Tipos de isolação e aspectos a serem considerados nas medições

Visão geral

Saiba mais sobre as topologias de isolação utilizadas nos instrumentos e os benefícios proporcionados pela isolação. Saiba mais sobre loops de terra, tensão de modo comum, topologias de isolação, isolação analógica, isolação digital e os tipos de isolação. Este tutorial é parte da série de fundamentos dos instrumentos de medição.

Conteúdo

O que é isolação?

A isolação é um método que separa fisicamente e eletricamente duas partes distintas de um instrumento. Quando o termo isolação é utilizado em instrumentos, muito provavelmente será em referência à isolação elétrica, o que significa que não há fluxo de corrente entre duas partes do sistema que estão isoladas entre si. A isolação elétrica traz diversas vantagens, mas uma das maiores vantagens para a exatidão da medição é que a isolação desfaz loops de terra.  

 

A isolação também utiliza essas barreiras físicas e elétricas para aumentar a segurança, mantendo altas tensões ou altas tensões transientes à distância do usuário ou de componentes importantes do circuito, o que discutiremos nas próximas seções.

 

Em primeiro lugar, faremos uma revisão rápida sobre os loops de terra, que são descritos em maiores detalhes na página de considerações de aterramento para a melhoria das medições, na série de fundamentos dos instrumentos de medição.

 

Loops de terra

Os loops de terra são a fonte mais comum de ruído em aplicações de aquisição. Eles ocorrem quando dois terminais conectados em um mesmo circuito têm potenciais de terra diferentes, o que provoca um fluxo de corrente entre esses dois pontos. Essa diferença de potencial causa erro na tensão medida, Vm, que pode ser calculada pela Fórmula 1. 

 

Fórmula 1. Medição de tensão na presença de um loop de terra

Onde:

Vm = Tensão medida

Vs = Tensão do sinal

= Diferença de tensão entre o terra do instrumento e o terra do instrumento 

 


A página de considerações de aterramento para a melhoria das medições discute como eliminar loops de terra garantindo que haja apenas uma referência ao terra na fonte de sinais e sistema de medição. Entretanto, o uso de hardware com isolação também remove os loops de terra, pois elimina o percurso pelo qual a corrente flui entre o terra de sinal da fonte e o terra do sistema de medição.

 

Topologias de isolação

Em geral, há três tipos diferentes de topologia de isolação. Do menor nível de proteção ao maior, respectivamente, temos:

  • Isolação entre canal e terra
  • Isolação no banco (canal ao barramento)
  • Isolação entre canais

 

Isolação entre canal e terra

Esse nível de isolação oferece o menor nível de proteção ao instrumento. Veja um diagrama de isolação entre canal e terra no diagrama da Figura 1. As tensões presentes em AI 1, AI 2 e AI terra não estão isoladas umas das outras, mas são isoladas do terra do instrumento. Essa topologia de isolação interrompe os loops de terra entre AI 1 e o terra do sistema, mas é possível que uma corrente presente em AI 1 induza uma tensão em AI 2, porque esses pontos não estão isolados entre si.

 

Figura 1. A isolação entre canal e terra não isola os canais uns dos outros; ela cria isolação entre os canais e o terra do instrumento.

 

 

Isolação no banco (canal ao barramento)

Na isolação no banco, também conhecida como isolação entre canal e barramento, várias linhas físicas são reunidas em grupos, denominados bancos. Veja essa arquitetura na Figura 2. Como há barreiras de isolação entre canais de diferentes bancos, a proteção contra o loop de terra é alta entre bancos. Entretanto, mesmo assim é possível nessa topologia que sinais em diferentes canais de um banco possam se afetar entre si.

 

Figura 2. Na isolação no banco, a proteção de loop de terra é alta entre bancos diferentes.

 

 

Isolação entre canais

Essa topologia fornece a proteção mais abrangente para os sinais das linhas do instrumento, porque não apenas todos os canais são isolados do terra do sistema, mas também cada canal é isolado de todos os outros canais individualmente. Veja essa topologia na Figura 3.

 

Figura 3. Na isolação entre canais, cada canal é isolado de todos os demais.

 

 

Isolação analógica versus digital

Canais analógicos de entrada ou saída podem ser isolados por dois métodos diferentes, independentemente da topologia de isolação do instrumento. A diferença entre os dois métodos reside na localização do circuito de isolação no instrumento. A isolação analógica ocorre quando o circuito de isolação está no percurso anterior ao conversor analógico-digital (ADC), atuando no sinal analógico. A isolação digital ocorre quando o circuito de isolação está após o ADC, pois atua nos dados recém-digitalizados.

 

Isolação analógica

O amplificador de isolação é um dos componentes mais comumente usados para fornecer isolação na entrada analógica de um instrumento. Como mostrado na Figura 4, os dados analógicos são enviados do sensor ao conector de E/S, passam pelo amplificador de ganho, o amplificador de isolação e então ao ADC.

 

 Figura 4. O amplificador de isolação é um dos componentes mais comumente usados para fornecer isolação na entrada analógica de um instrumento.

 

Um grande benefício da isolação analógica é que ela protege o ADC. Como a isolação é colocada antes do ADC, é menor provável que este seja danificado por tensões altas ou transientes. A isolação analógica, entretanto, apresenta algumas desvantagens. Em primeiro lugar, como a isolação analógica não é perfeita e fica antes do ADC, pode introduzir erros de ganho, offset de não linearidade no sinal analógico antes que ele chegue ao ADC. Isso não é ideal, e pode reduzir a exatidão da medição. Além disso, os componentes da isolação analógica podem introduzir maiores tempos de estabilização e, muitas vezes, têm custo mais alto que os componentes de isolação digital.

 

Isolação digital

Diferentemente do que ocorre na isolação analógica, os circuitos de isolação digital são colocados após o ADC no instrumento, como mostrado na Figura 5.

 

Figura 5. Diferentemente do que ocorre na isolação analógica, os circuitos de isolação digital são colocados após o ADC no instrumento.

 

A isolação digital pode levar a um maior desempenho e exatidão que um circuito de isolação analógico, pois o sinal medido é menos alterado antes de ser digitalizado pelo ADC. Os circuitos de isolação digital também apresentam vantagens com relação aos circuitos de isolação analógica, pois têm um custo geral tipicamente menor e operam a maiores velocidades de transferência de dados. Entretanto, como os circuitos de isolação digital são colocados após o ADC, este é mais susceptível a danos provocados por picos de tensão.

 

Tipos de isolação

Já discutimos as topologias de isolação comuns para instrumentos e onde a isolação pode ser aplicada ao sinal dentro do instrumento, mas não falamos sobre a barreira de isolação propriamente dita ou como o sinal atravessa a barreira de isolação. Nesta seção, discutiremos rapidamente a barreira de isolação e, então, passaremos aos três tipos comuns de isolação, que utilizam diferentes técnicas para transmitir os dados do sinal pela barreira de isolação.

 

A isolação física é a forma mais básica de isolação. Nesse tipo de isolação, há uma barreira física entre dois sistemas elétricos. Isso pode ser feito por alguma material de isolação, espaço livre ou percurso não condutor entre dois sistemas elétricos. Com a isolação puramente física, você pode assumir que não há transferência de sinais entre esses sistemas elétricos. Nesses sistemas de medição isolados, os loops de terra são totalmente removidos, somente o sinal de interesse atravessa a barreira da isolação. Dessa maneira, você precisa ter algum tipo de transferência, ou acoplamento, da energia do sinal que atravesse a barreira de isolação. Três técnicas comuns para a transferência do sinal pela isolação são descritas a seguir.

 

Isolação capacitiva

A isolação capacitiva, como visto na Figura 6, utiliza um campo elétrico como forma de energia para transferir o sinal através da barreira de isolação. O campo elétrico altera o nível de carga do capacitor. Essa carga é detectada através da barreira de isolação, sendo que a carga detectada é proporcional ao nível do sinal medido.

 

Figura 6. A isolação capacitiva utiliza um campo elétrico como forma de energia para transferir o sinal através da barreira de isolação.

 

A técnica de isolação capacitiva apresenta algumas vantagens e desvantagens. Uma vantagem advém do uso de um campo elétrico para a transferência da informação do sinal. Isso torna a técnica de isolação imune a interferências de campos magnéticos. Em comparação com outros tipos de isolação, a isolação capacitiva tende a proporcionar uma transferência de dados mais rápida. Entretanto, a isolação capacitiva tem a desvantagem de usar campos elétricos para a transferência de dados, o que a torna susceptível a interferência de campos elétricos externos ao capacitor. Uma interferência suficientemente forte poderá alterar a exatidão do sinal medido.

 

Isolação indutiva

A isolação indutiva utiliza um transformador, mostrado na Figura 7, como barreira de isolação. O transformador gera um campo eletromagnético proporcional ao sinal medido como forma de energia que atravessa a barreira de isolação.

 

Figura 7. A isolação indutiva utiliza um transformador, indicado pelo símbolo acima, como barreira de isolação.

 

Assim como no acoplamento capacitivo, a isolação indutiva pode fornecer taxas de transmissão de dados em velocidade relativamente alta. Além da alta velocidade de transmissão, o acoplamento indutivo utiliza uma potência baixa na transmissão de dados. Entretanto, o acoplamento indutivo é susceptível a interferência de campos magnéticos próximos, pois utiliza campos eletromagnéticos para atravessar a barreira de isolação. Se campos magnéticos externos interferirem com o campo eletromagnético produzido pelo transformador, eles poderão afetar a exatidão da medição.

 

Isolação óptica

A isolação óptica utiliza um LED e um fotodetector para transmitir a informação do sinal através da barreira de isolação. A barreira de isolação é uma isolação óptica, tipicamente espaço livre, e o sinal é transmitido por uma fonte óptica. A intensidade da luz produzida pelo LED é proporcional ao sinal medido.

 

Figura 8. A isolação óptica utiliza um LED e um fotodetector para transmitir a informação do sinal através da barreira de isolação.

 

Como a isolação óptica utiliza luz como energia para transferir o sinal medido através da barreira de isolação, ela tem a vantagem da imunidade contra interferências de campos elétricos e magnéticos. Essa imunidade pode tornar a isolação óptica uma técnica eficaz em áreas industriais, nas quais podem haver campos elétricos ou magnéticos de alta intensidade. O uso da isolação óptica, entretanto, tem algumas desvantagens.l A isolação óptica tipicamente oferece taxas de transferência mais baixas, limitadas pela velocidade de comutação do LED. Ela também apresenta uma maior dissipação de potência quando comparada às isolações capacitiva e indutiva.

 

Resumo

  • A isolação é um método que separa fisicamente e eletricamente duas partes distintas de um instrumento.
  • Interromper loops de terra para medir o sinal de interesse com maior exatidão é a principal vantagem dos sistemas de medição isolados.
  • Com base nos requisitos de sua aplicação, você poderá escolher a topologia de isolação mais adequada ao seu sistema.
    • A isolação entre canal e terra faz a isolação entre canais e o terra do instrumento.
    • A isolação no banco (entre canais e barramento) faz a isolação entre grupos (bancos) de linhas e outros grupos de linhas e também do terra do instrumento.
    • A isolação entre canais faz a isolação entre uma linha qualquer e todas as outras linhas presentes, e também do terra do instrumento.
  • Os circuitos de isolação analógica protegem o ADC de altas tensões e tensões transientes, mas pode inserir erros de ganho, não lineares e de offset ao sinal antes que ele chegue ao ADC.
  • Os circuitos de isolação digital não protegem o ADC. Suas vantagens com relação à isolação analógica incluem o baixo custo, maiores velocidades de transmissão de dados e maior exatidão, pois o sinal é menos alterado antes de chegar ao ADC.
  • Visão geral dos tipos de isolação:

 

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