Amplificador De Aislamiento

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EL AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO

Gutiérrez O. Daniel Alexander, Ortega R. Edisson Gabriel, Rueda A. Daniel

Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica - Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle

Abstract— En este documento se expone la forma como se encontraron las características de alinealidad, respuesta en frecuencia e IMRR del amplificador de aislamiento ISO-01 de forma experimental.

Introducción

El amplificador de aislamiento, como su nombre lo indica, aísla eléctricamente dos circuitos pero permite la transmisión de información de forma óptica, inductiva o capacitiva.

Este tipo de amplificador es especialmente útil cuando se aplica en la adquisición de datos, ya que aísla la tierra del circuito de adquisición de la tierra de la señal evitando los voltajes de modo común y el ruido que este pueda causar, además al estar eléctricamente aislado los componentes más delicados permanecen protegidos en caso que la señal produzca sobre voltajes o sobre corrientes.

En este informe se utilizará el amplificador de aislamiento ISO124P para caracterizar algunos de sus parámetros mediante experimentación.

Resultados y Análisis

Para toda la práctica se cuenta con una alimentación de ±5 V con la configuración de la figura 1.

Fig. 1. Modo de alimentación para el ISO124P.

2.1. Amplificador de Aislamiento, verificación en DC

Para poder obtener y conocer las características de este amplificador, se realizó la medición del voltaje de salida con respecto a diferentes voltajes de entrada. El barrido se realizó desde -2.50V hasta 2.50V y los datos obtenidos se registraron en la tabla 1 del anexo.

La figura 2 permite evidenciar el Vout en función de cada uno de los valores de voltaje de entrada (línea azul), la línea roja permite observar la recta ideal.

Fig.2. Voltaje de salida en función del voltaje de entrada del amplificador de Aislamiento

La ecuación de la recta ideal (roja), corresponde a:

Vout= 0.95Vin + 0.0425

Como se registra en la figura 2, la salida medida se aproxima mucho a la salida de la recta ideal que representa los datos tomados, es por esta razón que es posible concluir a partir de la observación de la ecuación de la recta ideal. Puede observarse que la pendiente (ganancia) es aproximadamente uno (0.95) por lo que puede concluirse que el amplificador de aislamiento tiene aproximadamente una ganancia unitaria. Del mismo modo, el error debido al offset es mínimo, ya que este es solamente de 42.5mV, lo que equivaldría a 1.7% FS. Estos datos se resumen en la tabla 1.

Tabla 1

Resumen de verificación en DC

PARÁMETRO VALOR

Ganancia 0.95

Offset 42.5mV 1.7% FS

Alinealidad máxima 1,74%

2.2. Respuesta en frecuencia

Para esta prueba se elimina el aislamiento debido a que la referencia del osciloscopio es la misma para medir la señal de entrada y de salida. Se tiene a la entrada una señal de 2 Vpp y se varía en diferentes frecuencias para observar la fase y magnitud de la salida con el fin de construir un diagrama de bode y con respecto a eso tener claro para qué aplicaciones es apropiado el amplificador.

Fig. 3. Diagrama de bode para la magnitud.

En la toma de datos hubo un aspecto a tener en cuenta y es la distorsión que se tuvo en la señal de salida posiblemente debido a la falta de una mayor capacitancia en las alimentaciones del amplificador y a la respuesta natural del amplificador que presenta cierto nivel de ruido a frecuencias mayores a los 20 kHz. Lo anterior fue causa de lecturas erróneas en la medida del osciloscopio, tanto en magnitud y frecuencia.

Para la construcción del diagrama de bode se tuvo como frecuencia máxima aproximadamente 70 kHz lo cual no proporciona una información exacta a cerca del ancho de banda del amplificador, por lo tanto era necesario hacer la toma de datos para un rango de frecuencias mucho mayor que diera a conocer más características sobre la respuesta en frecuencia.

Fig. 4. Diagrama de bode para la fase.

La figura 4 muestra el desfase de la salida y la entrada a medida que aumenta la frecuencia. En este caso las medidas de desfase temporal fueron muy cercanas al valor de 7 us donde este tiempo podría considerarse como el retraso causado por la barrera de aislamiento y las diferentes capacitancias con que ha sido diseñado el ISO124P.

Al igual que en el caso anterior, un mayor rango de frecuencias en la toma de datos posiblemente hubiera arrojado un desfase diferente al registrado, sobre todo para frecuencias muy altas.

2.3. Cálculo del IMRR

Debido a que la barrera de aislamiento del amplificador no tiene una impedancia infinita, cierto voltaje de error aparece en el voltaje de salida, Vout. Dicho error se calcula mediante la siguiente expresión:

Vout=(Vin+V_IM/IMRR)*Gain

Vout=Vin*Gain+V_IM/IMRR*Gain

El segundo término de esta ecuación es el error antes mencionado. El IMRR representa que tan bien un amplificador de aislamiento rechaza el voltaje de modo aislado. Se expresa en unidades de V/V.

Fig. 5. Esquema del amplificador para calcular IMRR

Con el fin de encontrar el valor del IMRR del ISO124P, se conectó al voltaje Vin a tierra, y se insertó en este nodo una señal sinusoidal con la máxima amplitud del generador (20Vpp). Así, el voltaje en la salida dependería solo de Vim (Fig. 5 Generador de señales) atenuado por la razón de rechazo del amplificador:

Tabla 2

Resultados de la prueba para determinar el IMRR

Vim (Vpp) Vout (Vpp) IMRR (V/V) IMRR(dB)

20 1.25 15.2 23.64

2.4. Amplificadores de aislamiento: ISO124.

Un amplificador de aislamiento generalmente está compuesto por un amplificador de entrada, algún tipo de modulador, una barrera de aislamiento, un demodulador y un amplificador a la salida. Algunos esquemas de modulación incluyen amplitud, voltaje a frecuencia, duración del ciclo, ancho de pulso, etc.

Las barreras de aislamiento pueden ser ópticas, magnéticas (tipo transformador), capacitivas e incluso transferencia de calor. Observe que la terminal de tierra o común entre la entrada y salida son diferentes, esto es, están eléctricamente aisladas en el orden de millones de ohms.

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