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Medidas seguras com isoladores (INS163)

A medida de sinais de pequenas intensidades em circuitos que estejam sujeitos a picos, surtos e transientes de alta tensão exige cuidados especiais. A presença desses picos não só pode causar danos ao instrumento de medida como também é perigosa para o próprio operador do instrumento. Nos casos em que essa possibilidade existe, o uso de isoladores é altamente recomendável e como isso pode ser feito é assunto do artigo que apresentamos.

Trabalhando com circuitos de precisão em que devem ser medidos sinais de pequenas intensidades, a presença de picos, transientes ou surtos de alta tensão consiste numa ameaça para a integridade do instrumento e para a própria segurança do operador.

Para o instrumento, estando ajustado para sinais de pequena intensidade um pico de alta tensão pode facilmente causar uma sobrecarga perigosa para os componentes. Da mesma forma, um pico muito alto pode chegar até o operador, ameaçando assim sua segurança.

Para se evitar que isso ocorra deve ser utilizado algum tipo de recurso que não afete a integridade dos sinais que vão ser medidos e ao mesmo tempo isole o instrumento do circuito em que está o sinal visado, protegendo tanto o operador como o próprio instrumento. Uma solução para isso está no uso dos isoladores.

 

Usando Isoladores

Os isoladores podem oferecer uma ampla faixa de tensões em modo comum e, além disso, eles interrompem eventuais retornos de terra entre os pontos que compartilhem um terra comum, capazes de introduzir tensões diferenciais nos próprios sistemas de medida.

Os isoladores usados em equipamentos de medida estão sujeitos a padrões de segurança rígidos, pois eles estão diretamente ligados à segurança do operador humano.

O padrão principal que governa as características desses componentes é o IEC 61010-1. Nesse padrão tensões de 30 Vrms, 42,2 v de pico e 60 Vdc são consideradas tensões perigosas.

Partindo então desse padrão, os isoladores são classificados em quatro categorias.

 

As Especificações

As especificações do padrão IEC 610101 classificam os isoladores nas seguintes categorias:

 

* Funcional

Nessa categoria o isolador deve proporcionar uma interrupção do loop de terra com proteção mínima. Ele não precisa fornecer proteção contra choque elétrico.

 

* Básico

Na categoria básica de isolamento, não se tem somente um nível simples de isolamento, mas também o isolador não deve permitir que o usuário esteja sujeito a choques elétricos, ou seja, ele deve ter acesso ao sistema sem perigo.

 

* Duplo

Para proteger mais o usuário contra o perigo de choques, o isolamento duplo acrescenta uma segunda camada de proteção ao isolamento básico.

 

* Reforçado

Finalmente, temos o isolamento reforçado que tem um isolamento apenas, mas que proporciona uma proteção contra choque equivalente ao isolamento duplo, ao mesmo tempo que agrega um modo a prova de falhas que coloca componentes e processos em um estado seguro se ocorrer alguma falha.

O padrão também especifica a tensão de trabalho, e o tipo de isolador que deve ser usado em cada equipamento.

Nesse caso temos o que se denomina afastamento que é a distância mínima que deve ter cada percurso de corrente em função da tensão, de modo a não haver perigo de centelhamento. Para uma tensão de 300 V, por exemplo, a distância mínima exigida é de 3 a 4 mm.

A padrão também especifica a distância mínima que separa fios fora de um equipamento para as tensões que eles devem conduzir.

 

Tipos de Isoladores

Existem diversos tipos de isoladores que podem ser usados em conjunto com instrumentos de medidas para proteger tanto o instrumento como o operador. Os principais são:

 

* Magnéticos ou Indutivos

Os isoladores magnéticos se baseiam em transformadores, onde a energia é transferida do circuito medido para o circuito de medição através de um campo magnético, sem a existência de contacto elétrico portanto. Esses isoladores são mais eficientes em termos de transferência de energia, sendo preferidos nas aplicações à longa distância.

No entanto, esses isoladores estão sujeitos à interferência magnética, podendo absorver sinais que aparecer sobrepostos ao sinal que deseja medir.

 

* Capacitivos

Os isoladores capacitivos funcionam como um capacitor em que existe uma barreira de óxido que isola os dois circuitos.

Os problemas básicos desse tipo de isolador estão na sua sensibilidade a sinais de alta freqüência, que podem passar sem problemas para o circuito de medida, e também na baixa tensão de isolamento.

O rompimento do dielétrico por um pico mais alto de tensão causa a destruição do isolador, colocando em risco tanto o instrumento como seu operador.

 

* Ópticos

Os isoladores ópticos ou opto-isoladores consistem numa solução mais segura para esse tipo de aplicação porque são imunes a EMI e têm uma tensão de isolamento muito alta, tipicamente de 5 kV ou mais.

Além disso, eles podem ser encontrados numa grande variedade de tipos com invólucros que apresentam uma separação de terminais de 8 mm que é exigida pelos padrões.

Os tipos mais antigos de acopladores ópticos tinham como limitação sua baixa velocidade de resposta que impedia seu trabalho com sinais de freqüências elevadas. No entanto, os tipos mais modernos alcançam tempos de propagação da ordem de 20 ns, o que significa a possibilidade de se analisar sinais digitais até 50 Mbits/s.

Os isoladores ópticos também são muito eficientes na rejeição de sinais em modo comum, como os transientes que podem aparecer simultaneamente nas duas linhas de acoplamento, deixando passar apenas os sinais diferenciais que devem ser medidos.

A Avago (www.avagotech.com) é uma das empresas que possui uma ampla linha de isoladores para aplicações instrumentação que atendem às normas IEC/EM/DIN EM 60747-5-2 para componentes semicondutores de isolamento, com isolamento reforçado.

Um exemplo de isolador óptico da Avago indicado para aplicações em instrumentação é o HCP-181 que possui um LED emissor infravermelho e um foto-transistor sensor, conforme mostra a figura 1.

 

Isolador óptico com transistor.
Isolador óptico com transistor.

 

Esse componente tem especificações de acordo com as normas IEC/EM/DIN EM 60747-5-2 é fornecido em invólucro MINI-FLAT de 2 mm, com pinagem conforme mostra a figura 2.

 

Pinagem do isolador.
Pinagem do isolador.

 

Outras características de destaque são a corrente do LED de 5 mA, a alta tensão de isolamento de 3 570 V, e o tempo de resposta típico de 4 us com IC=2 mA e RL = 100 ?.

Um outro acoplador interessante para esse tipo de aplicação é o HCPL-070 que se caracteriza pela baixa corrente do LED, de apenas 0,125 mA para uma taxa de sinais com ciclo ativo de 50%. Na figura 3 temos a configuração desse isolador, disponível em invólucro SOIC-8.

 

Isolador com foto-Darlington.
Isolador com foto-Darlington.

 

 

Outras Aplicações

Além da utilização nos próprios instrumentos, os isoladores também encontram aplicação nos sistemas de medida incorporados a equipamentos como, por exemplo, em sistemas de aquisição de dados.

A idéia básica para agregar proteção tanto aos circuitos como aos operadores consiste em se utilizar isoladores ópticos em todos os pontos em que os sinais transferidos estejam sujeitos a transientes, picos, surtos ou ainda onde o operador possa estar sujeito a problemas de choques, pela passagem desses mesmos transientes, picos e surtos.

 

Diagrama de blocos.
Diagrama de blocos.

 

Na figura 4 temos uma sugestão de utilização dos acopladores num sistema de aquisição de dados. O diagrama de blocos é sugerido pela Avago Technologies para a utilização dos seus próprios isoladores (opto-couplers). Observe a colocação dos isoladores nos pontos sensíveis do circuito.

 

Conclusão

A segurança tanto dos circuitos interfaceados como, por exemplo, dos instrumentos de medida e a segurança dos operadores não devem ser desprezadas. A inclusão de recursos simples como os isoladores pode ser muito importante para a preservação da integridade dos circuitos e dos seres humanos. Leve em conta a utilização de isoladores.

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