Amplificador de aislamiento lineal para entrada analógica aislada

LOC110

El LOC110 es un optoacoplador lineal: un LED infrarrojo que ilumina por igual a dos fotodetectores, uno en el mismo lado que el LED y otro al otro lado de la barrera de aislamiento. Esa simetría es toda su razón de ser.

Un optoacoplador normal sirve para pasar niveles lógicos, pero no una señal analógica: la relación entre la corriente del LED y la luz que emite no es lineal, y además cambia con la temperatura y con el envejecimiento del propio LED. El LOC110 no intenta corregir ese defecto — lo mide. Ambos fotosensores, el de entrada y el de salida, son iguales. El operacional U1 controla la corriente del LED para que la respuesta del fotosensor de entrada sea proporcional a la tensión de entrada; y como el otro fotosensor es idéntico y recibe la misma luz, a la salida se obtiene una copia de esa misma tensión, pero con aislamiento galvánico.

Es la alternativa compacta a un transformador de aislamiento, y a diferencia de él acopla igual de bien señales de continua que de alterna.

Cómo funciona el circuito

El lado de entrada es un lazo cerrado que controla la luz. La tensión $V_{IN}$ entra por la entrada no inversora de U1, mientras que la inversora ve la tensión que el fotosensor de entrada produce sobre R1. Si esa tensión está por debajo de $V_{IN}$, U1 sube su salida y hace circular más corriente por el LED (a través de R3); el LED alumbra más, el fotosensor conduce más y la tensión sobre R1 sube. El lazo se equilibra cuando las dos entradas de U1 están al mismo nivel, y a partir de ahí la tensión sobre R1 sigue a $V_{IN}$ al instante.

Aquí está la clave: el lazo no fija una corriente de LED, fija un nivel de luz. Da igual que el LED se degrade, se caliente o sea distinto de otro ejemplar — U1 inyectará la corriente que haga falta para que el fotosensor siga viendo lo mismo. La no linealidad del LED queda dentro del lazo y desaparece del resultado.

El lado de salida solo lee. El segundo fotosensor recibe la misma luz y da una corriente que sigue fielmente a la del primero; R2 la vuelve a convertir en tensión y U2, como seguidor, la copia al conector J2 sin cargar el nodo. Este lado tiene su propia masa y su propia alimentación (VCC2): el único vínculo con la entrada es el haz de luz.

Queda C1, el condensador de 100 pF entre la salida de U1 y su entrada inversora, que limita el ancho de banda del amplificador de entrada: a más frecuencia, menos impedancia presenta y más realimentación devuelve, así que la ganancia de U1 cae y el circuito deja de responder a las señales rápidas. Es lo que se busca, porque el retardo del camino óptico haría oscilar al lazo: se sacrifica velocidad a cambio de estabilidad.

Diseño de aplicación

Los dos fotosensores del LOC110 son iguales y reciben la misma luz, así que se puede dar por hecho que por los dos circula la misma corriente, llamémosla $I$. Con eso, todo el circuito se reduce a dos ideas ya vistas:

• El lazo de entrada obliga a que la tensión sobre R1 sea igual a la de entrada: $V_{IN} = I \cdot R_{1}$.
• La salida es esa misma corriente sobre R2: $V_{OUT} = I \cdot R_{2}$.

Como la corriente es la misma en las dos expresiones, se cancela al dividir una entre otra y queda la ganancia del amplificador de aislamiento:

$$V_{OUT} = V_{IN} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1}}$$

Es decir: la ganancia solo depende de la relación entre dos resistencias, igual que en un amplificador operacional convencional. No aparecen ni el LED, ni la temperatura, ni las tolerancias del optoacoplador. Este montaje quiere 5 V a la salida por cada 5 V de entrada, así que basta con hacer $R_{2} = R_{1}$.

El valor absoluto de esas resistencias lo fija la corriente que se le pide al LED en el extremo alto del rango. Con R1 de unas decenas de kiloohmios, los 5 V de fondo de escala se traducen en un consumo de LED de unos 10 mA, que cualquier operacional entrega con holgura; R3 se elige después para que la salida de U1 no tenga que acercarse demasiado a su raíl de alimentación.

Dos apuntes prácticos: las dos corrientes no son exactamente iguales de una unidad a otra, así que en medidas precisas conviene hacer R2 ajustable y calibrar la ganancia una vez montado; y con los fotosensores polarizados en inversa, como en este montaje, el circuito llega a unos 200 kHz de ancho de banda con una linealidad comparable a la de un convertidor de 8 bits. Si lo que se necesita es precisión y no velocidad, existe una variante de este circuito en modo fotovoltaico, que sacrifica ancho de banda a cambio de mucha mejor linealidad y menos deriva.

Otras aplicaciones

El LOC110 aparece siempre que hay que cruzar una barrera de aislamiento sin perder la forma de la señal — realimentación de fuentes, instrumentación médica o control industrial:

• Realimentación en fuentes conmutadas aisladas. Sensar la tensión del secundario y llevarla al controlador del primario sin romper el aislamiento de la fuente.
• Instrumentación médica. Equipos de ECG o EEG, donde los electrodos conectados al paciente deben quedar separados por una barrera de alta tensión del resto del equipo.
• Control industrial. Sensores de temperatura y transmisores situados lejos del controlador o en entornos con alta tensión cerca; el aislamiento protege tanto al equipo como a quien lo maneja.
• Telecomunicaciones. Acoplamiento de señal entre la línea telefónica y la electrónica del equipo, un caso clásico en módems.
• Sustitución de transformadores de señal. Donde antes hacía falta un transformador voluminoso, con la ventaja añadida de acoplar también la componente de continua.