Todos los diseñadores de hardware conocen bien las técnicas de aislamiento galvánico para aislar eléctricamente dos áreas de un equipo electrónico. Las técnicas de aislamiento se usan tanto para asegurar muy bajas corrientes de fuga como para separar eléctricamente zonas para evitar interferencias electromagnéticas (EMI). Las dos técnicas de aislamiento galvánico más usadas son el transformador de aislamiento, tanto a nivel de red eléctrica (230 o 400V) como a nivel de circuitos de señal y potencia (ej. Ethernet, audio, fuentes conmutadas tipo “flyback”, etc.) y el optoaislador, profusamente usado en todo tipo de circuitos. Las dos técnicas tienen limitaciones de funcionamiento a alta frecuencia y el transformador no funciona en circuitos de corriente continua.
Conoce en este post otras técnicas de aislamiento para mejorar la compatibilidad electromagnética (CEM) … (Leer más)
Hay otras técnicas de aislamiento galvánico que no son tan usuales como las anteriores, como, por ejemplo: acopladores capacitivos aislados, amplificadores operacionales aislados y amplificadores de instrumentación aislados, (las tres técnicas con limitaciones de frecuencia), circuitos driver / receptor de línea aislados (disponibles solo en algunas interfaces como RS422 o RS485), circuitos integrados aisladores de alta velocidad (costosos) y relés (con muy baja velocidad de acción).
Cuando no es necesario tener aislamiento galvánico, para mejorar la compatibilidad electromagnética (CEM) se pueden usar otras técnicas de aislamiento suave que no aíslan galvánicamente, pero que aportan un buen nivel de aislamiento, suficiente en algunas aplicaciones. Muchas veces la aplicación de estas técnicas suaves de aislamiento es mejor que no tener ningún tipo de aislamiento.
Vamos a presentar seguidamente cinco técnicas de aislamiento suave.
1. Choque en modo común
Una solución muy usada en los filtros de CEM para “aislar” suavemente dos partes de un circuito (filtrar) es el uso de un choque en modo común. El choque en modo común se aplica en filtros de red tanto monofásicos como trifásicos y también en líneas de comunicación. Sus ventajas son que tiene continuidad en corriente continua y en corriente alterna (no tiene aislamiento galvánico), rechaza las corrientes que circulan en el mismo sentido, en modo común (líneas rojas en la figura) y deja pasar las corrientes que circulan en sentidos opuestos, en modo diferencial (líneas verdes). Las corrientes en modo común son EMI no deseadas que no deben pasar y las corrientes en modo diferencial (MD) son las señales o corrientes deseadas que se deben dejar pasar.
En los choques en MC también tiene importancia el filtrado en MD residual debido a las imperfecciones en la simetría de los devanados. La capacidad parásita en sus devanados limita las prestaciones a alta frecuencia. Por ello, conviene que esta capacidad parásita sea lo más baja posible.
Los choques en MC funcionan bien porque la permeabilidad magnética en MC, μMC, es varios órdenes mayor que la permeabilidad magnética en MD, μMD, y porque las corrientes en MD son normalmente más mayores que las corrientes en MC, en una proporción de tres órdenes de magnitud. Si se añaden condensadores tipo X en MD y condensadores tipo Y en MC, se configura un típico filtro de red de una etapa. Las desventajas de usar un choque en MC como aislamiento suave son: en corriente continua y a baja frecuencia sigue existiendo el bucle de masa, con alta intensidad puede haber saturación del núcleo y la capacidad parásita entre su entrada y su salida limita el aislamiento a alta frecuencia.
2. Amplificador operacional en modo diferencial
Otra técnica de aislamiento suave consiste en usar un amplificador operacional conectado en modo diferencial. Esta técnica está especialmente indicada para gestionar señales analógicas de bajo nivel y es fácil de aplicar. Los inconvenientes son dos: si el amplificador no está alimentado, se pierde el aislamiento y el nivel de rechazo en modo común (CMRR Common Mode Rejection Ratio) puede ser insuficiente.
Cuando un amplificador operacional se conecta en modo diferencial, las señales que son opuestas tienen una amplificación muy alta, mientras que las señales comunes (MC) a las dos entradas se amplifican muy poco. El ruido es por lo general común a ambas entradas, es decir, es en modo común. La operación global amplifica la señal diferencial (deseada), mientras que atenúa la señal común en las dos entradas (indeseada). Este es el efecto de rechazo en modo común. Cuanto mayor sea el nivel de CMRR, más aislamiento obtendremos.
3. Amplificador de instrumentación diferencial y equilibrado
Existen equipos en la industria, que necesitan medir señales muy pequeñas, del orden de microvoltios o algunos milivoltios, en presencia de grandes señales de ruido (EMI) provenientes de distintas fuentes ruidosas como motores, lámparas de descarga gaseosa, líneas de alimentación de 50Hz, etc. Para realizar las mediciones con suficiente precisión se deben utilizar amplificadores de instrumentación con una alta Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR). Los amplificadores de instrumentación amplifican la diferencia entre dos señales. Esas señales diferenciales en la práctica provienen de sensores como termopares, foto-sensores, puentes de medición resistivos, etc. El amplificador amplificará la diferencia entre ambas. Si se inducen señales de corriente alterna en ambas entradas a la vez (MC), serán rechazadas. Así se justifica la utilización de amplificadores de instrumentación para rechazar señales que entran en modo común, o sea cuando en las dos entradas se presenta la misma señal.
En la práctica, las señales en modo común nunca son rechazadas completamente, de manera que una pequeña parte del ruido indeseado pasará a la salida. Las dos ventajas de los amplificadores de instrumentación son que tienen muy alta impedancia de entrada y muy alto nivel de CMRR. Las desventajas son: tienen un limitado el nivel de aislamiento, no tienen aislamiento en corriente continua cuando no están alimentados y su CMRR se degrada con el aumento la frecuencia y con el desequilibrio en las entradas. Generalmente en CEM no es recomendable usar amplificadores de instrumentación debido a estas desventajas.
4. Circuito driver / receptor de línea de datos
Un circuito driver/receptor de línea de datos es una interfaz digital diferencial, de alta velocidad, balanceada y aislada, que exhibe un alto rechazo en modo común y, por lo tanto, una alta inmunidad a los bucles de masa. Con altas velocidades de transmisión de datos digitales, con distancias largas, se hace necesario utilizar modos de transmisión diferenciales. Las tensiones en modo común debidas a las EMI en las masas o a transitorios son rechazadas. Un ejemplo es el estándar RS422. Sus principales ventajas son el rechazo a las EMI en modo común (alto CMRR) y la posibilidad de conseguir mayores velocidades de transmisión a mayores distancias. Deben utilizarse líneas equilibradas, tales como un par de cables trenzados. De lo contrario el CMRR quedaría muy reducido. Algunos circuitos integrados RS422 son capaces de detectar una señal diferencial de ± 125 mV en presencia de EMI en modo común de ±60 V (Voffset = MASA Driver – MASA Receptor = ±60 V) con una velocidad de transmisión de datos de 250 kbps.
Un circuito driver/receptor de este tipo puede sustituir a un transceptor/optoaislado a efectos prácticos, con un menor coste, si el aislamiento galvánico es prescindible. Su ventaja es ser un estándar de mercado muy usado. También se puede usar el estándar RS485. Como desventajas se puede tener una falta de inmunidad contra EMI en modo común y una falta de aislamiento en corriente continua cuando los circuitos no están alimentados.
5. Filtro capacitivo en modo común
Pueden usarse dos condensadores como filtro en modo común para derivar a masa las corrientes en modo común provenientes del generador y evitar que lleguen a la carga. Los condensadores tienen suficiente baja impedancia comparada con la impedancia en modo común de la carga. Para asegurar suficiente nivel de filtrado, los condensadores deben seleccionarse adecuadamente, considerando el tipo de dieléctrico, el encapsulado y su conexión.
Se trata de una solución simple de bajo coste para mitigar las interferencias. Cómo desventajas, no aportan aislamiento galvánico y, si se usan valores altos de capacidad, pueden distorsionar la señal al añadir perdidas de inserción a alta frecuencia. Su efecto de filtrado y aislamiento suave puede mejorar añadiendo un choque modo común.
Referencias:
- Elya B. Joffe & Kai-Sang Lock, Grounds for Grounding, A Circuit-to-System Handbook, Wiley-IEEE, 2010
- Francesc Daura Luna, “El choque en modo común y las EMI”, Revista Española de Electrónica, marzo 2015
- Francesc Daura Luna, “La arquitectura de masas y tierras”, Revista Española de Electrónica, enero 2017
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