Los amplificadores de aislamiento son una forma de amplificador diferencial que permite la medición de pequeñas señales en presencia de un alto voltaje de modo común al proporcionar aislamiento eléctrico y una barrera de seguridad eléctrica. Protegen los componentes de adquisición de datos de los voltajes de modo común , que son diferencias de potencial entre la tierra del instrumento y la tierra de la señal. Los instrumentos que se aplican en presencia de un voltaje de modo común sin una barrera de aislamiento permiten que circulen corrientes de tierra, lo que conduce en el mejor de los casos a una representación ruidosa de la señal bajo investigación. En el peor de los casos, suponiendo que la magnitud del voltaje o la corriente de modo común sea suficiente, es probable que se destruya el instrumento. Los amplificadores de aislamiento se utilizan en instrumentos médicos para garantizar el aislamiento de un paciente de la corriente de fuga de la fuente de alimentación. [1]
Los amplificadores con una barrera de aislamiento permiten que el extremo frontal del amplificador flote con respecto al voltaje de modo común hasta el límite del voltaje de ruptura de la barrera, que suele ser de 1000 voltios o más. Esta acción protege al amplificador y 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 . También pueden eliminar errores de medición causados por bucles de tierra . Los amplificadores con transformadores internos eliminan la fuente de alimentación aislada externa . Por lo general, se utilizan como interfaces analógicas entre sistemas con conexiones a tierra separadas .
Los amplificadores de aislamiento pueden incluir fuentes de alimentación aisladas para las etapas de entrada y salida, o pueden utilizar fuentes de alimentación externas en cada porción aislada. [1]
Todas las fuentes de señal están compuestas por dos componentes principales. El componente de modo normal (V NM ) representa la señal de interés y es el voltaje que se aplica directamente a través de las entradas del amplificador. El componente de modo común (V CM ) representa la diferencia de potencial entre el lado bajo del componente de modo normal y la tierra del amplificador que se utiliza para medir la señal de interés (el voltaje de modo normal).
En muchas situaciones de medición, el componente de modo común es irrelevantemente bajo, pero rara vez cero. Los componentes de modo común de solo unos pocos milivoltios se encuentran con frecuencia y se ignoran en gran medida y con éxito, especialmente cuando el componente de modo normal es órdenes de magnitud mayor.
El primer indicador de que la magnitud de la tensión en modo común está compitiendo con el componente en modo normal es una reproducción ruidosa de este último en la salida del amplificador. Esta situación no suele definir la necesidad de un amplificador de aislamiento, sino de un amplificador diferencial . Dado que el componente en modo común aparece simultáneamente y en fase en ambas entradas del amplificador, el amplificador diferencial, dentro de los límites del diseño del amplificador, puede rechazarlo.
Sin embargo, si la suma de los voltajes del modo normal y del modo común excede el rango del modo común del amplificador diferencial o el rango máximo sin daños, entonces la necesidad de un amplificador de aislamiento queda firmemente establecida.
Los amplificadores de aislamiento se encuentran 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 por 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 también se puede utilizar para alimentar dispositivos de procesamiento de señales externos en el lado aislado del sistema. El ancho de banda disponible depende del modelo y puede variar de 2 a 20 kHz. El amplificador de aislamiento contiene un convertidor de voltaje a frecuencia conectado a través de un transformador a un convertidor de frecuencia a voltaje. El aislamiento entre la entrada y la salida lo proporciona el aislamiento de los devanados del transformador.
Un amplificador ópticamente aislado modula la corriente a través de un optoacoplador LED . La linealidad se mejora utilizando un segundo optoacoplador dentro de un bucle de retroalimentación. Algunos dispositivos proporcionan un ancho de banda de hasta 60 kHz. El aislamiento galvánico se proporciona 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; los condensadores pueden soportar grandes voltajes de CC o CA de frecuencia industrial, pero proporcionan acoplamiento para la señal portadora de frecuencia mucho más alta. Algunos modelos basados en este principio pueden soportar 3,5 kilovoltios y proporcionar un ancho de banda de hasta 70 kHz. [1]
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 una función de dos especificaciones clave del amplificador de aislamiento:
La frecuencia del voltaje de modo común puede afectar negativamente el rendimiento. Los voltajes de modo común de frecuencia más alta crean dificultades para muchos amplificadores de aislamiento debido a la capacitancia parásita de la barrera de aislamiento. Esta capacitancia aparece como una baja impedancia para las señales de frecuencia más alta y permite que el voltaje de modo común pase esencialmente por encima de la barrera e interfiera con las mediciones o incluso dañe el amplificador. Sin embargo, la mayoría de los voltajes de modo común son una combinación de voltajes de línea, por lo que las frecuencias generalmente permanecen en la región de 50 a 60 Hz con cierto contenido armónico, dentro del rango de rechazo de la mayoría de los amplificadores de aislamiento.
Un amplificador diferencial no aislado no proporciona aislamiento entre los circuitos de entrada y salida. Comparten una fuente de alimentación y puede existir una ruta de CC entre la entrada y la salida. Un amplificador diferencial no aislado solo puede soportar voltajes de modo común hasta el voltaje de la fuente de alimentación.
Al igual que el amplificador de instrumentación, los amplificadores de aislamiento tienen una ganancia diferencial fija en un amplio rango de frecuencias, alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.
Los amplificadores de instrumentación se pueden clasificar en cuatro grandes categorías, organizadas de menor a mayor costo:
Para la mayoría de las aplicaciones industriales que requieren aislamiento, el diseño flotante de un solo extremo proporciona la mejor relación precio/rendimiento.
También hay dos clasificaciones amplias de amplificadores de aislamiento que deben considerarse junto con la aplicación:
Las mediciones de celdas de voltaje apiladas son comunes debido a la creciente popularidad de las celdas solares y de combustible. En esta aplicación, el técnico desea 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 de modo normal) se elimina de tierra en una cantidad igual a la suma de las celdas de voltaje que se encuentran debajo de ella (el voltaje de modo común). A menos que se permita que los amplificadores utilizados para medir los voltajes de celdas individuales floten a un nivel igual al voltaje de modo común, es poco probable que las mediciones sean precisas para ninguna celda excepto la primera en la cadena donde el voltaje de modo común es cero.
Se puede utilizar un amplificador diferencial no aislado, pero tendrá un voltaje de modo común máximo nominal que no se puede superar manteniendo la precisión.
