Encontrar formas de proteger las aplicaciones industriales de las altas tensiones sigue siendo una tarea importante para los desarrolladores. En este artículo de Hakan Uenlue, de Analog Devices, puede revisar una sugerencia de diseño que muestra cómo los desarrolladores pueden lograr la protección contra sobretensiones mediante el uso de amplificadores de libre transmisión® (OTT).
Incluso las aplicaciones industriales a veces experimentan tensiones superiores al suministro del sistema. Aunque en este caso los potenciales no son tan elevados como, por ejemplo, en la electrónica automotriz, a menudo pueden ser superiores a las tensiones habituales del sistema. Algunas de las tensiones del sistema pueden ser incluso demasiado altas para muchos amplificadores OP. Esto supone un gran reto para las interfaces analógicas (AFE). Las tensiones más altas pueden, por ejemplo, hacer que los diodos de entrada internos de un amplificador típico se encargue de la conducción. Cuanto más tiempo se mantenga este estado, más probable es que se produzca un mal funcionamiento o incluso una falla. Los desarrolladores pueden tomar las medidas preventivas correspondientes con circuitos de protección externos con, por ejemplo, diodos o resistores externos. Sin embargo, estos componentes adicionales necesitan espacio en la placa y tienen desventajas, como las corrientes de dispersión, la capacitancia adicional y el ruido. Por este motivo, una solución de IC integrada con tecnología de libre transmisión es la mejor opción.
¿Cómo funciona la tecnología de libre transmisión?
Para una explicación simplificada, se puede considerar la parte interna de la última generación de ADA4098-1 o ADA4099-1. Estos amplificadores OP de libre transmisión tienen dos etapas de entrada cada uno. La primera es una etapa diferencial de emisor común formada por transistores PNP que funcionan para señales de entrada entre el suministro negativo (–VS), hasta un valor aproximado de 1,25 V menos que el suministro positivo (+VS). La segunda es una etapa de entrada de base común formada por otros transistores PNP que funcionan para señales de entrada cuya tensión en modo común es de +VS – 1,25 V o superior. En la Figura 1 mostramos un ejemplo del circuito interno. La primera etapa está diseñada con los transistores Q1 y Q2, mientras que la segunda tiene los transistores Q3 a Q6.
Figura 1. Una representación simplificada de la estructura interna (tomada del ADA4098-1 como la última generación)
Estas etapas de entrada dan lugar a dos rangos de operación distintos, pero complementarios. Las tensiones de desplazamiento de las dos etapas de entrada están fuertemente recortadas y se indican en las hojas de datos.
Cuando la tensión en modo común de las entradas se aproxima a +VS, se activa la segunda etapa y el amplificador OP pasa a estar en modo de libre transmisión. Esto puede ser motivo de sobretensión en varias aplicaciones. Por ejemplo, para la medición de la corriente del lado alto, las tensiones podrían superar el potencial de suministro del sistema debido a efectos parasitarios o relacionados con la carga, aunque sea de manera temporal. Los amplificadores típicos permiten tensiones de señal hasta el rango de la tensión de suministro. Si las entradas superan con mucho este rango, suelen encenderse los diodos internos y fluye por ellos una corriente eléctrica importante. En función de la tensión y las corrientes de la señal, estos incrementos pueden interrumpir el funcionamiento del amplificador o incluso, en el peor de los casos, provocar que falle el circuito integrado.
A diferencia de los típicos amplificadores OP, que experimentan este tipo de problemas, los amplificadores con libre transmisión pueden tolerar tensiones de entrada diferenciales de hasta 80 V. En este estado, el nivel de salida se satura hasta el suministro positivo (+VS). La salida conserva su capacidad en este estado para disipar o proporcionar corriente dentro de los límites de la hoja de datos. Una vez que las entradas vuelven al rango normal de operación (–VS a +VS), el nivel de salida también volverá al rango lineal habitual sin que se produzca ningún daño o degradación de la precisión de CC. El caso es similar para tensiones de modo común de hasta 70 V.
Ejemplos de aplicación y consejos para amplificadores con tecnología de libre transmisión
En la Figura 2 mostramos algunos ejemplos de medición de corriente. El ADA4098-1 es la versión de bajo consumo, mientras que el ADA4099-1 tiene un mayor ancho de banda y una mayor velocidad de subida de tensión.
Figura 2. Ejemplos de medición de corriente con el ADA4098-1
En la medición del lado bajo, la ganancia proviene de los resistores R2 y R3. El diodo D1 mejora la precisión del suministro único a bajas corrientes de carga.
En la medición de la corriente del lado alto, los resistores de 1 kΩ y 100 Ω (en la parte superior) son decisivos para la ganancia. Los resistores en las entradas del amplificador proporcionan, entre otras cosas, un filtrado. En este caso, un resistor del 1 % sería óptimo. Las posibles corrientes de polarización de entrada provocan una caída de tensión a través de estos resistores, y las tolerancias estrechas, como las del 1 %, ayudarán a minimizar aquí los rangos de caída de tensión.
La salida del ADA4098-1 puede oscilar sin carga de carril a carril dentro de 45 mV de ambos suministros. La salida puede suministrar 24 mA y disipar 35 mA. El amplificador está compensado a nivel interno y puede manejar una capacitancia de carga de 200 pF (mín). Se puede interponer un resistor en serie de 50 Ω entre la salida y las cargas capacitivas más altas para ampliar la capacidad del disco de la carga capacitiva del amplificador.
Si la salida VOUT acciona un circuito con un potencial inferior y este circuito descendente tiene diodos de protección para sus propios rieles de tensión, tendría sentido colocar un resistor en VOUT. Esto limitaría las posibles corrientes que fluyen hacia el circuito descendente.
El ADA4098-1 tiene un pin dedicado SHDN para poner el amplificador en un estado de apagado muy bajo cuando este pin se establece como alto. Un nivel lógico alto se define por una tensión de ≥1,5 V aplicada al pin SHDN con respecto al pin –VS. El pin VOUT está entonces en un estado de impedancia alto. Como método alternativo, el amplificador puede colocarse de forma efectiva en un estado de baja potencia mediante la eliminación del suministro positivo. En ambos modos de desconexión, la libre transmisión sigue activa y se pueden aplicar tensiones de hasta 70 V sobre –VS a los pines de entrada.
Otros usos del amplificador de libre transmisión, además de las mediciones de corriente o potencia, son las interfases de sensores o los bucles de corriente de 4 mA a 20 mA. Encontrará información detallada, otros ejemplos de aplicación y cálculos en la hoja de datos.
Conclusión
Este artículo demuestra cómo los amplificadores de libre transmisión pueden proporcionar protección contra la sobretensión. Gracias a su circuito interno inteligente y preciso, los amplificadores de libre transmisión ofrecen, al mismo tiempo, robustez y precisión.
Los amplificadores de libre transmisión de quinta generación de Analog Devices’ aportan la última protección contra sobretensiones del laboratorio a su diseño de circuitos. Los amplificadores OP de libre transmisión, como el ADA4098-1 y el ADA4099-1, ofrecen mayores tolerancias de tensión, más allá de los rieles, a la vez que consiguen menores errores de desplazamiento y valores de ruido.