Amplificador de Aislamiento

Para la primera practica, observamos que la mayoría de los equipos tuvieron problemas con el amplificador de aislamiento, para ello decidimos investigar un poco mas acerca de su funcionamiento y aplicaciones, ya que era la primera vez que lo empleábamos.

Con estos amplificadores se pretende obtener un aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida del circuito. El símbolo que lo representa indica claramente el significado físico de esa función.

El uso principal de estos dispositivos se debe a aquellos casos en los que resulte interesante, por el motivo que sea, conseguir un CMRR (common-mode rejection ratio - relación de rechazo de modo común) muy alto, del orden de los 160 dB. También son de utilidad cuando se presentan tensiones en modo común muy altas, ya que en esos casos el CMRR también debe ser muy alto para compensar la influencia de VCM. Además, y debido a su aislamiento eléctrico, es utilizado en aquellos dispositivos en los que se pretende una separación eléctrica efectiva entre la parte izquierda y derecha del dispositivo, como puede ocurrir en equipos de electromedicina, en donde por un lado nos podemos encontrar tensiones altas y por el otro los dispositivos que se conectan al paciente.

Existen dos tecnologías de aislamiento: por transformadores y 
ópticas, las que explicaremos mas adellante.
A continuación, vamos a ver una serie de parámetros típicos que proporciona el fabricante que nos va a permitir compararlas.

Barrera de aislamiento
Se trata de un impedimento a las señales eléctricas, de tipo intensidad, para pasar de la parte izquierda del circuito a la derecha. Permite la existencia de una tensión elevada VISO entre ambos lados de la barrera sin que se dañe el circuito. Nos referimos a valores normales de tensión de 2000 V y de hasta los
8000 V en tensiones de pico. La separación eléctrica, por tanto, debe ser lo más perfecta posible, lo cual lleva a la utilización de fuentes de alimentación y tomas de tierras totalmente diferenciadas y separadas unas de otras.

Sin embargo, esa barrera de separación no es ideal, por ello se utilizan una serie de parámetros para indicarnos cómo de perfecta resulta la barrera de separación. Vamos a presentar dos de ellos: capacidad de aislamiento CI y resistencia de aislamiento RI, que representa la resistencia que existe entre
las dos partes del circuito.

Intensidad de pérdidas
También se mide la perfección de la barrera mediante la señal que consigue atravesar la barrera, lo que se llama intensidad de pérdidas y que representa la intensidad eléctrica que puede circular de un lado a otro de la barrera de aislamiento, a través de la impedancia Z de aislamiento, debida al condensador y la resistencia de aislamiento.

Ancho de banda
Representa la frecuencia máxima con la que puede trabajar el circuito.

IMR
Es la razón de rechazo al modo común, representa algo parecido al CMR y se trata del valor del CMR debido al aislamiento.

En general, los parámetros más utilizados para elegir un tipo de aislamiento u otro son el IMR,
en cuyo caso elegiremos los de tecnología por transformador (proporcionan un IMR mayor) y la frecuencia a la que se puede usar el dispositivo, en cuyo caso usaremos los de tecnología basada en la óptica (su ancho de banda es mucho más amplio).
Veamos ahora en qué se basan cada una de estas dos tecnologías

Amplificadores de aislamiento por transformador
Básicamente, un transformador está constituido por dos bobinas en la que por una de ellas, llamada primario, se inyecta la señal de entrada, mientras que en la otra, denominada secundario, y debido al proceso de inducción se produce la señal de salida.
En estos dispositivos pueden existir más de un secundario y la principal característica que nos interesa resaltar ahora es precisamente el aislamiento eléctrico que existe entre el primario y el secundario.

Los transformadores trabajan únicamente con señales alternas y sus características dependen de la tensión de entrada así como del número de espiras que posean tanto el primario como el secundario

A la salida la tensión alterna producida tendrá un valor que viene dada por la expresión

V2= V1 (N2/N1)

Si se cumple que N1=N2 la función que realiza el trasformador es exclusivamente de aislamiento entre las dos partes del transformador, ya que la tensión de salida será igual que la de entrada al mismo, con la gran ventaja de que no existe conexión eléctrica alguna entre ambas partes.

Según hemos visto estos dispositivos son de mucha utilidad para conseguir el aislamiento eléctrico entre sus dos partes, pero qué ocurre cuando trabajamos con señales continuas en vez de señales alternas. En ese caso la señal continua debe ser convertida en alterna y una vez transformada volver a ser
convertida en continua. Esto se consigue mediante el uso de un modulador, este dispositivo convierte señales contínuas en señales alternas, de manera que a la salida tenemos una magnitud
que es proporcional a la señal continua de entrada. Así, por ejemplo, la frecuencia de la señal de salida puede ser proporcional a la tensión de entrada, es lo que se conoce como
frecuencia modulada. También podría ser posible si la magnitud utilizada es la amplitud de la señal de salida, se llamaría señal modulade an amplitud. De estas dos posibilidades a nuestros intereses resulta más adecuado usar la modulación en amplitud ya que los transformadores trabajan mejor a frecuencias
concretas, por ello es mejor fijar la frecuencia y modular la señal en amplitud. Los moduladores hacen de portadores de la señal.
Si hacemos que N2=N1 entonces podemos decir que la tarea del demodulador consiste en restaurar la señal modulada por el modulador.

El montaje debe tener un diseño como se muestra en la figura siguiente en donde la señal continua es convertida en alterna por un modulador, cuya salida actúa de primario del transformador. Dos secundarios con el mismo número de espiras N2 y con sendos demoduladores producirán dos señales idénticas que
actuarán como terminales de salida.

Al final se ha incluido un seguidor de tensión (A2) para tener a la salida las mismas características de impedancia que se tenían a la salida del amplificador A1. 

Como se observa también en esa figura es necesario disponer de tomas de tierra diferentes, y por tanto también, de fuentes de alimentación distintas. Los fabricantes proporcionan los llamados convertidores continua/continua (DC/DC) los cuales tiene una única entrada de tensión continua (por ejemplo, 5V) y proporcionan a la salida dos salidas, completamente aisladas eléctricamente una de la otra, de +- 12V. 

Algunos fabricantes incluso la incluyen dentro del propio integrado, de manera que una tensión de entrada es convertida en impulsos que mediante un primario es introducido en el trasformador a una frecuencia distinta a la de la señal principal. Mediante dos secudarios diferentes conectados a sendos rectificadores producen las dos salidas de +- 12 V, de forma totalmente independiente entre ellas. 

Amplificadores de aislamiento óptico

En esta tecnología es necesario el uso de dos elementos semiconductores distintos: por un lado se necesita un diodo emisor de luz (LED) y por otro un fotodiodo o diodo receptor de 

luz. Entre ambos se formará la barrera de aislamiento, uno de ellos actuará de primario y el otro de secundario. 

El emisor es un diodo semiconductor con cápsula transparente, que posee forma de lente convergente para obtener un haz de luz concentrado, que emite luz al pasar un intensidad eléctrica por dicho diodo.

La intensidad luminosa es proporcional a la intensidad eléctrica que atraviesa el montaje.

Por otro lado el receptor posee una cápsula con una lente sobre el semiconductor libre que facilita la incidencia de los fotones sobre el propio semiconductor. Así los fotones chocan con los portadores de carga transmitiéndoles su energía y haciendo que éstos pasen de la banda de valencia a la banda de conducción.

La intensidad luminosa es pequeña, por ello las corrientes producidas también son pequeñas (del orden de micro A). En polarización directa estas corrientes serían despreciables, ya que las corrientes que se obtienen son del orden de los mA. Para poder utilizar las corrientes producidas por la luz hacemos trabajar al diodo en polarización inversa, en el cual la intensidad eléctrica era casi nula.
Para crear la barrera habrá que colocar estos dos dispositivos uno al lado del otro. El principal problema que tenemos es que la cantidad de luz que alcanza al primario debe ser exactamente igual a la cantidad de luz que alcance al secundario (ni más ni menos), para asegurarnos que la tensión que produjo la emisión
de luz en el emisor es la misma que produce el receptor a su salida. Para ello el fabricante facilita el conjunto completo, formado por un primario y dos secundario encapsulado todo en un conjunto perfectamente opac a la luz para evitar deformaciones en la transformación.

Kristy L. Mendez Ley