugas.

Alta rigidez dielctrica # Para soportar VISO elevadas.



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A.A. con acoplo capacitivo. (ISO 122 de Texas/Burr-Brown)

Amplificador de aislamiento con acoplo capacitivo.



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A.A. con acoplo capacitivo (ISO 122 de Texas/Burr-Brown). Caractersticas:

- Facilidad de uso: reducido nmero de terminales.

- Ganancia fija y de valor unidad. .

Entrada:

Salida:

Formada por un modulador de anchura de pulsos con una portadora de 500 Khz. La seal modulada se transmite de forma diferencial a la salida a travs de dos condensadores de 1 pF.

Se demodula y se filtra la seal.

La calidad del aislamiento viene impuesta por los condensadores de 1 pF. Tienen alta rigidez dielctrica ( para soportar vISO elevadas) y bajas fugas.



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A.A. con acoplo ptico.

- El acoplo de informacin es en banda base:

Ejemplo: ISO100 de Texas/Burr-Brown

- La barrera de aislamiento est formada por componentes optoelectrnicos.

& Econmicamente, algunos modelos son caros.

Se modula la intensidad luminosa del led en funcin de la seal a transmitir



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A.A. con acoplo ptico. (ISO 100 de Texas/Burr-Brown)

Amplificador de aislamiento con acoplo ptico.

Caractersticas:

- Formado por dos A.O., dos fotodiodos y un led.

- Proporciona dos fuentes de corriente de 12 +A.

- Permite configurar distintas ganancias.



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A.A. con acoplo ptico. (ISO 100 de Texas/Burr-Brown): Conexionado

Amplificador de aislamiento con acoplo ptico.

RIN# Limita IIN

RF# Ajuste de ganancia.



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A.A. con acoplo ptivo (ISO 100 de Texas/Burr-Brown).

Realmente trabaja como un conversor corriente/tensin.

La corriente generada por el fotodiodo D1 debe ser igual a la corriente de entrada, esto se consigue gracias a la realimentacin luminosa negativa.

Principio de funcionamiento :

La radiacin que llega a los dos fotodiodos es la misma, por lo que generan la misma corriente:

eFDFOeDD IRIRVIII "#"#!## 212S

FeO R

RVV "#

Para que funcione correctamente y en zona lineal, se debe cumplir: AInA e +2020 //

Los fotodiodos D1 y D2 deben estar polarizados en inverso.



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A.A. con acoplo ptivo (ISO 100 de Texas/Burr-Brown): Configuraciones.

- Permite conexionado de seales bipolares y unipolares.

Bipolar No InversoraBipolar Inversora



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A.A. con acoplo ptivo (ISO 100 de Texas/Burr-Brown): Configuraciones.

Unipolar No Inversora Unipolar Inversora

VIN < 0



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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO5.- Consideraciones adicionales de diseo con A.A.

Cuando se realizan diseos con A.A. se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:

! Rizado en la seal de salida del amplificador.

" Rizado de las alimentaciones.

% Efectos por acoplo de interferencias.

( Disposicin fsica de los diferentes elementos del circuito.

Consideraciones de diseo

$ Regulacin de carga de las alimentaciones.



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! Rizado en la seal de salida del amplificador.

A.A con acoplo capacitivo e inductivo Se modula la informacin

A la salida aparece en forma de rizado parte de la portadora tras la demodulacin. Esto se debe a que el filtrado no es perfecto.

Se requiere filtrar de nuevo para reducir el nivel de rizado, siempre y cuando el BW de la seal sea inferior a las frecuencias del rizado.



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" Rizado de las alimentaciones.

- Para alimentar los A.A. se requieren conversores DC/DC (internos o externos).

- Los conversores DC/DC permiten obtener alimentaciones aisladas acoplando la alimentacin de entrada mediante transformadores.

Tensin de entrada al conversor DC/DC

Modulada + Acoplada + Rectificada + Filtrada

Si no se filtra lo suficiente, el rizado residual afecta a las caractersticas del A.A.



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" Rizado de las alimentaciones (cont.).

- Algunos conversores DC/DC, tanto internos como externos, permiten, en caso de que sea necesario, un filtrado adicional a travs de un condensador.

En este caso, si no se introduce filtrado adicional, el rizado puede alcanzar valores de 1 Vpp

Los niveles de rizado del conversor DC/DC son diferentes para las alimentaciones positivas y negativas.

Internamente el filtrado de las alimentaciones negativas es mayor, impuesto por un menor rechazo del amplificador a las variaciones de estas alimentaciones



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" Rizado de las alimentaciones (cont.).

- El rizado cambia tambin en funcin de la corriente suministrada a la carga.

Conclusin:Las necesidades de filtrado vienen impuestas tanto por el rechazo a la fuente de alimentacin, como por el consumo de los circuitos.



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$ Regulacin de carga de las alimentaciones.

- Cualquier variacin en la corriente suministrada a la salida, afecta o provoca variaciones en todas las tensiones de salida.

Regulacin de carga de conversor DC/DC

En el supuesto de que estas variaciones no puedan permitirse, se debe introducir un circuito regulador externo que asegure una salida lo suficientemente constante.



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% Efectos por acoplo de interferencias.

Transformadores Crean un campo magntico en su entorno que puede interferir a otros circuitos, y que se le acopla a l mismo.

Soluciones:

- Existen A.A comercializados en dos versiones: con o sin blindaje.

- Si no existe versin con blindaje, se comercializan carcasas especficas que se pueden superponer a los A.A obtenindose de esta manera el blindaje requerido.

Mediante las pantallas se pueden conseguir atenuaciones del orden de 40 a 60 dB.



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( Disposicin fsica de los diferentes elementos del circuito.

- Se sabe que el aislamiento queda limitado por la resistencia y capacidad de fugas (RF y CF).

- Para no deteriorar las caractersticas de aislamiento se debe prestar cierto cuidado en la distribucin de los elementos externos del circuito.

Distribucin de patillas aisladas

Los componentes externos deben conectarse siguiendo la misma filosofa para no aumenten las corrientes de fugas.

Se debe mantener una separacin suficiente entre componentes externos, pistas de circuito impreso y cables que pertenezcan a diferentes etapas.

Los fabricantes suministran configuraciones y conexionados recomendados para sus circuitos.



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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO6.- A.As comerciales.

Se pueden encontrar multitud de versiones con diferentes caractersticas.

Texas/Burr-Brown



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AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO6.- A.As comerciales.

Analog Devices (www.analog.com)

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