Tipos de aislamiento y consideraciones al realizar una medida

El aislamiento es un método para separar física y eléctricamente dos partes distintas de un instrumento. Cuando el término aislamiento se utiliza con instrumentos, lo más probable es que se refiera al aislamiento eléctrico, lo que significa que la corriente no fluye entre las dos partes del sistema que están aisladas entre sí. Hay varias ventajas del aislamiento eléctrico, pero una de las mayores ventajas, en lo que respecta a la precisión de la medida, es que el aislamiento rompe los ciclos a tierra.

El aislamiento también utiliza las barreras físicas y eléctricas para proporcionar beneficios de seguridad al mantener los altos voltajes o voltajes transitorios alejados del usuario o de componentes importantes del circuito, que discutiremos en secciones posteriores.

Primero, aquí hay una revisión rápida de los ciclos a tierra, que se tratan con más detalle en la nota técnica Consideraciones de conexión a tierra para medidas mejoradas en la serie fundamental de instrumentos.

Ciclos a tierra

Los ciclos a tierra son la fuente más común de ruido en las aplicaciones de adquisición. Ocurren cuando dos terminales conectadas en un circuito están en diferentes potenciales de tierra, lo que hace que la corriente fluya entre los dos puntos. Esta diferencia de potencial causa un error en el voltaje medido, V_m, que se puede calcular usando la Ecuación 1.

Ecuación 1: Voltaje medido con un ciclo a tierra presente.

Donde:

= Voltaje medido

  = voltaje de la señal

  = Diferencia de voltaje entre la tierra de la fuente de la señal y la tierra del instrumento

La nota técnica Consideraciones de conexión a tierra para medidas mejoradas discute cómo eliminar los ciclos a tierra asegurándose de que solo exista una referencia de tierra en la fuente de la señal y la configuración del sistema de medidas. Sin embargo, usar hardware aislado también elimina los ciclos a tierra, ya que elimina la ruta para que la corriente fluya entre la tierra de la fuente de la señal y la tierra del sistema de medidas.

En general, existen tres tipos diferentes de topologías de aislamiento, desde un nivel bajo de protección hasta un nivel alto de protección, respectivamente:

• Aislamiento de canal a tierra
• Aislamiento de banco (canal a bus)
• Aislamiento entre canales

Aislamiento de canal a tierra

Este es el nivel de protección más bajo de aislamiento para un instrumento. Consulte la Figura 1 para ver un esquema del aislamiento de canal a tierra. Los voltajes presentes en AI 1, AI 2 y AI Ground no están aislados entre sí; sin embargo, están aislados de la tierra del instrumento. Esta topología de aislamiento rompe los ciclos a tierra entre AI 1 y la tierra, pero es posible que una corriente presente en AI 1 pueda inducir un voltaje en AI 2, porque no están aislados entre sí.

^{Figura 1: El aislamiento de canal a tierra no aísla los canales entre sí, pero sí los aísla de la tierra del instrumento.}

Aislamiento de banco (canal a bus)

En el aislamiento de banco, también conocido como aislamiento de canal a bus, varias líneas físicas se integran en grupos llamados bancos. Vea la Figura 2 para esta arquitectura. Debido a que existen barreras de aislamiento entre canales en diferentes bancos, la protección del ciclo a tierra es alta entre los bancos. Sin embargo, todavía es posible en esta topología que las señales en los canales dentro de un banco puedan afectarse entre sí.

^{Figura 2: En aislamiento de banco, la protección del ciclo a tierra es alta entre diferentes bancos.} 

Aislamiento entre canales

Esta topología proporciona la protección más completa para las señales en las líneas de instrumentos porque no solo todos los canales están aislados de la tierra, sino que cada canal también está aislado de todos los demás canales individuales. Vea esta topología en la Figura 3.

^{Figura 3: En el aislamiento entre canales, cada canal está aislado de todos los demás canales individuales.}

Los canales de entrada o salida analógicos se pueden aislar utilizando dos métodos diferentes, independientemente de la topología de aislamiento del instrumento. La diferencia entre los dos métodos radica en la ubicación del circuito de aislamiento en el instrumento. El aislamiento analógico es donde el circuito de aislamiento está en la ruta antes del convertidor analógico a digital (ADC) y actúa sobre la señal analógica. El aislamiento digital es donde se encuentra el circuito de aislamiento después del ADC, porque actúa sobre los datos recién digitalizados.

Aislamiento analógico

Un amplificador de aislamiento es una de las partes más comunes que se utilizan para proporcionar aislamiento en el frente analógico de un instrumento. Como se muestra en la Figura 4, los datos analógicos pasan del sensor al conector de E/S a través del amplificador de ganancia al amplificador de aislamiento y luego al ADC.

^{Figura 4: Un amplificador de aislamiento es una de las partes más comunes que se utilizan para proporcionar aislamiento en el frente analógico de un instrumento.}

Una gran ventaja del aislamiento analógico es que protege el ADC. Debido a que el aislamiento se proporciona antes del ADC, es menos probable que el ADC se dañe por voltajes transitorios o altos. Sin embargo, el aislamiento analógico tiene desventajas. Primero, debido a que el aislamiento analógico no es perfecto y se encuentra antes del ADC, puede agregar ganancia, error no lineal o de compensación a la señal analógica antes de que llegue al ADC. Esto no es ideal y puede disminuir la precisión de la medida. Además, los componentes de aislamiento analógico pueden introducir tiempos de asentamiento más largos y por lo general, son más costosos que sus contrapartes de aislamiento digital.

Aislamiento digital

A diferencia del aislamiento analógico, los circuitos de aislamiento digital se colocan después del ADC en el instrumento, como se muestra en la Figura 5.

^{Figura 5: A diferencia del aislamiento analógico, los circuitos de aislamiento digital se colocan después del ADC en el instrumento.}

El aislamiento digital puede conducir a un mejor rendimiento y precisión, en comparación con los circuitos de aislamiento analógicos, porque la señal medida se altera menos, antes de que sea digitalizada por el ADC. Los circuitos de aislamiento digital también tienen ventajas sobre los circuitos de aislamiento analógicos porque normalmente tienen un costo más bajo y funcionan a velocidades de transferencia de datos más altas. Sin embargo, debido a que los circuitos de aislamiento digital están detrás del ADC, el ADC es más susceptible al daño que puede causar un pico de voltaje.

Hemos hablado de topologías de aislamiento comunes para instrumentos y dónde se puede aplicar el aislamiento a la señal dentro del instrumento, pero no hemos hablado de la barrera de aislamiento en sí ni de cómo la señal cruza la barrera de aislamiento. En esta sección, cubriremos rápidamente la barrera de aislamiento y luego pasaremos a tres tipos de aislamiento comunes, que utilizan diferentes técnicas para transmitir los datos de la señal a través de la barrera de aislamiento.

El aislamiento físico es la forma más básica de aislamiento, lo que significa que existe una barrera física entre dos sistemas eléctricos. Esto puede ser en forma de aislamiento, un espacio de aire o cualquier camino no conductor entre dos sistemas eléctricos. Con aislamiento físico puro, usted puede implicar que no existe transferencia de señal entre sistemas eléctricos. Cuando se trata de sistemas de medidas aislados, la señal de interés debe cruzar la barrera de aislamiento con los beneficios de eliminar los ciclos de tierra. Por lo tanto, debe tener una transferencia o acoplamiento de la energía de la señal a través de la barrera de aislamiento. A continuación se analizan tres técnicas comunes para transferir la señal a través del aislamiento.

Aislamiento capacitivo

El aislamiento capacitivo, como se ve en la Figura 6, utiliza un campo eléctrico como forma de energía para transferir la señal a través de la barrera de aislamiento. El campo eléctrico cambia el nivel de carga en el capacitor. Esta carga se detecta a través de la barrera de aislamiento y la carga detectada es proporcional al nivel de la señal medida.

^{Figura 6: El aislamiento capacitivo utiliza un campo eléctrico como forma de energía para transferir la señal a través de la barrera de aislamiento.} 

Aislamiento inductivo

El aislamiento inductivo utiliza un transformador, que se muestra en la Figura 7, para transferir una señal a través de una barrera de aislamiento. El transformador genera un campo electromagnético, proporcional a la señal medida, como forma de energía para cruzar la barrera de aislamiento.

^{Figura 7: El aislamiento inductivo utiliza un transformador, anotado con el símbolo anterior, para transferir una señal a través de una barrera de aislamiento.}

Al igual que en el acoplamiento capacitivo, el aislamiento inductivo puede proporcionar velocidades de transmisión de datos relativamente altas. Además de la transmisión de alta velocidad, el acoplamiento inductivo utiliza poca potencia para la transmisión de datos. Sin embargo, el acoplamiento inductivo es susceptible a la interferencia de los campos magnéticos circundantes porque utiliza campos electromagnéticos como método para cruzar la barrera de aislamiento. Si los campos magnéticos externos interfieren con el campo electromagnético producido por el transformador, esto podría afectar la precisión de la medida.

Aislamiento óptico

El aislamiento óptico utiliza un LED y un fotodetector para transmitir la información de la señal a través de la barrera de aislamiento. La barrera de aislamiento en el aislamiento óptico generalmente es un espacio de aire y la señal se transmite usando luz. La intensidad de la luz producida por el LED es proporcional a la señal medida.

^{Figura 8: El aislamiento óptico utiliza un LED y un fotodetector para transmitir la información de la señal a través de la barrera de aislamiento.}

Debido a que el aislamiento óptico utiliza la luz como energía para transferir la señal medida a través de la barrera de aislamiento, obtiene la ventaja de la inmunidad frente a interferencias de campos eléctricos y magnéticos. Esto puede hacer que el aislamiento óptico sea una técnica eficaz en áreas industriales donde podrían estar presentes fuertes campos eléctricos o magnéticos. Las ventajas que se obtienen al usar la luz se equilibran con algunas desventajas. El aislamiento óptico generalmente tiene velocidades de transferencia de datos más lentas, que se limitan a la velocidad de conmutación del LED. También tiene una disipación de potencia relativamente alta en comparación con el aislamiento capacitivo e inductivo.

• El aislamiento es un método para separar física y eléctricamente dos partes distintas de un instrumento.
• Romper los ciclos a tierra para medir la señal de interés con mayor precisión es una de las principales ventajas de los sistemas de medidas aislados.
• Según los requisitos de su aplicación, puede elegir la topología de aislamiento que mejor se adapte a las necesidades del sistema.
  • El aislamiento de canal a tierra aísla los canales de la tierra del instrumento.
  • El aislamiento de banco (canal a bus) aísla grupos (bancos) de líneas de otros grupos de líneas, así como de la tierra del instrumento.
  • El aislamiento entre canales aísla cada línea de cualquier otra línea presente y de la tierra del instrumento.
• Los circuitos de aislamiento analógico protegen el ADC de altos voltajes y voltajes transitorios, pero pueden agregar errores de ganancia, no lineales y de desfase a la señal antes de que llegue al ADC.
• Los circuitos de aislamiento digital no protegen el ADC, y sus ventajas sobre el aislamiento analógico incluyen un menor costo, velocidades de transmisión de datos más altas y una mayor precisión porque la señal se altera menos antes de llegar al ADC.
• Descripción general del tipo de aislamiento: 

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