Aislamiento analógico vs Aislamiento digital

Como regla general, el voltaje de la red de CA siempre debe estar aislado por un transformador o algún tipo de dispositivo de aislamiento. También debe haber alguna forma de limitar tanto la corriente (fusible) como el voltaje (TVS o MOV) en cada línea.

Dependiendo de sus planes para esta aplicación y de dónde pretende 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 recinto, las distancias de espacio libre y lo que sucede cuando las cosas van mal como mínimo. Digamos que una resistencia o diodo en el diseño falla, ¿su diseño inicia un incendio? Si algo se incendió, ¿podría el fuego extenderse fuera de la caja? ¿Podría alguien recibir una descarga eléctrica al tocar la caja si se soltara un cable? Estas son cosas en las que debe pensar antes de intentar medir el voltaje de la red. También determinan la cantidad de aislamiento requerida.

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

Los amplificadores operacionales de aislamiento realmente baratos generalmente están destinados a 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/ruido se verá afectada. Además, la ganancia puede variar de un canal a otro. Esto puede o no ser un problema para su aplicación. Depende de la precisión que esté tratando de lograr. El rango de entrada pequeño generalmente ha sido un problema para mí, por lo que no he probado este enfoque, aunque podría funcionar.

También probé el aislamiento digital. Los aisladores digitales son abundantes y baratos. Personalmente, he usado aisladores digitales para bus CAN, I2C y SPI. El front-end típico suele ser algún tipo de circuito de filtro seguido de un amplificador operacional y luego AtoD. El AtoD está aislado de la MCU mediante el aislador digital. Dado que el AtoD está aguas arriba del aislador, no es necesario considerar el ruido de cuantificación del aislador. Esto produce una medición más precisa con un ancho de banda más amplio.

Un punto final. La seguridad siempre triunfa sobre el costo y debe ser su principal preocupación.

Dados los precios ridículamente bajos de las MCU con ADC integrados decentes, la forma más sencilla de hacerlo sería hacer un 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 económico impulsado directamente desde la MCU. El MCU y el optoacoplador tienen requisitos de consumo de energía muy modestos, por lo que puede alimentarlos directamente desde la línea principal que está monitoreando usando un capacitor en serie, una resistencia y un regulador de voltaje de derivación económico, tal vez solo un diodo Zener sería suficiente. El precio aproximado del lado de alto voltaje podría ser un poco más de $ 10 en una cantidad de 100 o más o menos.

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

Ahora, si está tratando de medir armónicos detallados o eventos transitorios rápidos, es posible que esto no sea suficiente, pero para muchas aplicaciones, un transformador de red montado 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 necesite, un Jellybean 6N137 hará 30 Kbaudios más o menos, y hay algunos micros muy pequeños en estos días para codificar la salida del ADC en algo asíncrono que pasará el opto...

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

Y sí, los proveedores de chips tienden a publicar libros blancos que favorecen sus soluciones, de la misma manera que el departamento de marketing escribe la primera página de la hoja de datos...

Le sugiero que centre su diseño primero en el aislamiento certificado U/L requerido. Elija un optoaislador con clasificación U/L realmente decente como el OPI1268S: http://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Optek%20PDFs/OPI1268S_Brief.pdf
Ya ha seleccionado una fuente de alimentación decente.

Ahora puede dejar que todo el frente de medición (micro y A/D) flote a la tensión de la red. Parecería que no necesita A/D de alta velocidad (de su selección), y si puede arreglárselas con un A/D de 10 bits, entonces podría usar algo tan simple como un Arduino Nano para la interfaz y luego controlar el optoaislador. a su back-end.

Piezas: $4,50 por fuente de alimentación aislada para sección aislada (es decir, R1SE-0505-R) (certificado U/L de aislamiento de 1 kV)
$2 Resistencias de compensación/ganancia de precisión
$4 Arduino Nano ( http://store.gravitech.us/arna30wiatp.html )
$6.60 OPI1268S ( http://www.digikey.com/product-detail/en/tt-electronics-optek-technology/OPI1268S/365-1562-ND/2744562 ) (certificación U/L de aislamiento de 2 kV)

Sobre la imagen (¿no entiendes?) con resistencias R4 y R3, @ 250V ac, pico 400 Vdc). Tenga en cuenta que las resistencias se especifican con un voltaje nominal (... 100 V?)... si usa piezas SMD... Verifique que 2 resistencias sean suficientes.

¿Por qué no usar una transmisión a través de un circuito nRF? Todos los problemas se resuelven sobre el aislamiento.