Desde que o circuito de alimentação tenha potencial para interagir com outros circuitos, hardware, infraestrutura ou usuários humanos, poderão ocorrer situações de sobretensão destrutivas. O isolamento físico ou eletrônico (comumente chamado de isolamento elétrico) entre pontos de interação de corrente e potencial é crucial para a segurança e operação contínua dos circuitos. O isolamento também pode reduzir ruídos desnecessários no sinal de saída.
Os requisitos de isolamento são muito comuns em robôs, equipamentos de rede elétrica de alta tensão, equipamentos de oficinas de fábrica, aplicações automotivas e produtos de consumo. Ao projetar sistemas de isolamento, também é necessário considerar a especificidade da aplicação, como tensão de entrada variável, uso de bateria ou necessidade de embalagem compacta.
Para selecionar os componentes de isolamento corretos, os projetistas precisam compreender as vantagens, desvantagens e a composição das várias estruturas do isolador. Com esse entendimento, eles podem adotar os isoladores mais eficazes, confiáveis e que economizam espaço em projetos eletrônicos.
Conheça o isolador
O isolamento elétrico pode ser alcançado de várias maneiras, mas todos eles têm um princípio básico comum: a entrada de alta tensão no lado primário é isolada do lado secundário de baixa tensão e baixa corrente através de algumas barreiras físicas. Os detalhes da barreira de isolamento e o método de transmissão de energia, sinais ou ambos através da barreira de isolamento dependem do tipo de isolador.
O optoacoplador usa LEDs para converter o sinal no lado primário de pulsos elétricos em fótons. No lado secundário, elementos fotossensíveis, como fototransistores, fotodiodos ou transistores fotoelétricos de efeito de campo, recebem fótons e os convertem em sinais elétricos. Além de isolar fisicamente os circuitos primário e secundário, os optoacopladores também podem eliminar automaticamente ruídos desnecessários no sinal de saída e evitar loops de aterramento.
Num acoplador magnético, a tensão no enrolamento primário do transformador gera um campo magnético. Este campo magnético irá gerar tensão induzida no enrolamento secundário, transmitindo assim sinais elétricos enquanto mantém o isolamento elétrico. Os transformadores podem ter dois enrolamentos independentes em um único núcleo de ferro, ou podem ser dois indutores, cada um com um enrolamento enrolado em torno de seu próprio núcleo de ferro, separados por material isolante. A razão pela qual os projetistas escolhem o acoplamento magnético é porque ele tem capacidade de alta tensão, tempo de resposta relativamente rápido e capacidade de filtrar o ruído do sinal. Porém, o tamanho do isolador, a possibilidade de geração de calor e a geração de interferência eletromagnética também devem ser considerados.
O acoplador capacitivo utiliza um capacitor que consiste em dois eletrodos separados por um material dielétrico. A tensão de entrada acumulará cargas no eletrodo lateral primário. Isso gera um campo elétrico e induz uma tensão no eletrodo secundário. Os acopladores capacitivos são conhecidos por seu tamanho pequeno, baixo consumo de energia e resposta rápida às alterações de entrada, tornando-os convenientes e eficientes para transmissão de sinais elétricos através de portas de isolamento. Os projetistas devem tomar medidas para proteger os acopladores capacitivos dos efeitos da tensão de entrada, umidade ambiental e ruptura dielétrica que excedam suas capacidades.
Implantar isoladores digitais
Qualquer um dos tipos de isoladores acima pode ser integrado a um sistema isolador digital em um circuito integrado (IC). Estas estruturas topológicas podem ser ainda integradas com módulos de potência ou componentes de transmissão de sinal para formar um sistema de isolamento digital completo em um único chip. As estruturas de topologia comuns de sistemas isoladores digitais incluem flyback, meia ponte e push-pull.
A fonte de alimentação flyback adota uma forma de isolamento magnético, que combina um indutor shunt com um conversor buck boost para construir um transformador, aumentando ou diminuindo assim a tensão da entrada de corrente contínua (DC) para corresponder à saída necessária. O feedback do conversor buck boost é fornecido por um enrolamento indutor de três estágios ou optoacoplador. Recomenda-se o uso de fontes de alimentação flyback em aplicações de baixa potência, mas os projetistas devem estar cientes de que EMI desnecessária pode ser gerada.
O projeto de meia ponte (ponte H) inclui um gerador de onda quadrada de ponte H, um circuito ressonante que consiste em dois indutores e um capacitor (LLC) e dois retificadores que podem fornecer a tensão de saída CC necessária. Em comparação com certos projetos, os retificadores podem atingir maior potência de saída e é recomendado o uso do projeto de isolamento de ponte H para aplicações de potência média.
A fonte de alimentação isolada push-pull usa dois transformadores para acoplamento magnético. Dois interruptores alternam alternadamente o transformador para receber a tensão de entrada. Os dois diodos retificadores de ponte completa no lado secundário podem prever mudanças de tensão e regulá-las para saídas simétricas.
Para melhorar o controle, os projetistas podem optar por adicionar drivers de transformador ao dispositivo push-pull. Este driver integra um oscilador, um divisor de frequência e um controlador lógico para coordenar a abertura e fechamento de chaves no modo BBM. Este modo pode gerar um sinal de saída relativamente constante enquanto protege os componentes internos e posteriores contra danos causados pela conexão de dois interruptores simultaneamente.
Sistemas com drivers de transformador também podem usar reguladores lineares de baixa queda (LDOs) para controlar a saída, substituindo diodos retificadores ou melhorando sua funcionalidade. A diferença de tensão é a diferença mínima entre a tensão de entrada e a tensão de saída, abaixo da qual o circuito não consegue regular totalmente a saída. No LDO, essa diferença é extremamente pequena, garantindo uma operação confiável em uma ampla faixa de tensão de entrada.