Mientras el circuito de suministro de energía tenga el potencial de interactuar con otros circuitos, hardware, infraestructura o usuarios humanos, pueden ocurrir situaciones destructivas de sobretensión. El aislamiento físico o electrónico (comúnmente conocido como aislamiento eléctrico) entre los puntos de interacción actuales y potenciales es crucial para la seguridad y el funcionamiento continuo de los circuitos. El aislamiento también puede reducir el ruido innecesario en la señal de salida.
Los requisitos de aislamiento son muy comunes en robots, equipos de redes eléctricas de alto voltaje, equipos de talleres de fábricas, aplicaciones automotrices y productos de consumo. Al diseñar sistemas de aislamiento, también es necesario considerar la especificidad de la aplicación, como el voltaje de entrada variable, el uso de energía de la batería o la necesidad de un embalaje compacto.
Para seleccionar los componentes de aislamiento correctos, los diseñadores deben comprender las ventajas, desventajas y composición de las diversas estructuras de aislamiento. Con esta comprensión, pueden adoptar los aisladores más eficaces, confiables y que ahorran espacio en el diseño electrónico.
Conozca el aislador
El aislamiento eléctrico se puede lograr de varias maneras, pero todas tienen un principio básico común: la entrada de alto voltaje en el lado primario está aislada del lado secundario de bajo voltaje y baja corriente a través de algunas barreras físicas. Los detalles de la barrera de aislamiento y el método de transmisión de energía, señales o ambos a través de la barrera de aislamiento dependen del tipo de aislador.
El optoacoplador utiliza LED para convertir la señal del lado primario de pulsos eléctricos a fotones. En el lado secundario, los elementos fotosensibles como fototransistores, fotodiodos o transistores de efecto de campo fotoeléctrico reciben fotones y los convierten en señales eléctricas. Además de aislar físicamente los circuitos primario y secundario, los optoacopladores también pueden eliminar automáticamente el ruido innecesario en la señal de salida y evitar bucles de conexión a tierra.
En un acoplador magnético, el voltaje en el devanado primario del transformador genera un campo magnético. Este campo magnético generará voltaje inducido en el devanado secundario, transmitiendo así señales eléctricas manteniendo el aislamiento eléctrico. Los transformadores pueden tener dos devanados independientes en un solo núcleo de hierro, o pueden ser dos inductores, cada uno con un devanado enrollado alrededor de su propio núcleo de hierro, separados por material aislante. La razón por la que los diseñadores eligen el acoplamiento magnético es porque tiene capacidad de alto voltaje, tiempo de respuesta relativamente rápido y la capacidad de filtrar el ruido de la señal. Sin embargo, también se debe considerar el tamaño del aislador, la posibilidad de generación de calor y la generación de interferencias electromagnéticas.
El acoplador capacitivo utiliza un condensador que consta de dos electrodos separados por un material dieléctrico. El voltaje de entrada acumulará cargas en el electrodo del lado primario. Esto genera un campo eléctrico e induce un voltaje en el electrodo secundario. Los acopladores capacitivos son conocidos por su tamaño pequeño, bajo consumo de energía y respuesta rápida a cambios de entrada, lo que los hace convenientes y eficientes para transmitir señales eléctricas a través de puertas de aislamiento. Los diseñadores deben tomar medidas para proteger los acopladores capacitivos de los efectos del voltaje de entrada, la humedad ambiental y la falla dieléctrica que exceden sus capacidades.
Implementar aisladores digitales
Cualquiera de los tipos de aisladores anteriores se puede integrar en un sistema de aislador digital en un circuito integrado (IC). Estas estructuras topológicas se pueden integrar aún más con módulos de potencia o componentes de transmisión de señales para formar un sistema de aislamiento digital completo en un solo chip. Las estructuras de topología comunes de los sistemas aisladores digitales incluyen flyback, medio puente y push-pull.
La fuente de alimentación flyback adopta una forma de aislamiento magnético, que combina un inductor en derivación con un convertidor reductor elevador para construir un transformador, aumentando o disminuyendo así el voltaje de la entrada de corriente continua (CC) para igualar la salida requerida. La retroalimentación del convertidor reductor-elevador la proporciona un devanado inductor de tres etapas u optoacoplador. Se recomienda utilizar fuentes de alimentación flyback en aplicaciones de bajo consumo, pero los diseñadores deben tener en cuenta que se puede generar EMI innecesaria.
El diseño de medio puente (puente H) incluye un generador de onda cuadrada de puente H, un circuito resonante que consta de dos inductores y un condensador (LLC) y dos rectificadores que pueden proporcionar el voltaje de salida de CC requerido. En comparación con ciertos diseños, los rectificadores pueden lograr una mayor potencia de salida y se recomienda utilizar un diseño de aislamiento de puente H para aplicaciones de potencia media.
La fuente de alimentación aislada push-pull utiliza dos transformadores para acoplamiento magnético. Dos interruptores conmutan alternativamente el transformador para recibir voltaje de entrada. Los dos diodos rectificadores de puente completo en el lado secundario pueden predecir cambios de voltaje y regularlos a salidas simétricas.
Para mejorar el control, los diseñadores pueden optar por agregar controladores de transformador al dispositivo push-pull. Este controlador integra un oscilador, un divisor de frecuencia y un controlador lógico para coordinar la apertura y cierre de interruptores en modo BBM. Este modo puede generar una señal de salida relativamente constante al tiempo que protege los componentes internos y posteriores de los daños causados por la conexión de dos interruptores simultáneamente.
Los sistemas con controladores de transformador también pueden usar reguladores lineales (LDO) de baja caída para controlar la salida, reemplazando los diodos rectificadores o mejorando su funcionalidad. La diferencia de voltaje es la diferencia mínima entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida, por debajo de la cual el circuito no puede regular completamente la salida. En LDO, esta diferencia es extremadamente pequeña, lo que garantiza un funcionamiento confiable en un amplio rango de voltaje de entrada.