Aislamiento analógico vs Aislamiento digital

Como regla general, la tensión de alimentación de CA siempre debe estar aislada por un transformador o algún tipo de dispositivo de aislamiento. También debería haber alguna forma de limitar la corriente (fusible) y el voltaje (TVS o MOV) en cada línea.

Dependiendo de sus planes para esta aplicación y de dónde vaya a venderla, es probable que tenga que pasar por algún tipo de certificación UL o CE. Eche un vistazo a IEC 61010. Ese documento cubre muchas de las pruebas básicas requeridas.

Al tomar decisiones sobre el aislamiento requerido, debe considerar el entorno (banco de laboratorio, afuera, ¿se puede mojar?), el cerramiento, las distancias de separación y lo que sucede cuando las cosas van mal como mínimo. Decir que una resistencia o diodo en el diseño falla, ¿su diseño inicia un incendio? Si algo se incendiara, ¿podría el fuego extenderse fuera de la caja? ¿Podría alguien sorprenderse al tocar la caja si se suelta un cable? Estas son cosas en las que debe pensar antes de intentar medir la tensión de la red. También determinan la cantidad de aislamiento requerido.

Para responder a la pregunta original sobre el costo. He intentado ambos enfoques. Ambos funcionan pero normalmente prefiero el aislamiento digital. En productos más antiguos, el aislamiento se hacía generalmente en el espacio analógico. La parte frontal era típicamente un amplificador operacional diferencial con varias resistencias grandes en serie con las entradas con diodos de protección seguidas por una ISO124 para aislamiento galvánico. Una ISO124 no es una parte barata ($ 19.85) pero es probada y verdadera. Tiene limitaciones como el ancho de banda y el voltaje de compensación que deben considerarse. También es bipolar. Muchas MCU AtoD no pueden manejar ningún voltaje por debajo de 0V. Dado que está midiendo una señal de CA, es posible que tenga que usar un AtoD separado.

Los amplificadores operacionales de aislamiento realmente baratos generalmente están diseñados para medir la corriente a través de una derivación y tienen un rango de entrada pequeño. Aunque puede dividir la señal de entrada utilizando resistencias de precisión, la relación señal a ruido se verá afectada. También la ganancia puede variar de un canal a otro. Esto puede o no ser un problema para su aplicación. Depende de la precisión que está tratando de lograr. El pequeño rango de entrada generalmente ha sido un problema para mí, por lo que no he probado este enfoque, aunque podría funcionar.

También he intentado el aislamiento digital. Los aisladores digitales son abundantes y baratos. Personalmente he usado aisladores digitales para CAN bus, I2C y SPI. El extremo frontal típico suele ser algún tipo de circuito de filtro seguido de un opamp, y luego AtoD. El AtoD se aísla de la MCU utilizando el aislador digital. Dado que el AtoD se encuentra aguas arriba del aislador, el ruido de cuantificación del aislador no debe considerarse. Esto produce una medición más precisa con un ancho de banda más amplio.

Un último punto. La seguridad siempre supera los costos y debe ser su principal preocupación.

¿Alguna razón para no usar simplemente un transformador de red de montaje en PCB en miniatura en la entrada de la cosa y medir el secundario? Aislamiento instantáneo, no hay necesidad de energía en el lado no iso de la barrera, fácilmente disponible con cualquier certificación de seguridad que le guste y barata ...

Ahora, si está tratando de medir armónicos detallados o eventos transitorios rápidos, es posible que esto no se corte, pero para muchas aplicaciones un transformador de red de montaje en PCB en miniatura es completamente apropiado, una resistencia de carga modesta en el secundario ayudará con el rendimiento en la mayoría de los casos .

En cuanto al aislamiento digital, dependiendo de la velocidad que necesites, un Jellybean 6N137 hará 30Kbaud o algo así, y hay algunos micros muy pequeños en estos días para codificar la salida ADC en algo asíncrono que pasará al opto ...

En el lado analógico, no descarte cosas como el IL300, la vieja escuela, pero sigue siendo muy útil.

Y sí, los proveedores de chips tienden a publicar documentos técnicos que favorecen sus soluciones, de manera muy similar a como el departamento de marketing escribe la primera página de la hoja de datos ...

Dados los precios ridículamente bajos de las MCU con ADC a bordo decentes, la forma más sencilla de hacerlo sería hacer aislamiento digital entre las MCU. Simplemente trate un pequeño microcontrolador de un solo chip como un ADC "personalizado" y un modulador digital en uno. De esa manera, tiene total flexibilidad para elegir el formato de la señal digital aislada que se ajuste a sus requisitos.

Por ejemplo, Si solo necesita medir el valor RMS, puede ejecutar el ADC a la velocidad máxima y calcular el promedio entre los cruces por cero, y enviar solo ese valor al lado aislado en un enlace de baja velocidad, utilizando un optoacoplador barato conducido directamente desde el MCU. La MCU y el optoacoplador tienen requisitos de consumo de energía muy modestos, por lo que puede alimentarlos directamente desde la línea de red que está monitoreando utilizando un condensador en serie, una resistencia y un regulador de voltaje shunt barato, tal vez solo lo haría un diodo Zener. El precio del parque de béisbol del lado de alto voltaje podría ser un poco más de $ 10 en la cantidad de 100 o más.

Le sugiero que centre su diseño en primer lugar en el aislamiento certificado U / L requerido. Elija un optoaislante con calificación de U / L realmente decente, como OPI1268S: enlace < br> Ya tienes una fuente de alimentación decente seleccionada.

Ahora puede dejar que todo su extremo delantero de medición (micro y A / D) flote a la tensión de la red. Parece que no necesita A / D de alta velocidad (de su selección), y si puede arreglárselas con un A / D de 10 bits, podría usar algo tan simple como un Arduino Nano para la interfaz y luego conducir el optoaislador a su backend

Partes: $ 4.50 para la fuente de alimentación aislada para la sección aislada (es decir, R1SE-0505-R) (1 kV con aislamiento U / L certificado)
$ 2 resistencias de ganancia / compensación de precisión
$ 4 Arduino Nano ( enlace )
$ 6.60 OPI1268S ( enlace ) ( 2 kV aislamiento U / L certificado)