Amplificadores de aislamiento

Transcripción

TEMA 10 AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO rev 2
TEMA 10
AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO
10-1 OBJETIVOS.
10-2 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN.
10-3 AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO.
Energizados por baterías.
Modulado por portadora (carrier).
Acoplamiento Óptico.
Carga de corriente.
10-4 APLICACIONES.
Caso 1: ISO100.
Caso 2: ISO212.
Caso 3: ISO121.
10-5 PRUEBA CON ALTO VOLTAJE.
10-6 RUIDO DE FUENTE DE PODER Y PORTADORA.
10-7 AISLAMIENTO POR FIBRA ÓPTICA.
10-8 PROTECCIÓN.
10-9 MONITOR DE LÍNEA.
10-10 MEDICIÓN DE TEMPERATURA.
10-11 TRANSMISOR DE TEMPERATURA.
10-12 MONITOR DE VOLTAJE EN BATERÍAS.
10-13 CUESTIONARIO.
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TEMA 10
AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO
10-1 OBJETIVOS.
1. Reconocer la necesidad de aislamiento eléctrico en ciertos equipos biomédicos.
2. Conocer las secciones con que cuenta un amplificador de aislamiento.
3. Ser capaz de utilizar las especificaciones IMR e IMRR en un amplificado de
aislamiento.
4. Ser capaz de describir las formas en que se pueden utilizar diferentes tipos de
barreras en amplificadores de aislamiento.
5. Conocer las ventajas de utilizar amplificadores de aislamiento.
6.- Reconocer las ventajas de utilizar aislamiento por fibra óptica.
10-2 PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN.
Estas preguntas prueban su conocimiento previo del material en este capítulo.
Busque las respuestas a medida que lea el texto.
1. ¿Para que sirve un amplificador de aislamiento?
2. ¿De que tipo pueden ser las barreras en un amplificador de aislamiento?
3. En un amplificador de aislamiento la tierra o común de la sección de entrada debe
estar _______________ ______________ de la tierra o común de la sección de
salida.
4. ¿Porqué un amplificador de aislamiento presenta un mejor rechazo al ruido que el
amplificador de instrumentación?
5. ¿En que forma opera un amplificador de aislamiento por el método modulación por
portadora?
6. ¿Cuales son los 3 propósitos que podemos lograr al utilizar un amplificador de
aislamiento?
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10-3 AMPLIFICADORES DE AISLAMIENTO.
En algunos hospitales los pacientes son susceptibles al riesgo de recibir una
descarga eléctrica. Aun cuando generalmente se cree que voltajes como el 100
VCA, 60-HZ son bastante pequeños para ser considerados ofensivos, bajo ciertas
circunstancias pueden ser letales. Para prevenir una descarga eléctrica accidental
(especialmente en la trayectoria del corazón), los fabricantes de amplificadores
bioeléctricos, especialmente los usados en ECG, utilizan amplificadores de
aislamiento en la trayectoria de conexión al paciente. Esos amplificadores proveen
una impedancia 1012 ohms entre el conector del paciente y la línea de
alimentación de CA. La Figura 10-1 muestra una configuración básica de un
amplificador de aislamiento (iso-amp).
Figura 10-1. Configuración básica de un amplificador de aislamiento
Un amplificador de aislamiento generalmente esta 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.
El amplificador de aislamiento es en realidad un convertidor de energía; la
energía eléctrica a la entrada del modulador es convertida a “algún tipo de energía
no conductiva” en la barrera de aislamiento y posteriormente convertida nuevamente
en energía eléctrica en la salida del demodulador. Esto es todo, ¿Pero que función
realmente realiza el amplificador de aislamiento?
La Figura 10-2 muestra el diagrama simbólico de un amplificador de
aislamiento, este símbolo no esta estandarizado, así que algunos fabricantes usan
variaciones de él en sus diagramas.
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Figura 10-2. Símbolo para un amplificador de aislamiento.
Los amplificadores de aislamiento realmente operan bajo el principio de
atenuación. La alta impedancia de la barrera (>1012 en paralelo con <10 pF) se
presenta en serie entre la entrada y la salida, como se muestra en la Figura 10-3. Por
lo tanto, un voltaje de ruido de modo aislado (IMV) debe ir a través de la alta
resistencia de la barrera antes de que se pueda mezclar con la señal de salida. Así
la mayoría de los voltajes de interferencia o ruido se abaten en su paso a través de la
barrera, añadiéndose muy poco a la señal de salida.
out
Figura 10-3. La reducción de interferencia en un IA es por cancelación. En un
amplificador de aislamiento (iso-amp) se puede considerar como atenuación.
Debido a que la barrera no tiene una impedancia infinita se produce cierto
voltaje, decimos que un voltaje de modo aislado (IMV), que se muestra como Vim en
la barrera, produce un error que aparece en el voltaje de salida, Vout; la Figura 10-4
muestra como se calcula este error. La medida de que tan bien un amplificador
de aislamiento (iso-amp) atenúa o rechaza el voltaje de modo aislado (IMV) es
llamado rechazo al modo aislado (IMR). La razón de rechazo al modo aislado en
V/V se llama IMRR. El IMRR en V/V = log-1 (IMRdB/20), lo cual es lo contrario de de la
ecuación mostrada en la Figura 10-4, IMR en dB = 20 log10(IMRRV/V). El error se
produce en la misma forma que opera la señal de entrada y resulta en un voltaje de
CD o CA añadido a la señal normal.
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Figura 10-4 Error IMR.
Por ejemplo, para un iso-amp comercialmente disponible, si el IMR fuera 120
dB, entonces el IMRR sería 1,000,000 V/V. Si Vim fuera 1000 VCD, el error en la
entrada del iso-amp sería 0.001 VCD ó 1 mV CD, esto produciría un error de 0.1% si
la señal diferencial aplicada fuera de 1 VCD. Si el amplificador de aislamiento tuviera
una ganancia de 10, entonces la señal de salida sería de 10.010 VCD donde se tiene
un error de 10 mV CD (El error sería aún de un 0.1 %). Observe que el error
porcentual sería el mismo ya sea relacionado con la entrada que con la salida.
El amplificador de aislamiento rechaza voltajes de interferencia de bajo nivel
(ya sea de CD o CA) que aparecen a través de la barrera de aislamiento en la misma
forma en que rechaza kilovolts. De hecho, el amplificador de aislamiento es tan
bueno atenuando ruido como atenuando altos voltajes. En contraste, un amplificador
de instrumentación (IA) rechaza voltajes de modo común (CMV) presentes en sus
dos terminales de entrada y lo hace cancelándolos a través de caminos de ganancia
balanceada. La Figura 10-5 muestra una comparación entre el CMR y el IMR.
IMR en un amplificador de aislamiento es también una medida de que tan
bien rechaza interferencia o ruido, lo cual lo hace por atenuación a través de su
barrera de alta impedancia. Si se pudiera reconfigurar un IA para hacer que el
voltaje de modo común (CM) apareciera como de modo aislado (IM) obtendría un
mejor rechazo al ruido, ¿Por qué? Porque el rechazo al modo aislado (IMR) en un
amplificador de aislamiento es mayor (125 dB) que el CMR en un amplificador
de instrumentación (105 dB). Es la forma en que están construidos lo que hace la
diferencia.
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Figura 10-5 CMR contra IMR.
Algunas veces un amplificador de aislamiento puede tener ruido de modo común
(CM) en sus entradas así como ruido IM a través de la barrera, como se muestra en la
figura 10-6.
Conclusión: un Iso-amp hace un mejor trabajo rechazando ruido porque IMRISO > CMRIA
Figura 10-6. Un amplificador de aislamiento (iso-amp) puede tener ruido en
modo común (CM) en sus entradas así como ruido de modo aislado (IM) a
través de la barrera.
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Vcm es ruido en las dos entradas con respecto a común de la entrada, en tanto
que el Vim es ruido en la entrada con respecto al común de la salida (a través de la
barrera). Finalmente ambos son voltajes de modo aislado en relación a su efecto en
la salida, así tenemos:
Vout = Ganancia (Vseñal +
Vcm + Vim
)
IMRR
(10-1)
En conclusión, los amplificadores de aislamiento cumplen con 3 propósitos:
1.- Rompe lazos de tierra (común) permitiendo interfasear
circuitos incompatibles.
2.- Amplifica señales y atenúa el ruido.
3.- Evita que altos voltajes puedan producir daño a personas,
circuitos y equipos.
En el diseño y fabricación de amplificadores de aislamiento se tiene diferentes
técnicas: Energizados por baterías (battery powered), modulados con portadora
(carrier), por acoplamiento óptico (optical coupled) y por carga de corriente
(current loading).
Energizados por baterías.
Esta técnica es quizás la más fácil de implementar, pero no siempre es la más
adecuada para el usuario debido a los problemas inherentes de mantenimiento de
las baterías. Sin embargo hay algunos productos disponibles, donde el amplificador
de aislamiento presenta la opción de energizarlo mediante un adaptador de CA y
utiliza baterías recargables. Cuando no esta en operación las baterías están en
modo de carga y en operación se energiza mediante las baterías. Esta configuración
es muy utilizada en computadoras de salida cardiovascular.
Este tipo de amplificador de aislamiento es idéntico al que recibe energía
mediante una fuente de poder alimentada por corriente alterna, su única diferencia
es que la energía para su operación proviene de un paquete baterías.
Este tipo de amplificador debe ser usado en forma integral en la aplicación y si
sus entradas o salidas van a conectarse a otro instrumento o equipo (tal como
osciloscopio, graficador, medidor, etc.) entonces se tendrá que utilizar
adicionalmente alguna técnica de aislamiento en estos equipos.
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Modulado por portadora (carrier).
La Figura 10-7a muestra un amplificador de aislamiento que utiliza la técnica
de modulación por portadora (carrier). La parte del circuito dentro de las líneas
punteadas esta aislado de la alimentación principal de CA así como del resto del
circuito que esta conectado a esa alimentación. En la mayoría de los casos la
ganancia de voltaje de la sección de aislamiento esta en el rango de ganancias
medias (x10 a x500).
Figura 10-7a. Amplificador de aislamiento tipo modulación por portadora.
El aislamiento es provisto mediante la separación de las trayectorias de tierra,
fuerza (voltajes de alimentación a circuitos) y señal mediante los transformadores T1
y T2. Estos transformadores cuentan con un material en su núcleo que es muy poco
eficiente a 60 Hz pero que opera bien en el rango de 20 a 250 kHz y esta
característica les permite pasar fácilmente la señal portadora y rechaza cualesquier
energía de 60 Hz que pudiera estar presente. Casi todos los modelos de
amplificadores de aislamiento de este tipo utilizan una portadora con una frecuencia
en el rango de 50 a 60 kHz, aún cuando hay algunos que operan a cualesquier
frecuencia en el rango de 20 a 250 kHz.
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El acoplamiento del oscilador de señal de la portadora a la etapa aislada se
hace a través del transformador T1. Parte de la energía en el secundario de T1 va a
la etapa de modulación y el resto es rectificado y filtrado para utilizarse como una
fuente de poder de CD aislada cuya salida energiza los amplificadores de entrada y
las etapas de modulación.
La señal analógica aplicada a la entrada es amplificada por A1 y entonces
aplicada a una de las entradas de la etapa de modulación, esta etapa modula la
amplitud de la señal en la portadora. El transformador T2 acopla la señal modulada
con la entrada a la etapa de demodulación en el lado no aislado del circuito. Se
puede utilizar modulación de envolvente o modulación sincrónica. Finalmente los
amplificadores de CD a la salida del demodulador completan el procesamiento de
señal.
La figura 10-7b muestra un ejemplo de circuito demodulador sincrónico, cuya
operación esta basada en una acción de conmutación (switching). Aún cuando el
circuito utiliza transistores bipolares PNP como interruptores electrónicos, otros
utilizan interruptores analógicos CMOS o transistores FET.
Figura 10-7b. Demodulador sincrónico.
La señal del modulador tiene una frecuencia de 50 kHz (que pudiera ser de
250 kHz o de hasta 500 kHz) y esta modulada en amplitud con la señal proveniente
de la etapa de modulación a través del transistor T2. Esta señal es aplicada a los
emisores de los transistores Q1 y Q2 (a través de T1) en una configuración push pull.
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En un semiciclo el emisor de Q1 será positivo con respecto a Q2 y en el
siguiente semiciclo ocurre lo opuesto, el emisor de Q2 será positivo con respecto a
Q1. Las bases de Q1 y Q2 son activadas por la señal portadora de 50 kHz, o señal de
referencia. Esta acción hace que Q1 y Q2 conmuten entre conducción y bloqueo,
pero fuera de fase entre ellas. En un semiciclo se tendrán las polaridades mostradas
en la Figura 10-47b. El transistor Q1 esta en conducción y Q2 en bloqueo, En esta
condición el punto A de T1 se aterriza, así, el voltaje que aparece a través de la
resistencia de carga R4 será positivo con respecto a tierra.
En el siguiente semiciclo, Q2 entra en conducción y ahora el punto B se
aterriza, pero como ahora la polaridad se ha invertido, la polaridad en R4 se
mantendrá positiva. Esto producirá que aparezca una forma de onda completa a
través de R4, la cual al ser filtrada se convierte en una señal de voltaje de CD cuyo
nivel es proporcional a la amplitud de entrada del amplificador de aislamiento.
Una variante de este circuito reemplaza el modulador por un oscilador
controlado por voltaje (VCO) y en esta forma se modula en frecuencia la señal de
entrada, aún cuando aun se requiere la señal de portadora para la fuente de poder,
la señal se recobra en el lado no aislado mediante un detector de fase, un lazo de
enganche de fase (PLL) o un detector de pulsos.
Acoplamiento Óptico.
Los optoacopladores (optocouplers), también llamados optoaisladores
(optoisolators), algunas veces se utilizan para proveer aislamiento. En sus primeros
diseños los optoaisladores fueron diseñados en tarjetas con diodos emisores de luz
(leds) instalados en un extremo de un tubo opaco y en el otro extremo se instalaba
una fotorresistencia o un fototransistor. En diseños modernos, optoaisladores en IC,
tanto el led como el fototransistor se encuentran dentro del empaque DIP (dual in line
package) IC (chip).
Actualmente hay diferentes técnicas de acoplamiento óptico, dos de las más
populares son el método de modulación por portadora y el método directo. El
método de modulación por portadora es el mismo visto en la sección anterior, sólo
que el transformador T2 es reemplazado por optoaislador. El método de modulación
por portadora (carrier) no ha sido ampliamente usado en amplificadores de
aislamiento por acoplamiento óptico debido a las limitaciones de frecuencia a la
respuesta de los optoaisladores, limitaciones que han sido resueltas hasta fechas
recientes.
Una técnica más utilizada se muestra en la Figura 10-8, este circuito utiliza el
mismo convertidor CD a CD para proveer energía a las etapas aisladas, tal como en
otros diseños, esto mantiene a A1 aislado de la alimentación de CA, pero no es
utilizado en el proceso de acoplamiento de señal.
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Figura 10-8 Amplificador de aislamiento por acoplamiento óptico
El LED, en el optoaislador, es controlado por la salida del amplificador A1. El
transistor Q1 sirve como un amplificador de corriente que permite variar la intensidad
de la luz del LED en forma proporcional al nivel de señal analógica a la entrada (y
salida) de A1. El transistor Q1 pasa suficiente corriente de polarización (bias) a
través del colector hacia el LED para operarlo en la parte lineal de su curva
característica (corriente vs. intensidad de luz).
La salida del fototransistor, si la señal varía suficientemente rápido, pudiera
tener acoplamiento de CA a los siguientes amplificadores de la sección no aislada y
de esta forma eliminar el corrimiento (offset) producido por la corriente de
polarización del LED.
Carga de corriente.
En los primeros monitores portátiles Tektronix se utilizó la técnica de
aislamiento por carga de corriente (current loading). La Figura 10-9 muestra un
diagrama esquemático simplificado, observe que no hay un camino de acoplamiento
obvio para la señal entre los lados aislado y no aislado del circuito.
El circuito de entrada, con un nivel de amplificación de 24 consiste de FET
dual (Q1) y un amplificador operacional A1. El transistor FET dual mejora las
características de impedancia de entrada del amplificador operacional.
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Figura 10-9 Amplificador de aislamiento tipo carga de corriente.
La salida de A1 está conectada al voltaje aislado Vee´ (a -10 VCD a través de
la resistencia R7). Esta fuente de poder es un convertidor CD a CD operando a 250
kHz. El transformador T1 provee el aislamiento entre la fuente de poder flotante en el
lado aislado y la fuente de poder principal en el lado no aislado.
La señal de entrada (por ejemplo la señal de ECG) produce que la salida de
A1, a través de R7, varíe la carga en la fuente de poder flotante (B1/C1/C2).
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El cambio en la carga de la fuente de poder flotante proporcional a la señal
analógica de entrada produce una variación en el primario del transformador T1 que
también es proporcional a la señal analógica de entrada. Esta variación en la
corriente es convertida por el amplificador A2 en una forma de onda de voltaje. En el
circuito de A2 se tiene un control de cancelación de corrimiento (offset null) mediante
R11 con el propósito de eliminar el corrimiento en la salida producido por la corriente
que fluye por el transformador cuando la señal de entrada es cero. En este caso, la
carga de corriente es constante.
Habiendo cubierto los principios básicos de los amplificadores de aislamiento,
veamos en que forma se implementan con algunos componentes comercialmente
disponibles.
10-4 APLICACIONES.
Caso 1: ISO100.
La figura 10-10 muestra un amplificador de aislamiento por acoplamiento
óptico, en un solo paquete dip (dual in line package) de 18 pines. Este componente
acepta una entrada de corriente producida por una fuente de voltaje a través de la
resistencia Rin y produce, a través de una barrera de aislamiento, una salida de
voltaje.
Figura 10-10. Amplificador de aislamiento por acoplamiento óptico en un solo
empaque, ISO100.
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Observe que existen dos trayectorias ópticas, una pasa a través de la barrera
desde el LED hacia el fotodiodo detector de luz en la etapa de salida; la otra
trayectoria es una retroalimentación negativa desde el LED hacia el fotodiodo en la
sección de entrada. Este último fotodiodo linealiza la respuesta del LED en la etapa
de entrada, ya que normalmente es una curva; esto es, la cantidad de luz que emite
el LED no se duplica cuando se duplica el voltaje aplicado. Así, las dos trayectorias
realmente operan en forma de una razón o relación y adicionalmente mantiene la
exactitud a la lenta pérdida de luz por parte del LED debido a su envejecimiento.
La función de transferencia (Vout/Iin) depende del acoplamiento óptico en lugar
del comportamiento óptico absoluto (LED a fotodiodo). El corte con láser de estos
semiconductores mejora el acoplamiento y su exactitud. Las fuentes de corriente en
las secciones de entrada y salida se utilizan para producir un corrimiento y en esta
forma permitir la operación bipolar (con entradas positivas y negativas con respecto a
tierra o común). Esto es necesario porque los LEDs y fotodiodos presentan una
característica inherentemente unipolar, esto es, no hay un led emisor de oscuridad.
La barrera de aislamiento para este componente se prueba a 2,500 VCD y se
especifica a 750 VCD. Muchos estándares, tales como los de la AAMI (Association
for the Advancement of Medical Instrumentation), la UL (Underwriters Laboratorios) y
la IEC (International Electrotechnical Commission) recomiendan que las pruebas se
realicen a dos veces el voltaje de especificación más 1,000 volts.
Algunas aplicaciones biomédicas, tales como los equipos ECG protegidos
contra desfibriladores, requieren capacidades de voltajes tan altas como 5,000 VCD.
Sin embargo, algunos pueden operar con especificaciones menores, tales como los
electroencefalógrafos (EEG, ondas cerebrales) y los monitores de frecuencia
cardiaca industriales y caseros; en estos casos operan bien componentes de
acoplamiento óptico como el mostrado en la Figura 10-50 donde se tiene una
corriente de fuga de 0.15 μA a 120 Vrms, aún cuando su especificación de barrera de
aislamiento es de solo 750 VCD.
Para cumplir los estándares AAMI, UL544 e IEC601 se requiere que la
corriente de fuga a través de los pacientes se limite a menos de 10 μA en
cualesquier condición.
Caso 2: ISO212.
La Figura 10-11 muestra otro amplificador de aislamiento comercialmente
disponible, el cual es un dispositivo con acoplamiento mediante transformador, el
cual contiene una trayectoria de señal y una fuente de poder aislada interna. Este
componente se presenta en un empaque SIL (Single in-line). Decimos que este
amplificador de aislamiento es auto alimentado porque tiene su propio oscilador de
25 kHz, puente rectificador y filtro de capacitores; y además provee, en una
capacidad limitada, voltajes de alimentación en el lado aislado.
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Figura 10-11. Amplificador de aislamiento por acoplamiento mediante
transformador, ISO212.
La señal pasa a través de la barrera en la siguiente forma:
El amplificador operacional de entrada envía una señal al modulador de
amplitud (AM) que alimenta un transformador; en el otro lado de la barrera de
aislamiento, se demodula sincrónicamente para minimizar el ruido y la interferencia.
Este amplificador de aislamiento esta especificado para 750 Vrms continuos a 60 Hz
y presenta una corriente de fuga de 1 μA a 120 Vrms. Este amplificador esta
orientado a aplicaciones médicas e industriales de bajo voltaje, en las cuales se
requiera, por seguridad del paciente o del operador, una baja corriente de fuga.
Caso 3: ISO121.
Cuando los circuitos electrónico médicos operan en conjunto con equipos que
producen altos voltajes, tal como desfibriladores, las barreras de aislamiento se
diseñan en forma especial. La barrera de aislamiento de modernos amplificadores
de aislamiento, tal como el mostrado en la Figura 10-12, esta formada por
capacitores de cerámica para alto voltaje, los cuales han sido probados a 7,900 volts
de pico y están especificados para operación continua a 5,000 volts de pico.
Utiliza dos capacitores de 1 pF formados por tungsteno depositado en
cerámica verde y forma parte del empaque final del circuito. De hecho, la electrónica
y capacitores vienen en un empaque sellado DIP de 40 pins, esto hace al circuito
inmune a la humedad y aumenta su confiabilidad.
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En la etapa de entrada es primeramente modulada mediante técnica PWM,
posteriormente manipulada para formar pulsos de fase opuesta y finalmente
transmitida digitalmente a través de la barrera. Los capacitores esencialmente
derivan los cambios de señal y forman picos (spikes). La clave para recobrar la
señal digital es amplificar en forma diferencial estos delgados picos, lo cual es hecho
por el amplificador de sensado (sense), el cual envía la señal al demodulador de
salida. El demodulador es solo un filtro paso bajo con un amplificador muestreadormantenedor (simple-hold) en retroalimentación para disminuir el rizado (ripple).
Figura 10-12. Amplificador de aislamiento con barrera por capacitores
diferenciales ISO121.
Debido a que la modulación es digital, las características de la barrera no
afectan la integridad de la señal, lo cual resulta en una buena inmunidad a través de
la barrera a transitorios de alta frecuencia, lo cual es importante en el rechazo a ruido
de alta frecuencia de modo aislado.
Una consideración importante en amplificadores de aislamiento es el efecto de
la frecuencia en el rechazo de modo aislado. La Figura 10-13 muestra que, para el
amplificador de la Figura 10-52, el IMR a 1 Hz es 150 dB y a 60 Hz es de 115 dB.
Esto significa que una señal senoidal de 60 Hz que aparece a la entrada será
atenuada a la salida 562,000 veces (1/log-1(115/20)). Recuerde que IMR = 20 log10
(Viso (60 Hz)/Vout (60 Hz)) ó IMR = 20 log10 (Vout(60 Hz)/Viso (60 Hz)). Solamente pasa el 0.0002
% de 60 Hz. Pero, ¿Qué pasa a frecuencias más altas? La mayoría de los
amplificadores de aislamiento fugan mucho debido a la naturaleza capacitiva
de la barrera. Debido a esto los componentes en la Figura 10-12 están hechos con
muy baja capacitancia (2 pF en total).
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Figura 10-13. Efecto de la frecuencia en el rechazo al modo aislado en el ISO121.
De la curva de comportamiento típica mostrada en la Figura 10-13 podemos
encontrar que el IMR a 10 kHz es 70 dB y a 300 kHz es de 40 dB, lo cual, aunque es
suficientemente bueno, no es suficiente para rechazar interferencia de equipos de
electrocirugía (ESU), las cuales operan desde algunos Mhz hasta 10 Mhz. En estos
casos se tienen que utilizar otras técnicas de rechazo para eliminar el ruido de ESU,
tanto en la etapa de entrada como con filtrado en la barrera.
10-5 PRUEBA CON ALTO VOLTAJE.
El rechazo al ruido es una consideración importante en amplificadores de
aislamiento; sin embargo, aún más importante es su prueba con alto voltaje. La
especificación de voltaje de aislamiento describe el voltaje que el dispositivo
puede en forma confiable soportar por grandes períodos de tiempo.
Generalmente los amplificadores de aislamiento bajo prueba son sometidos a
primeramente a altos voltaje (mayores al de especificación) por períodos cortos y
posteriormente, en operación, a su voltaje de especificación por un largo período de
tiempo. Si el amplificador de aislamiento sobrevive, es bueno.
Un nuevo método que ha sido establecido en la industria para asegurar una
mayor confiabilidad en la barrera es llamado prueba de descarga parcial. Se revisa
por daños microscópicos internos en la barrera; estos defectos presentan ionización
cuando se exponen a altos voltajes (HV). Esto es, los intensos campos eléctricos en
la barrera permiten, en un cierto punto, un flujo de cargas (a este punto se le llama
voltaje de intercepción), en este punto la resistencia de la barrera se reduce. A
medida que el voltaje decrece, se reduce el flujo de cargas hasta que cesa, a lo cual
se le llama voltaje de extinción. Esta acción de redistribución de cargas es llamada
descarga parcial.
Actualmente, equipos especializados de producción pueden probar por
descarga bajo condiciones de alto voltaje. Primeramente se conduce una prueba a
capacidad de voltaje nominal durante 1 segundo para revisar la corriente de fuga.
En seguida se realiza otra prueba a 1.6 la capacidad de voltaje nominal para revisar
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descarga parcial (de acuerdo al estándar alemán VDE 0884), lo cual toma en
consideración la razón de voltaje transitorio a voltaje continuo.
Si la descarga parcial es menor a 5 pF, la integridad de la barrera es buena.
De hecho, esta es la mejor prueba debido a que asegura que la barrera no ha sido
dañada por una descarga parcial excesiva (el 100 % de los amplificadores de
aislamiento mostrado en la Figura 10-12 han sido probados por la técnica de
descarga parcial).
10-6 RUIDO DE FUENTE DE PODER Y PORTADORA.
Otra consideración importante en sistemas aislados es el ruido que introduce
la fuente de poder y la reducción de rizado de la portadora. La Figura 10-14 muestra
como un filtro L-C tipo π en la entrada de voltaje de la fuente de poder atenúa el
ruido antes de que entre al amplificador de aislamiento. Este ruido realmente viene
del oscilador de la fuente de poder switching, que forma parte del convertidor CD a
CD. En tanto la frecuencia sea mucho mayor a, digamos, la componente de la señal
fisiológica de 100 Hz, puede ser filtrada dentro del amplificador de aislamiento.
Figura 10-14. Filtro π para minimizar ruido de la fuente de poder y filtro de
salida de dos polos para quitar rizado de 500 kHz.
Ahora, ¿Qué hay del ruido de la portadora? Observe el filtro activo formado
con un amplificador operacional en la etapa de salida, este filtro quita el ruido
asociado con la frecuencia portadora, la cual es parte de esquema de modulación
dentro del amplificador de aislamiento. Mantener el ruido bajo en amplificadores de
aislamiento, como puede ver, es una batalla que nunca termina.
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10-7 AISLAMIENTO POR FIBRA ÓPTICA.
Hasta ahora hemos cubierto amplificadores de aislamiento en paquete integral
(sencillo) que operan con barreras de aislamiento óptica, magnética y capacitiva.
Hay otra técnica de aislamiento, la cual realmente es la mejor, el aislamiento por fibra
óptica, como la mostrada en la Figura 10-15.
Figura 10-15 Amplificador de aislamiento por fibra óptica que utiliza un
convertidor voltaje a frecuencia para eliminar el ruido de la fuente de poder y el
acoplamiento de ruido.
En este caso, un transductor o quizás una señal de cuerpo humano, es
amplificada por un amplificador de instrumentación (IA) y luego aplicado a un
convertidor de voltaje a frecuencia (VFC). En esta forma ahora se tiene la señal de
información contenida en forma de una señal modulada en frecuencia y los valores
reales de voltaje ahora son digitales, lo cual es perfecto para transmisión óptica.
Pero ahora, el transmisor de fibra óptica (FOT) energiza un LED y envía la luz a
través de un cable de fibra óptica.
Debido a que el vidrio o el plástico solo responden a la luz, no son
susceptibles a interferencia electromagnética (EMI), además pueden bloquear
cientos de miles de volts, proveyendo el mejor aislamiento imaginable. Por
otra parte, se convierten en un magnífico sistema de seguridad, pues no se
pueden lograr fácilmente derivaciones (taps donde robar señal) en los cables
de fibra óptica.
El receptor de fibra óptica (FOR) recobra, a partir de pulsos de luz, la señal
eléctrica digital y la envía a un contador, el cual la convierte en una palabra digital
de, digamos, 12 bits. Este sistema es realmente un convertidor de analógico a digital
(A/D), el cual ha sido partido en una porción transmisora y una porción de
recuperación con aislamiento entre estas dos etapas. Su desventaja es que el
convertidor de voltaje a frecuencia (VFC) opera relativamente lento (< 100 kHz) y por
lo tanto, toma varios milisegundos completar la conversión A/D.
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Otra forma de transmitir una señal aislada después de que ha sido digitalizada
es utilizar un MODEM de fibra óptica de distancia limitada. Un MODEM (dispositivo
modulador demodulador) utiliza un protocolo estándar para enviar y recibir datos
digitales. En este caso, los conectores de Transmitir (T) y Recibir (R) aceptan cables
de fibra óptica, Este MODEM particular es alimentado por un puerto RS-232 y
provee un rechazo completo a EMI/RFI, eliminación de lazos de tierra, recuperación
de errores y seguridad.
10-8 PROTECCIÓN.
Como hemos mostrado, pueden ser varias las causas de la necesidad de
aislamiento, muchos amplificadores de aislamiento utilizan aislamiento para
proteger al paciente, otros, para proteger operadores y equipo caro.
La Figura 10-16 muestra un amplificador bioeléctrico ECG aislado. Note que
los tubos de gas neón NE2H, resistencias en serie y diodos limitadores
protegen al amplificador de instrumentación (IA) de altos voltajes de desfibrilación de
hasta 5,000 volts de pico. Esta protección no es parte del aislamiento, previene
que altos voltajes dañen la electrónica que está del lado del paciente, observe
que limita las señales referidas al común de entrada, no al común de salida. Antes
de revisar como opera el aislamiento en este caso, veamos las características de
interfaseo del ECG.
Figura 10-16 Amplificador ECG que recibe señal de pierna derecha con
protección de desfibrilación y señal de calibración.
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El amplificador de instrumentación (IA) mostrado, comercialmente disponible,
aplica un voltaje interno de modo común de 60 Hz al amplificador inversor que
envía la señal a la pierna derecha del paciente. Esto opera como un lazo de
retroalimentación (paciente y electrónica) para hacer el ruido de modo común en
el paciente se reduzca a un bajo nivel. En tanto que el ruido de 60 Hz en los
brazos izquierdo y derecho se incrementan en relación a la pierna derecha, el ruido
en las terminales de entrada del IA (pines 15 y 14) se reducirá. Así, el IA no tendrá
que atenuar tanto ruido, y su CMR reducirá aún más el ruido de 60 Hz.
Recuerde que la impedancia de la barrera de aislamiento es la combinación
en paralelo del amplificador de aislamiento y el convertidor CD a CD aislado. Así, el
aislamiento opera atenuando el ruido (digamos 1 Vp-p) que esta tratando de
mezclarse con la señal de bajo nivel de entrada ECG (digamos 1 mVp-p).
En esta forma, tres acciones reducen dramáticamente el ruido de 60 Hz: la
señal en la pierna derecha, el CMR del amplificador de instrumentación (IA) y el
IMR del amplificador de aislamiento. Posterior al amplificador de aislamiento, un
filtro paso bajo o un filtro de rechazo de banda (notch filter) de 60 Hz termina
eliminando el ruido de 60 Hz.
Este circuito tiene acoplamiento para CD y presenta una alta ganancia de
1000 V/V, trabaja solo si el corrimiento en los electrodos es bajo (< 10 mV) para
evitar saturación en la salida del amplificador de instrumentación (IA).
La
restauración, permite tolerar corrimientos de voltaje mucho mayores.
Recuerde que esta presentación esta dedicada a explicar los usos del
aislamiento en ambientes médicos, así que ¿el único propósito del aislamiento es
reducir la inducción de ruido de 60 Hz en el ejemplo ECG de la Figura 10-16?
La respuesta es no. El amplificador de aislamiento también está para proteger los
circuitos semiconductores conectados a su etapa de salida cuando se aplica un
pulso de alto voltaje para desfibrilación del paciente.
Realmente la mayoría de las veces el alto voltaje no aparece en la barrera del
amplificador de aislamiento, solo se presenta cuando, digamos, el paciente
accidentalmente hace contacto con tierra. Por ejemplo, el paciente, yaciendo en una
cama controlada eléctricamente, entra en contacto, mediante su brazo o mano, con
los rieles de sujeción metálicos laterales, el pulso de desfibrilación aparecerá
directamente en el amplificador de aislamiento. En esta circunstancia, la barrera de
aislamiento debe ser capaz de detener cerca de 5000 volts de pico.
Afortunadamente la barrera es de muy alta impedancia comparada con las
impedancias de la fuente y carga y producirá una gran caída de voltaje, por lo que
será muy pequeño su efecto sobre la etapa de salida y otros circuitos conectados a
esa etapa. En este caso el aislamiento evita daño a los circuitos electrónicos y
no tiene nada que ver con proteger al paciente de una descarga. Después de
todo, la desfibrilación es la descarga eléctrica intencional aplicada al paciente para
salir de un estado de fibrilación de su corazón.
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10-9 MONITOR DE LÍNEA.
¿Hay otros tipos de aplicaciones de amplificadores que utilizan aislamiento en
el ambiente hospitalario? Pudieran no ser estrictamente amplificadores bioeléctricos,
pero pudieran amplificar señales mientras protegen a los operadores de los
equipos, personal médico y máquinas caras como computadoras dedicadas.
Uno de estos circuitos aislados es el mostrado en la Figura 10-17, el cual es un
monitor aislado de las líneas de energía de alimentación.
Figura 10-17 Monitor aislado de líneas de energía de alimentación.
Un amplificador de instrumentación mide un pequeño voltaje que se presenta
a través de una resistencia de potencia de 5 mΩ, este voltaje representa la corriente
del transformador de potencia trifásico conectado en estrella utilizado
frecuentemente en hospitales.
El amplificador de instrumentación FET de baja corriente de polarización hace
un filtro paso bajo con resistencias grandes y un capacitor de valor bajo, pero ¿Para
que se utiliza aislamiento en esta aplicación? La respuesta es: para reducción de
ruido y protección en condiciones de falla.
El amplificador de aislamiento aísla y atenúa la ruidosa tierra del
transformador de potencia de, digamos, la tierra de computadoras y otros equipos de
instrumentación. Si se digitalizara la salida del amplificador de aislamiento, una
computadora pudiera monitorear en forma continua la corriente de carga del
transformador. Si la resistencia de potencia de 5 mΩ se quemara y abriera, los 120
VCA del voltaje de fase no pasaría al equipo de monitoreo o a una persona que
tocara la salida. Este aislamiento reduce ruido para tener mediciones limpias y
protege a persona y equipos de una descarga en situaciones de falla.
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10-10 MEDICIÓN DE TEMPERATURA.
Algunos ejemplos más reafirmarán la aplicación y ventajas del aislamiento. En
la Figura 10-18 se utiliza un termopar para medición (y posiblemente control) de
temperatura en, por ejemplo, un horno médico, una autoclave (esterilizador), una
caldera o un boiler.
Figura 10-18 Amplificador de señal de termopar con eliminación de lazo de
tierra, compensación de unión fría y detección por termopar abierto.
Primero veamos las características de interfaseo y posteriormente
examinemos porque se usa aislamiento. Un termopar es un dispositivo hecho con
dos alambres de metales diferentes unidos en uno de los extremos, el cual produce
un pequeño voltaje (en el orden de mV) en respuesta a un gradiente de temperatura
en el punto de unión.
La siguiente tabla muestra, para los termopares E, J, K y T, los materiales
utilizados, que tanto voltaje producen y su rango útil de operación.
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Una vez más, se utiliza un clásico amplificador de instrumentación (IA) para
amplificar la diferencia entre el voltaje del termopar y el voltaje del diodo montado en
un bloque isotérmico. Esta técnica es llamada compensación de unión fría y el
diodo establece una referencia al punto de hielo o 0 °C.
El voltaje en el diodo cambia con la temperatura del medio ambiente y por lo
tanto compensa por cambios de la temperatura ambiente en el amplificador
electrónico. No importa que cambio presente la temperatura ambiente, o cual sea su
causa, el termopar siempre tomará la medición relativa a 0 °C.
Ahora, ¿Cuál es el propósito del aislamiento? Simplemente rompe el lazo
de tierra parar reducir interferencia que pudiera dañar la medición sensible de bajo
nivel de temperatura. Aún cuando no hay altos voltajes presentes, el termopar
pudiera estar adherido a la resistencia metálica calefactora o a la superficie
calentada (que estarían aterrizadas).
Esta tierra pudiera ser muy ruidosa (también llamada sucia) en relación a la
tierra del amplificador de instrumentación. Esto es, puede estar pasando una alta
corriente (o picos de corriente) a través del punto donde esta colocado el termopar,
esto produciría un lazo de tierra que introduciría el voltaje de la tierra sucia a la
entrada del amplificador, así el ruido se mezclaría con la pequeña señal del
termopar. Con esto, el amplificador de aislamiento, con su alta impedancia,
previene que el ruido interfiera con la señal de entrada diferencial en el orden
de milivolts.
Si el termopar se abre, la salida del amplificador de instrumentación se irá a
saturación positiva, alrededor de + 12 VCD. Esto es llamado saturación por
termopar abierto (up scale burnout). El aislamiento realmente no tiene nada que
ver con la apertura del termopar, pero el amplificador de aislamiento pasa una señal
de saturación (fuera de rango) para detectar esa condición.
10-11 TRANSMISOR DE TEMPERATURA.
Este otro ejemplo muestra una forma especial de transmitir mediciones
aisladas de temperatura a distancias grandes, es conocido como lazo de corriente
aislado de 4 mA a 20 mA y se presenta en la Figura 10-19.
Como ya se mostró en un caso anterior, el lazo de corriente presenta mejor
inmunidad al ruido (al enviar señales a grandes distancias) que enviar señales en
forma de voltaje. Se puede utilizar el lazo de corriente sin aislamiento, pero cuando
se añade aislamiento la magnitud del ruido se reduce aún más. En un ambiente
hospitalario eléctricamente ruidoso, esta pudiera se la forma de, económicamente,
realizar un monitoreo de temperatura en forma remota; de otra forma se tendrían que
utilizar cables torcidos blindados y tubería conduit especial.
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En la Figura 10-19 un RTD (Resistor Temperature Device) mide la
temperatura en la superficie de, digamos, una incubadora o un cuarto en un hospital.
El transmisor de 4 a 20 mA (comercialmente disponible) XTR101 convierte el voltaje
en una señal de corriente que circula por un par torcido (lazo de 2 alambres) hacia el
receptor. En el receptor, la corriente de 4 mA que representa la temperatura mínima
y 20 mA la temperatura máxima, es convertida nuevamente a voltaje y aplicada al
amplificador de aislamiento.
Figura 10-19 Lazo de corriente aislado 4 mA a 20 mA utilizando un RTD.
El transmisor tiene dos fuentes de corriente de 1 mA, una excita el transductor
y produce una caída de voltaje a través de la resistencia del RTD; cuando la
temperatura varía, la resistencia del RTD cambia, su caída de voltaje cambia, lo cual
es amplificado y convertido a corriente por el XTR101. La otra fuente de corriente
provee una referencia diferencial contra el RTD.
Observe que no hay fuente de poder en el sitio remoto donde esta el RTD,
la energía es aplicada a través del cable del lazo de corriente. De hecho, el lazo
transmite energía en una dirección y entrega señal en la otra dirección sobre el
mismo par de cables. Realmente la corriente de la fuente de poder es la que cambia
en respuesta a los cambios de temperatura. Estos circuitos aislados son los que
están permitiendo, en sistemas biomédicos modernos, tener un mejor desempeño
en mediciones importantes de temperatura.
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10-12 MONITOR DE VOLTAJE EN BATERÍAS.
A continuación se presenta un último ejemplo de aislamiento donde realmente
no se abre o rompe un lazo de tierra, donde solo se añade una resistencia moderada
en serie. Podemos decir que cuando hay una resistencia muy grande entre dos
puntos de un circuito ellos están aislados, pero esto es solo en cierto grado. Los
circuitos mostrados en la Figura 10-20 indican este caso.
Ahí, un componente comercialmente disponible (INA117) toma una medición
diferencial, pero sus puntos de referencia (pines 1 y 5) están a 400 kΩ de
cualesquier entrada (pines 2 y 3). Como los semiconductores típicos pueden operar
hasta 20 volts antes de llegar a ruptura, se tiene que hacer algo especial para operar
con 200 volts. En este caso lo que se hace es lo siguiente:
Los circuitos de la Figura 10-20 primeramente atenúan el voltaje de modo
común a las entradas en un factor de 20, por lo que 200 volts se reducen a un
aceptable 10 volts. Entonces, ya con el voltaje reducido, la diferencia es amplificada
en un factor de 20; el resultado es un amplificador diferencial con una característica
particular: una resistencia de entrada de 400 kΩ, el circuito opera señales
diferenciales en el orden de 10 volts superpuestas a un voltaje cuyo máximo sería de
200 volts.
¿Los circuitos de la Figura 10-20 reemplazan los amplificadores de
aislamiento? La respuesta es: algunas veces. En el caso de aplicaciones en ECG
no hay circuitos disponibles para obtener suficiente resistencia de aislamiento, pero
son excelentes en aplicaciones como el monitoreo de celdas de baterías.
En este caso se utilizan fuentes de poder de + 200 volts y – 200 volts para
cargar, por ejemplo, 30 baterías de ácido de plomo de 12 volts. Sus aplicaciones
varían de fuentes de poder para equipos de rayos X portátiles a fuentes de energía
de emergencia para áreas como quirófanos o unidades de cuidados intensivos. Las
celdas de baterías cercanas al nivel de tierra no requieren un amplificador diferencial
con ruptura para 200 volts, pero las baterías cercanas a los extremos requerirán
algún tipo de amplificador, como el utilizado en este caso.
Finalmente, en el circuito, mediante un multiplexer se puede seleccionar
cualesquier canal, monitoreando en esta forma una batería en particular, conducir su
señal a un convertidor A/D y así, digitalizada, enviarla a una computadora para su
registro o alarma.
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Figura 10-20 Monitor de voltaje en baterías.
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10-13 CUESTIONARIO.
1.- En los equipos de ECG, ¿Qué impedancia proveen los amplificadores entre
los cables de conexión al paciente y la línea de alimentación de CA?
Proveen una impedancia 1012 ohms entre el conector del paciente y la línea
de alimentación de CA.
2.- Dibuje la configuración básica de un amplificador de aislamiento.
3.- Diga cuales son las secciones que integran un amplificador de aislamiento.
Un amplificador de aislamiento esta compuesto por un amplificador de
entrada, algún tipo de modulador, una barrera de aislamiento, un demodulador y un
amplificador a la salida.
4.- ¿De que tipo pueden ser las barreras en un amplificador de aislamiento?
Las barreras de aislamiento pueden ser ópticas,
transformador), capacitivas e incluso transferencia de calor.
magnéticas
(tipo
5.- ¿Qué resistencia debe de haber entre la tierra o común de la entrada y la de
la salida en un amplificador de aislamiento?
La terminal de tierra o común entre la entrada y salida están eléctricamente
aisladas en el orden de cientos a miles de millones de ohms.
6.- Dibuje el símbolo de un amplificador de aislamiento.
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7.- ¿En que forma un amplificador de aislamiento atenúa las señales de ruido o
interferencia?
Los amplificadores de aislamiento operan bajo el principio de atenuación. La
alta impedancia de la barrera (>1012 en paralelo con <10 pF) se presenta en serie
entre la entrada y la salida, por lo que un voltaje de ruido debe ir a través de la alta
resistencia de la barrera antes de que se pueda mezclar con la señal de salida. Así
la los voltajes de interferencia o ruido se abaten en su paso a través de la barrera,
añadiéndose muy poco a la señal de salida.
8.- ¿En que forma se denomina la medida de que tan bien un amplificador de
aislamiento atenúa o rechaza el voltaje de modo aislado?
La medida de que tan bien un amplificador de aislamiento (iso-amp) atenúa o
rechaza el voltaje de modo aislado (IMV) es llamado rechazo al modo aislado (IMR).
9.- ¿En qué forma se relaciona el IMR y el IMRR?
La razón de rechazo al modo aislado en V/V se llama IMRR. El IMRR en V/V = log-1
(IMRdB/20) y el IMR en dB = 20 log10(IMRRV/V).
10.- En qué forma se calcula el valor de la salida Vout de un amplificador
aislamiento en función al voltaje de modo aislado VIM, su ganancia y la
magnitud del voltaje de entrada VIN?
Vout = Ganancia (VIN +
VIM
)
IMRR
11.- ¿Qué diferencia hay en la forma que reduce el ruido de entrada a su salida
un amplificador de aislamiento contra un amplificador de instrumentación?
Un amplificador de aislamiento rechaza voltajes de interferencia (ruido)
mediante atenuación en su barrera de alta impedancia en tanto que un amplificador
de instrumentación (IA) rechaza voltajes de ruido presentes en sus dos terminales de
entrada cancelándolos a través de caminos de ganancia balanceada.
12.- ¿Por qué el amplificador de aislamiento presenta un mejor rechazo al ruido
que un amplificador de instrumentación?
Porque el rechazo al modo aislado (IMR) en un amplificador de aislamiento es
mayor (125 dB) que el CMR en un amplificador de instrumentación (105 dB).
13.- ¿En que forma se calcula el voltaje de salida de un amplificador de
aislamiento cuando se tiene tanto voltaje de modo común como de modo
aislado en sus entradas?
Vout = Ganancia (Vseñal +
Vcm + Vim
)
IMRR
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14.- ¿Cuáles son los 3 objetivos que nos permiten lograr los amplificadores de
aislamiento?
1.- Rompe lazos de tierra (común) permitiendo interfasear circuitos
incompatibles.
2.- Amplifica señales y atenúa el ruido.
3.- Evita que altos voltajes puedan producir daño a personas,
circuitos y equipos.
15.- Mencione las 4 técnicas más comunes utilizadas en diseño y fabricación de
amplificadores de aislamiento.
Energizados por baterías (battery powered), modulados con portadora
(carrier), por acoplamiento óptico (optical coupled) y por carga de corriente (current
loading).
16.- ¿En qué forma operan los amplificadores de aislamiento energizados por
baterías?
El amplificador de aislamiento se energiza mediante un adaptador de CA y
utiliza baterías recargables. Cuando no esta en operación las baterías están en
modo de carga y en operación se energiza mediante las baterías.
17.- En base al siguiente dibujo, explique en que forma opera un amplificador
de aislamiento que opera en base a la técnica modulado por portadora (carrier).
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La parte del circuito dentro de las líneas punteadas esta aislado de la
alimentación principal de CA así como del resto del circuito que esta conectado a esa
alimentación. El aislamiento es provisto mediante la separación de las trayectorias
de tierra, fuerza (voltajes de alimentación a circuitos) y señal mediante los
transformadores T1 y T2. Estos transformadores operan en el rango de 20 a 250 kHz
y esta característica les permite pasar fácilmente la señal portadora y rechazan
cualesquier energía de 60 Hz que pudiera estar presente.
El acoplamiento del oscilador de señal de la portadora a la etapa aislada se
hace a través del transformador T1. Parte de la energía en el secundario de T1 va a
la etapa de modulación y el resto es rectificado y filtrado para utilizarse como una
fuente de poder de CD aislada cuya salida energiza los amplificadores de entrada y
las etapas de modulación.
La señal analógica aplicada a la entrada es amplificada por A1 y entonces
aplicada a una de las entradas de la etapa de modulación, esta etapa modula la
amplitud de la señal en la portadora. El transformador T2 acopla la señal modulada
con la entrada a la etapa de demodulación en el lado no aislado del circuito.
Finalmente los amplificadores de CD a la salida del demodulador completan el
procesamiento de señal.
18.- ¿En qué forma opera el siguiente demodulador sincrónico?
La señal del modulador es aplicada a los emisores de los transistores Q1 y Q2
(a través de T1) en una configuración push pull. En un semiciclo el emisor de Q1
será positivo con respecto a Q2 y en el siguiente semiciclo ocurre lo opuesto, el
emisor de Q2 será positivo con respecto a Q1. Las bases de Q1 y Q2 son activadas
por la señal portadora de 50 kHz, o señal de referencia. Esta acción hace que Q1 y
Q2 conmuten entre conducción y bloqueo, pero fuera de fase entre ellas. En un
semiciclo el transistor Q1 esta en conducción y Q2 en bloqueo, En esta condición el
punto A de T1 se aterriza, así, el voltaje que aparece a través de la resistencia de
carga R4 será positivo con respecto a tierra.
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En el siguiente semiciclo, Q2 entra en conducción y ahora el punto B se
aterriza, pero como ahora la polaridad se ha invertido, la polaridad en R4 se
mantendrá positiva. Esto producirá que aparezca una forma de onda completa a
través de R4, la cual al ser filtrada se convierte en una señal de voltaje de CD cuyo
nivel es proporcional a la amplitud de entrada del amplificador de aislamiento.
19.- Describa en que forma opera el siguiente amplificador de aislamiento que
opera bajo la técnica de acoplamiento óptico.
Este circuito utiliza el mismo convertidor CD a CD para proveer energía a las
etapas aisladas, lo cual mantiene a A1 aislado de la alimentación de CA, pero no es
utilizado en el proceso de acoplamiento de señal.
El LED, en el optoaislador, es controlado por la salida del amplificador A1. El
transistor Q1 sirve como un amplificador de corriente que permite variar la intensidad
de la luz del LED en forma proporcional al nivel de señal analógica a la entrada (y
salida) de A1. El transistor Q1 pasa suficiente corriente de polarización (bias) a
través del colector hacia el LED para operarlo en la parte lineal de su curva
característica (corriente vs. intensidad de luz).
La salida del fototransistor, si la señal varía suficientemente rápido, pudiera
tener acoplamiento de CA a los siguientes amplificadores de la sección no aislada y
de esta forma eliminar el corrimiento (offset) producido por la corriente de
polarización del LED.
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20.- Describa en que forma opera el siguiente amplificador de aislamiento que
opera bajo la técnica de carga de corriente.
El circuito de entrada, con un cierto nivel de amplificación consiste de FET
dual (Q1) y un amplificador operacional A1. El transistor FET dual mejora las
características de impedancia de entrada del amplificador operacional.
La salida de A1 está conectada al voltaje aislado Vee´ (a -10 VCD a través de
la resistencia R7). Esta fuente de poder es un convertidor CD a CD operando a 250
kHz. El transformador T1 provee el aislamiento entre la fuente de poder flotante en el
lado aislado y la fuente de poder principal en el lado no aislado. La señal de entrada
produce que la salida de A1, a través de R7, varíe la carga en la fuente de poder
flotante (B1/C1/C2).
El cambio en la carga de la fuente de poder flotante proporcional a la señal
analógica de entrada produce una variación en el primario del transformador T1 que
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también es proporcional a la señal analógica de entrada. Esta variación en la
corriente es convertida por el amplificador A2 en una forma de onda de voltaje.
En el circuito de A2 se tiene un control de cancelación de corrimiento (offset
null) mediante R11 con el propósito de eliminar el corrimiento en la salida producido
por la corriente que fluye por el transformador cuando la señal de entrada es cero.
En este caso, la carga de corriente es constante.
21.- Describa en que forma opera el siguiente amplificador de aislamiento
(ISO100).
Acepta una entrada de corriente producida por una fuente de voltaje a través
de la resistencia Rin y produce, a través de una barrera de aislamiento, una salida de
voltaje.
Existen dos trayectorias ópticas, una pasa a través de la barrera desde el LED
hacia el fotodiodo detector de luz en la etapa de salida; la otra trayectoria es una
retroalimentación negativa desde el LED hacia el fotodiodo en la sección de entrada.
Este último fotodiodo linealiza la respuesta del LED en la etapa de entrada. Así, las
dos trayectorias realmente operan en forma de una razón o relación y se mantiene la
exactitud a la lenta pérdida de luz por parte del LED debido a su envejecimiento.
Las fuentes de corriente en las secciones de entrada y salida se utilizan para
producir un corrimiento y en esta forma permitir la operación bipolar (con entradas
positivas y negativas con respecto a tierra o común).
22.- ¿A qué nivel de voltaje se prueba la barrera de un amplificador de
aislamiento y cual es la máxima corriente de fuga permitida en aplicaciones
biomédicas?
Las pruebas se realizan a dos veces el voltaje de especificación más 1,000
volts. Se requiere que la corriente de fuga a través de los pacientes se limite a
menos de 10 μA en cualesquier condición.
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23.- ¿Qué tipo de acoplamiento (barrera) existe en el siguiente amplificador de
aislamiento (ISO212) y en que forma opera?
Acoplamiento mediante transformador (magnético) y es autoalimentado
porque tiene su propio oscilador de 25 kHz, puente rectificador y filtro de capacitores.
El amplificador operacional de entrada envía una señal al modulador de
amplitud (AM) que alimenta un transformador; en el otro lado de la barrera de
aislamiento, se demodula sincrónicamente para minimizar el ruido y la interferencia.
24.- ¿Qué tipo de acoplamiento (barrera) existe en el siguiente amplificador de
aislamiento (ISO12) y en que forma opera?
Acoplamiento capacitivo mediante dos capacitores de cerámica para alto
voltaje de 1 pF. En la etapa de entrada es primeramente modulada mediante técnica
PWM, posteriormente manipulada para formar pulsos de fase opuesta y finalmente
transmitida digitalmente a través de la barrera. Los capacitores esencialmente
derivan los cambios de señal y forman picos. La clave para recobrar la señal digital
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es amplificar en forma diferencial estos delgados picos, lo cual es hecho por el
amplificador de sensado (sense), el cual envía la señal al demodulador de salida. El
demodulador es solo un filtro paso bajo con un amplificador muestreadormantenedor (simple-hold) en retroalimentación para disminuir el rizado (ripple).
25.- ¿Qué ocurre con el IMR de los amplificadores de aislamiento con barrera
de tipo capacitivo a medida que se incrementa la frecuencia de la señal de
entrada y por qué?
Se reduce debido a la naturaleza capacitiva de la barrera, la cual reduce su
impedancia y aumenta la corriente de fuga a medida que se incrementa la
frecuencia.
26.- ¿Qué establece la especificación de voltaje de aislamiento de un
amplificador de aislamiento?
La especificación de voltaje de aislamiento describe el voltaje que el
dispositivo puede en forma confiable soportar por grandes períodos de tiempo.
27.- ¿En qué consiste la prueba de descarga parcial?
Al aplicar altos voltajes entre la entrada y la salida del amplificador de
aislamiento, los intensos campos eléctricos en la barrera permiten, en un cierto
punto, un flujo de cargas (a este punto se le llama voltaje de intercepción), en este
punto la resistencia de la barrera se reduce. A medida que el voltaje decrece, se
reduce el flujo de cargas hasta que cesa, a lo cual se le llama voltaje de extinción.
Esta acción de redistribución de cargas es llamada descarga parcial.
28.- Describa en que forma opera el siguiente sistema con aislamiento por fibra
óptica.
La señal del transductor o del cuerpo humano, es amplificada por un
amplificador de instrumentación (IA) y luego aplicada a un convertidor de voltaje a
frecuencia (VFC). En esta forma ahora se tiene la señal de información contenida en
forma de una señal modulada en frecuencia y los valores reales de voltaje ahora son
digitales, lo cual es perfecto para transmisión óptica. Pero ahora, el transmisor de
fibra óptica (FOT) energiza un LED y envía la luz a través de un cable de fibra óptica.
El receptor de fibra óptica (FOR) recobra, a partir de pulsos de luz, la señal eléctrica
digital y la envía a un contador, el cual la convierte en una palabra digital. Del
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receptor de fibra óptica (FOR), la señal digital puede también ser enviada a un
convertidor de frecuencia a voltaje (F/V) para su utilización en forma de señal
analógica.
29.- ¿Mencione las 4 ventajas que trae la utilización de fibra óptica?
1.- Debido a que el vidrio o el plástico solo responden a la luz, no son
susceptibles a interferencia electromagnética (EMI).
2.- Puede bloquear cientos de miles de volts, proveyendo el mejor aislamiento.
3.- Como todo sistema de aislamiento, abre lazos de tierra.
4.- Se tiene un magnífico sistema de seguridad, pues no se pueden lograr
fácilmente derivaciones (taps donde robar señal) en los cables de fibra óptica.
30.- ¿En qué forma opera el siguiente amplificador ECG?
Los tubos de gas neón NE2H, resistencias en serie y diodos limitadores
protegen al amplificador de instrumentación (IA) de altos voltajes de desfibrilación de
hasta 5,000 volts de pico.
El amplificador de instrumentación (IA) mostrado aplica un voltaje interno de
modo común de 60 Hz al amplificador inversor que envía la señal a la pierna derecha
del paciente. Esto opera como un lazo de retroalimentación (paciente y electrónica)
para hacer el ruido de modo común en el paciente se reduzca a un bajo nivel. El
amplificador de instrumentación y de aislamiento amplifican la señal. El amplificador
de aislamiento también está para proteger los circuitos semiconductores conectados
a su etapa de salida cuando se aplica un pulso de alto voltaje para desfibrilación del
paciente.
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31.- ¿En el siguiente circuito, cuales son las 3 acciones que ayudan a reducir el
ruido?
La señal aplicada a la pierna derecha, el CMR del amplificador de
instrumentación (IA) y el IMR del amplificador de aislamiento.
32.- Diga para que sirve el siguiente circuito y como ofrece protección.
Es un monitor aislado de las líneas de energía de alimentación. Un
amplificador de instrumentación mide un pequeño voltaje que se presenta a través
de una resistencia de potencia de 5 mΩ, este voltaje representa la corriente del
transformador de potencia trifásico. El amplificador de instrumentación FET de baja
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corriente de polarización hace un filtro paso bajo y sirve para reducción de ruido y
protección en condiciones de falla.
El amplificador de aislamiento aísla y atenúa la ruidosa tierra del
transformador de potencia de, digamos, la tierra de computadoras y otros equipos de
instrumentación. Si la resistencia de potencia de 5 mΩ se quemara y abriera, los
120 VCA del voltaje de fase no pasaría al equipo de monitoreo o a una persona que
tocara la salida. Este aislamiento reduce ruido para tener mediciones limpias y
protege a persona y equipos de una descarga en situaciones de falla.
33.- Diga como opera el siguiente circuito para sensar de temperatura.
Este circuito amplifica la señal de un termopar para la medición y/o control de
temperatura de un equipo o dispositivo. Se utiliza un amplificador de instrumentación
(IA) para amplificar la diferencia entre el voltaje del termopar y el voltaje del diodo
montado en un bloque isotérmico. Esta técnica es llamada compensación de unión
fría y el diodo establece una referencia al punto de hielo o 0 °C.
El voltaje en el diodo cambia con la temperatura del medio ambiente y por lo
tanto compensa por cambios de la temperatura ambiente en el amplificador
electrónico. No importa que cambio presente la temperatura ambiente, o cual sea su
causa, el termopar siempre tomará la medición relativa a 0 °C.
El amplificador de aislamiento rompe el lazo de tierra parar reducir
interferencia que pudiera dañar la medición de temperatura, así, con su alta
impedancia, previene que el ruido interfiera con la señal de entrada diferencial en el
orden de milivolts.
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34.- Diga como opera y que ventajas presenta el siguiente circuito transmisor
remoto de temperatura.
Un RTD (Resistor Temperature Device) mide la temperatura. El transmisor de
4 a 20 mA convierte el voltaje en una señal de corriente que circula por un par torcido
(lazo de 2 alambres) hacia el receptor.
En el receptor, la corriente de 4 mA que representa la temperatura mínima y
20 mA la temperatura máxima, es convertida nuevamente a voltaje y aplicada al
amplificador de aislamiento.
El transmisor tiene dos fuentes de corriente de 1 mA, una excita el transductor
y produce una caída de voltaje a través de la resistencia del RTD; cuando la
temperatura varía, la resistencia del RTD cambia, su caída de voltaje cambia, lo cual
es amplificado y convertido a corriente. La otra fuente de corriente provee una
referencia diferencial contra el RTD.
Ventajas: 1.- La transmisión de señal por medio de un lazo de corriente de 4
a 20 ma presenta mejor inmunidad al ruido. 2.- No se requiere fuente de poder en el
sitio remoto donde esta el RTD, la energía es aplicada a través del cable del lazo de
corriente.
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35.- Diga cómo opera el siguiente circuito de monitoreo de baterías.
Este circuito representa un ejemplo de aislamiento donde realmente no se
abre o rompe un lazo de tierra, donde solo se añade una resistencia moderada en
serie. El amplificador INA117 toma una medición diferencial, pero sus puntos de
referencia (pines 1 y 5) están a 400 kΩ de cualesquier entrada (pines 2 y 3).
Las resistencias de entrada al amplificador atenúan el voltaje de modo común
a las entradas en un factor de 20, por lo que 200 volts se reducen a 10 volts.
Entonces, ya con el voltaje reducido, la diferencia es amplificada en un factor de 20.
El resultado es un amplificador diferencial con una resistencia de entrada de 400 kΩ,
el circuito opera señales diferenciales en el orden de 10 volts superpuestas a un
voltaje cuyo máximo sería de 200 volts.
Finalmente, en el circuito, mediante un multiplexer se puede seleccionar
cualesquier canal, monitoreando en esta forma una batería en particular, conducir su
señal a un convertidor A/D y así, digitalizada, enviarla a una computadora para su
registro o alarma.
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Amplificadores de aislamiento

Transcripción

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