El sólido aislamiento digital añade seguridad a las aplicaciones de alta tensión

Siempre que los circuitos eléctricos alimentados puedan interactuar con otros circuitos, hardware e infraestructuras, o con usuarios humanos, existe la posibilidad de que se produzcan sobretensiones perjudiciales. Aislar física o electrónicamente la corriente de los posibles puntos de interacción, lo que se conoce como aislamiento galvánico, es esencial para la seguridad y el funcionamiento continuo del circuito. Como ventaja añadida, el aislamiento suele reducir el ruido no deseado en la señal de salida.

Los requisitos de aislamiento son frecuentes en robótica, equipos de red eléctrica de alta tensión, equipos de fábrica, aplicaciones de automoción y productos de consumo. Otros requisitos que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un sistema de aislamiento son las tensiones de entrada variables, el uso de baterías o la necesidad de ocupar poco espacio.

Para elegir los componentes de aislamiento adecuados, los diseñadores deben conocer las ventajas y las desventajas, así como la composición de las distintas arquitecturas de aisladores. Con este conocimiento, pueden incorporar a sus diseños electrónicos los aisladores más eficaces, fiables y eficientes en términos de espacio.

Identificación de aislantes

El aislamiento galvánico puede conseguirse de varias formas, pero todas comparten un principio básico: Una entrada de mayor tensión en el lado primario se separa del lado secundario de menor tensión y baja corriente mediante alguna barrera física. Los detalles de la barrera, así como el método de transmisión de energía, señales o ambas a través de ella, dependen del tipo de aislador.

Los optoacopladores utilizan LED para convertir la señal del lado primario de impulsos eléctricos en fotones. En el lado secundario, un componente fotosensible como un fototransistor, un fotodiodo o un fototransistor de efecto de campo (FET) recibe los fotones y los convierte en una señal eléctrica. Junto con el aislamiento físico de los circuitos primario y secundario, los optoacopladores eliminan automáticamente el ruido no deseado de la señal de salida y evitan los bucles de masa.

En los acopladores magnéticos, la tensión en el devanado primario de un transformador genera un campo magnético. Este campo magnético induce una tensión a través de un bobinado del lado secundario, transmitiendo una señal eléctrica al tiempo que mantiene el aislamiento galvánico. Los transformadores pueden tener dos devanados separados en un solo núcleo de hierro o pueden ser dos inductores, cada uno con un devanado alrededor de su propio núcleo de hierro, separados por un material dieléctrico. Los diseñadores eligen el acoplamiento magnético por su capacidad de alta tensión, sus tiempos de respuesta relativamente rápidos y su capacidad para filtrar el ruido de la señal. Sin embargo, también hay que tener en cuenta el tamaño del aislante, la posibilidad de que genere calor y la producción de interferencias electromagnéticas.

Los acopladores capacitivos emplean capacitores, que son componentes con dos electrodos separados por un material dieléctrico. La carga se acumula en el electrodo del lado primario debido a la tensión de entrada. Esto crea un campo eléctrico que induce una tensión en el electrodo del lado secundario. Los acopladores capacitivos son conocidos por su pequeño tamaño, su bajo consumo y su rápida respuesta a los cambios en la entrada, lo que los hace prácticos y eficaces para transmitir señales eléctricas a través de una barrera de aislamiento. Los diseñadores deben tomar medidas para proteger los acopladores capacitivos de una tensión de entrada que supere sus capacidades, de la humedad ambiental y de la ruptura dieléctrica.

Implementación de aisladores digitales

Cualquiera de los tipos de aisladores comentados anteriormente puede incorporarse a sistemas de aisladores digitales en circuitos integrados (CI). Estas topologías pueden integrarse además con módulos de potencia o componentes de transmisión de señales para formar sistemas completos de aislamiento digital en un solo chip. Algunas topologías comunes de sistemas de aisladores digitales incluyen flyback, medio puente y en contrafase.

Una fuente de alimentación flyback es una forma de aislamiento magnético que crea un transformador combinando un inductor dividido con un convertidor impulsor-reductor que puede aumentar o reducir la tensión de una entrada de corriente continua (CC) para ajustarla a la salida deseada. La realimentación del convertidor impulsor-reductor se realiza mediante un bobinado inductor terciario o un optoacoplador. Las fuentes de alimentación Flyback se recomiendan para aplicaciones de baja potencia, pero los diseñadores deben ser conscientes de la posibilidad de que se produzcan interferencias electromagnéticas no deseadas.

Los diseños de medio puente (puente H) incluyen un generador de onda cuadrada de puente H, un circuito resonante que contiene dos inductores y un capacitor (LLC), y dos rectificadores que suministran la tensión de salida de CC deseada. Los rectificadores permiten una mayor potencia de salida que algunos diseños y se recomiendan los diseños con aislamiento de puente H para aplicaciones de potencia media.

Las fuentes de alimentación en contrafase aisladas utilizan dos transformadores para el acoplamiento magnético. Dos interruptores alternan qué transformador recibe la tensión de entrada. Dos diodos rectificadores de puente completo en el secundario anticipan los cambios de tensión y la regulan en una salida simétrica.

Para un mayor control, los diseñadores pueden optar por agregar un controlador transformador a una configuración push-pull (en contrafase). El controlador integra un oscilador, un divisor de frecuencia y un controlador lógico para coordinar la apertura y el cierre de los interruptores siguiendo un patrón de interrupción antes de la fabricación (BBM). Este patrón produce una señal de salida relativamente constante a la vez que protege los componentes internos y posteriores de ser dañados por tener ambos interruptores conectados a la vez.

Los sistemas con controladores de transformador también pueden controlar la salida con reguladores de tensión lineales de baja caída (LDO) que sustituyen o aumentan la función de los diodos rectificadores. La tensión de caída es la diferencia mínima entre la tensión de entrada y la de salida por debajo de la cual el circuito no puede regular adecuadamente la salida. En los LDO, esta diferencia es extremadamente pequeña, lo que garantiza un funcionamiento fiable en una amplia gama de tensiones de entrada.

Apoyarse en los LDO

Un LDO contiene un FET, un amplificador diferencial y una referencia de tensión de banda prohibida. El amplificador diferencial compara la tensión de salida con la de referencia y, si la diferencia entre ambas es demasiado alta, la señal del amplificador hace que el FET ajuste la resistencia del circuito para mantener constante la tensión de salida.

Además de la tensión de abandono, al seleccionar un LDO para una aplicación de aislamiento digital deben tenerse en cuenta otras especificaciones, como la regulación de carga y línea, la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR), el ruido de salida y la corriente de reposo (I_Q). La regulación de carga es la capacidad de un LDO para manejar variaciones en la corriente de entrada manteniendo una tensión de salida estable, mientras que la regulación de línea se refiere a las variaciones en la tensión de entrada. Muchas especificaciones también citan la PSRR, que mide la capacidad del regulador para gestionar el rizado en una entrada de corriente alterna (CA) rectificada.

Los diseñadores también quieren reducir al mínimo el ruido de salida. Un C_I bajo, la corriente necesaria para hacer funcionar los circuitos internos del regulador, simplifica el sistema y preserva la duración de la batería en aplicaciones móviles.

Un ejemplo de LDO diseñado específicamente para sistemas conectados a baterías es el TPL8031Q-S de 3PEAK (Figura 1). Estos reguladores generan salidas de tensión fija de 3.3 V o 5 V con una precisión de ±2.5%. Tienen tensiones máximas de desconexión de 720 mV para la versión de salida de 5 V y de 900 mV para la versión de salida de 3.3 V.

Figura 1: Los reguladores lineales de tensión (LDO) de caída baja proporcionan tensiones de salida fiables para sistemas aislados digitalmente, como las unidades de control electrónico de automoción. (Fuente de la imagen: 3PEAK)

Los reguladores TPL8031Q-S toleran tensiones de entrada de entre 3 V y 42 V con transitorios de hasta 45 V y pueden emitir hasta 300 mA de corriente. Al mismo tiempo, consumen poca energía, con un C_I típico de 3 µA. Los límites internos de corriente protegen a los reguladores de condiciones de fallo, como cortocircuitos a tierra, deteniendo la regulación de tensión. Además, la protección contra sobretemperatura apaga el regulador si su temperatura interna alcanza un umbral de apagado térmico (TSD) y le permite reanudar el funcionamiento una vez que se ha enfriado lo suficiente.

La fiabilidad, junto con el bajo consumo y las capacidades de alto voltaje, convierten a los reguladores de voltaje TPL8031Q-S en buenos candidatos LDO para muchas aplicaciones de automoción de espacio limitado que dependen de la alimentación de la batería. Entre ellos se encuentran las unidades de control electrónico (ECU), los módulos de control de dominio y carrocería, los microcontroladores y transceptores, las luces interiores y exteriores, los sistemas de infoentretenimiento, los cuadros de instrumentos y otros subsistemas alimentados por la batería del vehículo o conectados a ella.

Conclusión

Las aplicaciones de automoción son ejemplos de sistemas que necesitan un aislamiento digital sólido para proteger los componentes electrónicos delicados de las sobretensiones y garantizar que los operarios, pasajeros y otras personas que entren en contacto con los sistemas estén a salvo de tensiones peligrosas. Hay muchas permutaciones de aislamiento de potencia y señal que pueden lograrlo, y los LDO son un componente crítico de los sistemas de aislamiento digital cuidadosamente diseñados.