Funcionamiento del amplificador de aislamiento y sus aplicaciones

Un amplificador de aislamiento o amplificador de ganancia unitaria proporciona aislamiento de una fracción del circuito a otra fracción. De este modo, la energía no puede ser extraída, utilizada y desperdiciada dentro del circuito. La función principal de este amplificador es potenciar la señal. El amplificador operacional emite exactamente la misma señal de entrada que la de salida. Estos amplificadores se utilizan para proporcionar seguridad y aislamiento eléctrico. Estos amplificadores protegen a los pacientes de la salida de la corriente. Interrumpen la continuidad óhmica de la señal eléctrica entre la entrada y la salida y pueden proporcionar una fuente de alimentación aislada para la entrada y la salida. De este modo, se pueden amplificar las señales de bajo nivel.

¿Qué es un amplificador de aislamiento?

Un amplificador de aislamiento puede definirse como un amplificador que no tiene contacto conductor entre las secciones de entrada y salida. En consecuencia, este amplificador proporciona un aislamiento óhmico entre los terminales i/p y o/p del amplificador. Este aislamiento debe tener una fuga menor y una tensión de ruptura dieléctrica elevada. Los valores típicos de las resistencias y condensadores del amplificador entre los terminales de entrada y salida son de 10 tera ohmios para las resistencias y de 10 picofaradios para los condensadores.

Estos amplificadores se suelen utilizar cuando hay una gran disparidad de tensión en modo común entre la entrada y la salida. En este amplificador, el circuito óhmico no está presente entre la tierra de entrada y la tierra de salida.

Métodos de diseño de los amplificadores de aislamiento

Existen tres tipos de métodos de diseño para los amplificadores de aislamiento, que son los siguientes

• Aislamiento del transformador
• Aislamiento óptico
• Aislamiento capacitivo

1). Aislamiento del transformador

Este tipo de aislamiento utiliza dos señales como PWM o frecuencia modulada. Internamente, este amplificador consta de un oscilador de 20 KHz, un rectificador, un filtro y un transformador para alimentar todas las etapas aisladas.

• El rectificador se utiliza como entrada del amplificador operacional principal.
• El transformador conecta la fuente de alimentación.
• El oscilador se utiliza como entrada del amplificador operacional secundario.
• Se utiliza un LPF para eliminar los componentes de otras frecuencias.

Las ventajas del aislamiento de los transformadores incluyen principalmente una elevada CMRR, linealidad y precisión.

Las aplicaciones del aislamiento de transformadores incluyen principalmente los sectores médico, nuclear e industrial.

2). Aislamiento óptico

En este aislamiento, la señal l puede transformarse de señal biológica a señal luminosa con un LED para su posterior procesamiento. En este caso, el circuito del paciente es un circuito de entrada, mientras que el circuito de salida puede estar formado por un fototransistor. Estos circuitos funcionan con una batería. El circuito i/p transforma la señal en luz y el circuito o/p transforma la luz en señal.

Las ventajas del aislamiento óptico son principalmente;

• Gracias a este sistema, podemos obtener la amplitud y la frecuencia originales.
• Se conecta ópticamente sin necesidad de un modulador o demodulador.
• Mejora la seguridad del paciente.

Las aplicaciones del aislamiento de transformadores incluyen principalmente el control de procesos industriales, la adquisición de datos, las mediciones biomédicas, la monitorización de pacientes, los elementos de interfaz, los equipos de prueba, el control de SCR, etc.

3). Aislamiento capacitivo

• Utiliza la modulación de frecuencia y la codificación digital de la tensión de entrada.
• La tensión de entrada puede modificarse en función de la carga relativa del condensador conmutado.
• Incluye circuitos como el modulador y el demodulador.
• Las señales se envían a través de una barrera capacitiva diferencial.
• Para ambos lados, se proporcionan señales separadas.

Las ventajas del aislamiento capacitivo son principalmente;

• Este aislamiento puede utilizarse para eliminar el ruido de ondulación
• Se utilizan para los sistemas analógicos
• Incluyen la linealidad y la estabilidad de alta ganancia.
• Ofrece una alta inmunidad al ruido magnético
• Al utilizarlo, se pueden evitar las molestias.

Las aplicaciones del aislamiento capacitivo incluyen principalmente la adquisición de datos, el elemento de interfaz, la monitorización de pacientes, el EEG y el ECG.

Características

Las principales características del amplificador de aislamiento son las siguientes

• Suministro de tensión
• Suministro actual
• Temperatura de funcionamiento

La alimentación de tensión de los amplificadores se refiere principalmente al rango de la fuente de tensión. La corriente de alimentación es la cantidad de corriente que se extrae de la fuente de alimentación y está asociada al amplificador. La temperatura de funcionamiento de un amplificador es el valor concreto de la temperatura ambiente.

Estos amplificadores utilizan varios métodos para reducir la distorsión y la enorme no linealidad de la señal, como el uso de un LOC (optoacoplador lineal) para mejorar la linealidad del amplificador en un rango preciso de la señal. Esta LOC consta de un LED de entrada conectado a dos fotodiodos. Estos fotodiodos alimentan los circuitos de entrada y salida.

Al diseñar este amplificador, la tarea principal es reducir la deriva de la señal y un amplificador de aislamiento se calienta con frecuencia durante el funcionamiento, por lo que la corriente de alimentación del circuito disminuye. Estos amplificadores se evalúan normalmente en función del tamaño, el rendimiento y el coste, mientras que los requisitos técnicos son la estabilidad, la linealidad y la respuesta de la señal de alta frecuencia. Las principales preocupaciones al diseñar este amplificador son la tensión de ruptura y la gestión de las pérdidas.

¿Cómo conseguir el aislamiento?

Cuando la impedancia de entrada de un amplificador operacional es extremadamente alta, se puede conseguir el aislamiento. Como este circuito tiene una alta impedancia de entrada, se puede extraer una corriente mínima del circuito amplificador. Según la ley de Ohm, cuando la resistencia es alta, se consume menos corriente de la fuente de alimentación.

Por lo tanto, un op-amp no consume una cantidad significativa de corriente de la fuente de alimentación. En la práctica, no se extrae ni se transfiere corriente de una parte del circuito a otra. Por tanto, este amplificador funciona como un dispositivo de aislamiento.

Cuando la impedancia de entrada de un amplificador operacional es baja, consume una gran cantidad de corriente. La ley de Ohm establece que si la impedancia de la carga tiene una resistencia menor, entonces extrae una gran cantidad de corriente de la fuente de alimentación y puede causar un ruido elevado. En este caso, el amplificador de aislamiento funciona como un amortiguador y no refuerza las señales, aunque proporciona un aislamiento de las divisiones del circuito.

Aplicaciones de los amplificadores de aislamiento

Estos amplificadores se utilizan normalmente en aplicaciones como el acondicionamiento de señales. Pueden utilizar varios amplificadores bipolares, CMOS y bipolares complementarios, incluidos los amplificadores de chopper, de aislamiento y de instrumentación.

Dado que muchos dispositivos funcionan con fuentes de baja potencia, como las pilas. La elección de un amplificador de aislamiento para diferentes aplicaciones depende principalmente de las características de la tensión de alimentación del amplificador.

Por lo tanto, se trata de Amplificadores de aislamiento que pueden utilizarse para aislar eléctricamente las señales de entrada y salida con acoplamientos inductivos. Estos amplificadores protegen los componentes eléctricos y electrónicos de las sobretensiones en diversas aplicaciones que utilizan numerosos canales. He aquí una pregunta para ti: ¿cuál es la aplicación de este amplificador en los dispositivos médicos?