El aislamiento integrado de la señal y la potencia proporciona una medición y un control robustos y compactos

La medición y el control robustos y precisos son
importante para la instrumentación industrial y el control de procesos
control. Diversos sensores industriales como RTDs o termopares
los sensores, como los RTD o los termopares, suelen requerir un aislamiento de la entrada, no sólo para
para evitar bucles de tierra que puedan comprometer la medición
precisión de la medición, sino también para evitar los transitorios de tensión que pueden causar daños permanentes al
causar un daño permanente al instrumento. Además de una pequeña
señal diferencial de interés, estos transductores pueden llevar una gran
un gran potencial de modo común que reduce la precisión de la adquisición de datos o
precisión de la adquisición de datos o grandes transitorios de tensión que pueden suponer un riesgo para la seguridad
un riesgo para la seguridad. Del mismo modo, las salidas analógicas aisladas son
necesarios para accionar actuadores como los hidráulicos, los solenoides o los arrancadores
solenoides o arrancadores de motor de forma segura y precisa. Además de
aislamiento de las entradas y salidas analógicas de la tierra del sistema,
también es necesario el aislamiento entre las entradas y entre las salidas
para manejar los diferentes potenciales de modo común de los distintos
sensores y actuadores y evitar las interferencias entre ellos.
Los aislantes digitales han conseguido mejorar el rendimiento de
rendimiento de los sistemas analógicos y reducir el tamaño de los sistemas sustituyendo
los aisladores analógicos tradicionales, o los optoacopladores, que son voluminosos
e inexacta. Un ADC de alta resolución colocado directamente en el
el nodo de detección convierte las señales de detección analógicas precisas en digitales
flujos digitales antes de que se transmitan a través de la barrera aislante
barrera de aislamiento para los microcontroladores del sistema mediante aisladores digitales multicanal altamente integrados
aisladores digitales multicanal altamente integrados. Del mismo modo, el
los comandos digitales del microprocesador del sistema se transmiten
transmitido a través de la barrera de aislamiento mediante aisladores digitales
aisladores digitales, y luego se convierten en órdenes analógicas precisas de corriente o tensión mediante DAC de alta resolución
o comandos precisos de tensión analógica mediante DAC de alta resolución. Aisladores digitales
los aislantes digitales eliminan la distorsión y la degradación de la señal de
de los aisladores analógicos tradicionales o de los optoacopladores, pero para el
DAC para interactuar con los controles o ADC para interactuar con los sensores, algunos
con estos sensores, se necesita algo de energía aislada para funcionar
operar. Aunque es posible utilizar convertidores discretos de CC a CC aislados
para proporcionar la energía aislada en el lado del sistema, son
engorrosos y difíciles de diseñar, ya que requieren muchos componentes discretos
componentes discretos. Las salidas de estos convertidores discretos de CC a CC tampoco están bien reguladas
tampoco están bien regulados, y se convierten en
ineficiente a bajas cargas, lo que es típico de los convertidores analógicos de baja resolución
resolución a baja potencia. Para permitir sistemas de medición y control analógicos robustos y compactos
para que los sistemas de medición y control analógicos sean robustos y compactos, los pequeños
se necesita una fuente de alimentación aislada y un aislamiento digital.
isoPotencia^®-una extensión de iAcoplador^® tecnología, líder
aisladores digitales industriales: proporcionan una señal y una potencia aisladas
en un encapsulado retráctil de perfil pequeño (SSOP).

isoPotencia: Aislamiento de la señal y la potencia mediante
Microtransformadores

Veamos de cerca algunos isoDispositivos de alimentación, y ver
cómo se comparan con las implementaciones tradicionales de CC a CC.
La figura 1a muestra una comparación del tamaño de la isoDispositivo de alimentación
ADuM5010; un convertidor DC-DC integrado que proporciona hasta
hasta 150 mW de potencia aislada en un SSOP de 20 hilos, un módulo de CC a CC y un diseño discreto basado en optoacopladores
y un diseño discreto basado en optoacopladores. El
El ADuM5010 ocupa sólo 90 mm² espacio de la tarjeta que comprende
cuatro condensadores cerámicos de montaje superficial, mientras que el diseño discreto
el diseño discreto que consta de un total de 16 componentes requiere un
espacio del tablero de 470 mm²más de cinco veces la del
isoDispositivo de alimentación. Los módulos de corriente continua varían en tamaño, pero su grosor
el grosor es generalmente prohibitivo para el montaje en superficie. A
la integración de dos chips hace posible el aislamiento de CC a CC en un SSOP
la integración de dos chips, como se muestra en la Figura 1b. El dado de la izquierda tiene el
circuito de conmutación, mientras que el chip de la derecha contiene el
diodos rectificadores y el controlador de retroalimentación. Tres transformadores
los transformadores están integrados en la matriz izquierda con el transformador superior,
el transformador superior, más pequeño, aísla la señal de retroalimentación
mientras que los dos transformadores inferiores se utilizan para la potencia
transferencia de energía. Se pueden insertar otras dos matrices en un SSOP para proporcionar una
proporcionan canales de aislamiento digital adicionales, como se muestra en la Figura 1c
Figura 1c. El ADuM521x isoLa fuente de alimentación es un aislador de dos canales
con un convertidor CC-CC integrado de 150 mW. El sitio
dos microtransformadores en el dado superior derecho proporcionan el aislamiento de los dos
aislamiento de los dos canales digitales. Tanto el dado superior izquierdo
y el dado superior derecho tienen ambos circuitos de codificación y decodificación para
las señales digitales a través de los microtransformadores. En
para transmitir la energía a través de la barrera de aislamiento, estos
los microtransformadores se conmutan resonantemente a alta frecuencia (unos 120 MHz) para
frecuencia (unos 120 MHz) para lograr una transferencia de energía eficiente; durante este proceso, el
transferencia de energía eficiente; mientras tanto, la regulación de la energía se consigue mediante un
mediante una señal de retroalimentación PWM de baja frecuencia (unos 500 kHz)
500 kHz, que controla el ciclo de trabajo de la acción resonante de alta frecuencia
la acción resonante de la frecuencia se deja activa, como se muestra en la figura 2.
Dos interruptores HVCMOS acoplados en cruz y una toma central
transformador proporcionan la oscilación sostenida,
que se activa o desactiva mediante la señal de retroalimentación PWM
señal a través de un controlador de interruptor de cola

Los diodos Schottky se implementan en la matriz 2 para una rectificación eficiente
rectificación a 120 MHz y un controlador tipo II modificado.
Para un encendido suave, se ha implementado un circuito de arranque suave en
Muere 1. Durante el encendido, el circuito de arranque suave proporciona PWM
señales con un ciclo de trabajo lentamente creciente para cargar lentamente la
a un nivel predefinido ligeramente inferior a la tensión de salida objetivo
tensión de salida objetivo. En este momento, la señal de retroalimentación se activa y
se activa y toma el control del interruptor de cola desde la salida de arranque suave
salida de arranque suave. Esta secuencia de arranque suave garantiza una
de salida en el arranque, lo que es importante para la fiabilidad del sistema
fiabilidad del sistema.

Para transmitir los datos de forma robusta a través de la barrera de aislamiento,
se utiliza la codificación y descodificación diferencial. El borde de ataque
se codifica como un impulso corto de polaridad positiva y el flanco descendente se codifica como un impulso corto de la misma duración
el flanco descendente se codifica como un impulso corto de la misma duración
pero con polaridad negativa. El receptor diferencial convierte
estos impulsos de diferente polaridad en una salida con la
estado lógico correcto. Para que la salida se actualice cuando la entrada
la salida se actualiza cuando la entrada no ha cambiado de estado durante un largo periodo de tiempo
también se transmiten a través de los transformadores un impulso positivo para un estado lógico alto y un impulso negativo para un estado lógico bajo
un impulso positivo para un estado lógico alto y un impulso negativo para un estado lógico bajo
estado lógico bajo. El receptor diferencial permite rechazar el modo común
el receptor diferencial permite rechazar el modo común durante los eventos transitorios de modo común
y una alta inmunidad a los transitorios de modo común superiores a
superior a 50 kV∕µs. Un aislamiento de 3,75 kV 1
se puede conseguir un aislamiento mínimo con capas de poliimida de 32 µm de grosor intercaladas entre las bobinas primarias y secundarias
bobinas secundarias. Una sección transversal para el isoLos transformadores de potencia se ilustran

Tanto el bobinado superior como el inferior son de 6 µm
grueso para una transferencia de energía eficiente. La poliimida es muy
buena contra los transitorios de alta tensión, ofreciendo una capacidad de sobretensión de más de 10 kV
de 10 kV. Además de la alta capacidad de sobrecarga, la poliimida también
también tiene un comportamiento de envejecimiento bien definido. El tiempo hasta el fracaso es
recogido a varias tensiones de 1,2 kV a 3 kV, y se representa en la figura 4
basado en un ajuste a un modelo típico de envejecimiento de la poliimida
modelo de envejecimiento, la vida útil es de más de 100 años a 400
V rms, que es suficiente para muchas aplicaciones industriales.
Además del comportamiento de alta tensión, los requisitos de compatibilidad electromagnética, como
las emisiones radiadas son preocupantes para las aplicaciones industriales.
El sitio web isoLos transformadores de potencia están estrechamente acoplados con sólo unos cientos de micrómetros de diámetro
de unos cientos de micrómetros de diámetro, por lo que las emisiones radiadas de
de los transformadores son muy limitados. El sitio isoPotencia
los transformadores también se implementan en una configuración de tipo s, como se muestra en la figura 5
en el campo lejano, el flujo de una mitad del transformador anula el flujo de la otra mitad
transformador anula el flujo de la otra mitad
mitad diseñando cada mitad con una fase opuesta. Mientras que el
las emisiones de radiación de los transformadores son insignificantes,
deben tomarse precauciones en el diseño de la placa de circuito impreso para el uso de
isoProductos energéticos. Además de una buena circunvalación para contener el ruido
dentro de la sala, las islas de PCB aisladas deben diseñarse cuidadosamente para que no
diseñado para no formar una antena dipolo efectiva. CISPR
La clase A o B puede cumplirse para isoLas piezas de la fuente de alimentación con un diseño adecuado
pCB correctamente diseñado.

Requisitos de aislamiento de la señal y la potencia para la medición y
Y control

Para realizar mediciones fiables y seguras de corriente, tensión
temperatura, presión, caudal u otros parámetros para una variedad de
diversas aplicaciones industriales en entornos difíciles,
el aislamiento es esencial para mantener la integridad de los datos y la seguridad de
seguridad de los equipos y de los usuarios, eliminando los bucles de tierra y los
y la exposición directa del usuario o del equipo a
tensiones peligrosas. Además del aislamiento de la señal, el aislamiento de la fuente de alimentación
además del aislamiento de la señal, el aislamiento de la fuente de alimentación es necesario para establecer una polarización para que los ADC o DAC puedan interactuar con diversos sensores o transductores
con varios sensores o transductores. Es un reto importante
para empaquetar componentes de aislamiento como los basados en
componentes basados en un espacio reducido, dado que
hay muchas entradas o salidas analógicas que no sólo
requieren un aislamiento de la placa base, pero también entre estos
canales analógicos. El aislamiento integrado de la señal y la potencia es la solución ideal para
solución ideal para proporcionar un aislamiento compacto y robusto en cada
de los puertos de E/S analógicos.

Un ejemplo de implementación de una señal aislada y una fuente de alimentación
para su uso en instrumentación industrial o control de procesos
se muestra en la Figura 6. Un solo isoAlimentación
un componente como el ADuM5211, un aislador digital de 2 canales
aislador de 2 canales con una potencia aislada de 150 mW, cumpliría todos los requisitos de aislamiento para un
requisitos de aislamiento para un determinado canal de entrada analógica. Un canal de datos aislado
el canal de datos aislado se utiliza para enviar el reloj del sistema desde el
del microcontrolador al ADC, y otro canal de datos en sentido contrario
dirección envía los datos adquiridos del sensor al
al microcontrolador. Se pueden utilizar varios ADuM5211 para
para varios sensores que necesitan estar aislados unos de otros
sensores. Del mismo modo, un solo isoComponente de potencia como el
ADuM5210, un aislador digital de dos canales con 150 mW
potencia aislada, puede cumplir todos los requisitos de aislamiento para una
canal de salida analógico. Los dos canales de datos se utilizan para
envía tanto el reloj como los comandos digitales del
microcontrolador al DAC para controlar el actuador. Múltiples
El ADuM5210 puede utilizarse para múltiples actuadores o salidas analógicas
salidas analógicas que requieren aislamiento entre sí. El rojo
las líneas horizontales discontinuas de la figura 6 ilustran las barreras de aislamiento
barreras de aislamiento entre los sensores y actuadores individuales y el largo
la línea vertical punteada de la derecha indica el aislamiento
entre el sistema y los puertos de E/S analógicos. Para
comunicación entre muchos dispositivos de control de procesos
equipo de control de procesos, el aislamiento adicional, según lo indicado por el
línea punteada vertical en la Figura 6 - es necesario entre el controlador del sistema y un bus de comunicación como el RS-485
el controlador del sistema y un bus de comunicación como el RS-485,
RS-232, CAN y otros. De nuevo, una sola isoAlimentación
un componente como el ADM2587, un transceptor aislado totalmente integrado
Transceptor RS-485 aislado totalmente integrado con una potencia aislada de 500 mW, puede utilizarse
para el aislamiento completo de la interfaz del bus para una sola pieza de
equipo. En este caso, el ADM2587 proporciona una
Transceptor RS-485 integrado y tres canales de aislamiento digital, dos de los cuales se utilizan para enviar señales de accionamiento y alarma
dos de los cuales se utilizan para enviar el Accionamiento y la Habilitación del Accionamiento desde el microcontrolador al bus, y dos de los cuales se utilizan para enviar el Accionamiento y la Habilitación del Accionamiento al bus
microcontrolador al bus, y el otro se utiliza para enviar los datos
datos recibidos del bus al microcontrolador. Como puede verse,
el aislamiento integrado de la señal y la potencia simplifica enormemente
la interfaz de medición, control y comunicación para la industria
equipo industrial.

Existen requisitos similares de aislamiento de la señal y la potencia para
equipo de medición o de prueba de baterías. Las tensiones y
las corrientes de cada célula de la batería deben controlarse continuamente para
continuamente para mantener la vida de la batería, pero toda la batería en serie puede
los voltajes y las corrientes de cada célula de la batería deben controlarse continuamente para mantener la vida útil de la misma, pero toda la batería en serie puede alcanzar cientos o incluso miles de
voltios en total. Circuitos integrados de monitorización de la batería, para interactuar con diferentes paquetes de baterías en diferentes
los CI de monitorización de la batería, para poder interactuar con diferentes paquetes de baterías en diferentes lugares de la pila, deben estar aislados de los controladores del sistema
deben estar aislados de los controladores del sistema, y se requiere una fuente de alimentación aislada para permitir el apagado correcto del sistema en caso de fallo
necesario para permitir el apagado correcto del sistema en caso de que la batería
fallo de la batería.

Conclusión

Aislamiento integrado de la señal y la potencia mediante microtransformadores
en una pequeña carcasa simplifica enormemente el diseño del proceso industrial
sistemas de medición y control de procesos industriales y significativamente
reduce significativamente el espacio y el coste de la placa en comparación con los sistemas basados en optoacopladores
los basados en optoacopladores y transformadores discretos. Es
proporciona una medición y un control fiables y precisos en condiciones difíciles
entornos industriales difíciles.

Referencias

ADuM5287 www.analog.com/ADM2587