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Propriedades de Transmissão

As propriedades de transmissão requeridas por um instrumento para transmissão de sinal são determinadas por vários fatores. Além dos requisitos de precisão e velocidade da transmissão do sinal, os dados de entrada dos instrumentos seguintes, as propriedades do sinal transmitido e as condições ambientais precisam também ser levados em consideração.

3.1 Transmissão de corrente ou tensão

Os primeiros critérios para selecionar um isolador são: o sinal de entrada a ser processado e o sinal de saída requerido. O sinal de saída é geralmente determinado por instrumentos como controladores, indicadores, PLCs, PCSs, etc., sendo que muitos desses instrumentos têm entradas de corrente ou tensão alternativos.

Se houver ambas as possibilidades, os sinais de corrente devem ser usados em transmissões mais longas (ver Fig.  14). Sinais de corrente injetados são consideravelmente menos sensíveis do que sinais de tensão.

Transmissão de um sinal medido em grandes distâncias

Fig. 14 – Transmissão de um sinal medido em grandes distâncias

 


3.2 Resistência de entrada
Os resistores de entrada de amplificadores isoladores modernos são geralmente dimensionados para ter uma resistência suficientemente alta para entradas de tensão e suficientemente baixa para entradas de corrente, de modo que a carga sobre o sinal processado seja praticamente nula.  A resistência de entrada seria levada em consideração na seleção de amplificadores isoladores somente em alguns casos (sinais de tensão muito baixos com alta resistência na origem ou sinais de corrente com baixa capacidade de carga).

A resistência de entrada dos amplificadores isoladores série IsoAmp® 23000/24000, especialmente desenvolvidos para conexões em shunt, é de aproximadamente 25 kΩ, relativamente baixa comparada com a de outros amplificadores isoladores. Todavia, para conexões em shunt com resistência na faixa de mΩ, a resistência é sempre várias vezes a potência de dez mais alta do que a requerida.

3.2.1 Queda de tensão na entrada
Em vários amplificadores isoladores com entrada de corrente e transformadores CC alimentados pela malha, a carga sobre o sinal de entrada é especificada como queda de tensão e não como resistência de entrada. Essa queda de tensão é constante em operação normal e 500 mV máx. nos amplificadores isoladores, dependendo do modelo.

Em isoladores passivos, há uma queda de tensão na entrada resultante da demanda natural de tensão do instrumento mais a tensão da carga na saída. Antes que os isoladores passivos sejam usados, a capacidade de carga do sinal de medição e a carga conectada à saída do isolador precisam ser conhecidas.

3.3 Capacidade de carga da saída
A capacidade de carga das saídas de tensão é geralmente indicada pela corrente máxima.

Quase todos os fabricantes especificam um valor de resistência para a carga da saída de corrente. Essa especificação de capacidade de carga das saídas de corrente dos amplificadores isoladores Knick não é absolutamente correta. Portanto a capacidade de carga da saída é “tradicionalmente” dada como um valor de tensão. Uma saída de corrente de 20 mA com uma capacidade de carga de 10 V pode ter uma carga, por exemplo, de 2 kΩ a 5 mA ou 1 kΩ a 10 mA. A especificação da tensão de carga máxima admissível de 10 V, portanto, aplica-se para cada valor de corrente, ao passo que 500 Ω seria aplicado exclusivamente para 20 mA.

3.4 Precisão de transmissão
Os amplificadores isoladores Knick distinguem-se parcialmente pelos erros de transmissão extraordinariamente baixos de modo a satisfazer os requisitos de precisão de praticamente todas as tarefas de medição industrial  A longa estabilidade dos isoladores elétricos Knick assegura a máxima precisão dos sinais transmitidos além dos 5 anos de garantia concedidos pela Knick.

3.4.1 Qualidade dos sinais de medição
A máxima precisão possível na transmissão do sinal de entrada é necessária não apenas para aplicações em engenharia de testes. As distorções de sinal – causadas por mudanças de polaridade, picos no caso de mudanças de sinal, ângulos extremos em transmissão de onda quadrada – são a regra em muitos amplificadores isoladores disponíveis no mercado. Essas propriedades indesejáveis não são imediatamente perceptíveis ao usuário. Frequentemente só são detectadas depois de aparecerem erros inexplicáveis durante a operação.  No escaneamento digital cíclico dos valores medidos, as distorções de sinal, por exemplo, devido a overshoots podem causar graves erros de medição. Por essa razão, a Knick tradicionalmente estuda com rigor a precisão da transmissão de sinais no desenvolvimento de seus amplificadores isoladores.

3.4.2 Onda residual
O sinal de saída dos amplificadores isoladores CC é afetado principalmente por baixas tensões de interferência. Essas tensões de interferência são causadas, por exemplo, pela frequência de choppers e por elevações da rede elétrica. A amplitude dessa tensão de interferência, chamada de onda residual, deve ser a mais baixa possível, do contrário os erros de medição não podem ser eliminados,  especialmente com baixa modulação.

3.5 Coeficiente de temperatura (queda de ganho)
O coeficiente de temperatura ou queda de ganho é uma especificação para mudanças de ganho causadas pelas mudanças de temperatura. As taxas de queda são especificadas como uma variável relativa em %/K ou como valor absoluto como, por exemplo, em nA/K ou µA/K.

Nas especificações de valor absoluto, é preciso ver se o coeficiente de temperatura refere-se à entrada ou à saída.

Exemplos:
Coeficiente de temperatura (na saída) de um amplificador isolador de, por exemplo, 10 nA/K máx. Uma mudança de temperatura de 20 K produz uma mudança na corrente de saída de 20 x 10 nA = 200 nA.

Coeficiente de temperatura de um amplificador isolador de, por exemplo, 0,0025 %/K. Uma mudança de temperatura de 20 K produz uma mudança na amplificação de 0,05 %.

3.6 Tensão offset e corrente offset
Em amplificadores (reais), a variável de saída não é exatamente  “0” quando o sinal de entrada é “0”. A tensão offset (entrada) de um amplificador é por definição (independente do ganho) a tensão que precisa ser aplicada à entrada para que a variável de saída se torne “0”. Ela age, portanto, como uma tensão de entrada ou tensão adicional que age em série com o sinal de entrada (ver Fig. 15).

Tensão offset

Fig. 15 – Tensão offset

A corrente offset (entrada) de um amplificador age também como um sinal de entrada adicional (ver Fig. 16). Em amplificadores com entrada de tensão, a corrente offset gera uma queda de tensão no resistor interno de uma fonte de tensão que é adicionada ao sinal de entrada. A tensão offset e a corrente offset são tão baixas nos amplificadores isoladores Knick que são desprezíveis em aplicações normais. As influências do offset só devem ser consideradas em aplicações muito especiais como, por exemplo, em transmissão 1:1 de sinais de medição muito pequenos ou na transmissão ou amplificação de sinais com resistência muito alta.A polaridade das variáveis offset depende de cada modelo e portanto é dada como um valor de variável sem sinal    + ou – .

Corrente offset 

Fig. 16 – Corrente offset


3.7 Frequência de corte
Os amplificadores isoladores CC são basicamente projetados para transmissão ou amplificação de sinais CC. Para transmitir mudanças rápidas no valor medido quase sem atraso, os amplificadores isoladores CC só são condicionalmente adequados para transmissão de variáveis alternantes. A frequência de corte superior dos amplificadores isoladores Knick e dos transformadores CC é de aprox. 12 kHz para sinais senoidais, dependendo do modelo.

Como limite superior de frequência, como é comum em eletrônica e telecomunicações, a frequência definida é aquela na qual o ganho é atenuado em 3 dB (em relação ao ganho CC) ou que corresponda ao valor dividido por √2 (o que equivale a aprox. 71 % do ganho CC) (ver Fig. 17).

 

Frequência de corte

Fig. 17 – Frequência de corte

 

3.8 Comportamento em Modo Comum
Se a mesma tensão Vcm é aplicada ao terra em ambas as entradas de um amplificador (simétrico), a tensão de entrada permanece em          Vin = 0. Esse modo de operação é chamado de modulação MC*. Num amplificador idealmente simétrico, a tensão de saída Vout também permaneceria em 0. Todavia esse não é o caso dos amplificadores reais, onde uma tensão aparece na saída desviando-se de 0 (Ver Fig. 18). Há sempre uma modulação MC quando a tensão do sinal não está no potencial de terra, isto é, quando há uma diferença de potencial entre as (duas) linhas de entrada e o terra como, por exemplo, em medições de tensão tipo shunt com potencial alto em relação ao terra.

Modulação MC

Fig. 18 –  Modulação MC

 

Tensões MC podem também ocorrer como tensões de interferência MC como, por exemplo, em chaveamentos, devido a interferências nas linhas de sinais ou devido a correntes de compensação.
A razão entre a tensão MC aplicada e a tensão de saída resultante é conhecida como ganho MC. Todavia, na prática, o desvio do comportamento MC ideal de um amplificador que seja indicado como rejeição em modo comum S é de maior interesse.  A rejeição MC  é definida como o quociente entre o modo oposto e o ganho MC ou como a razão (logarítmica) entre a tensão MC aplicada Vcm e um sinal de tensão Vd que produziria o mesmo sinal de saída.

S = 20 * log (Vcm/Vd) [dB]

Exemplo:
A modulação MC de um amplificador isolador com Vcm = 800 V produz um erro MC (na entrada) de 800 V/10 (120/20) = 0,8 mV com uma rejeição MC de 120 dB. Num amplificador isolador com uma sensibilidade de entrada de 60 mV, isso resulta num erro MC de aprox. 1,3 % do valor de fim de faixa.

Para tensões MC na faixa CC e CA de baixa frequência (50 Hz), geralmente é fácil obter uma alta rejeição MC. O “erro MC” nessa faixa é desprezível nos amplificadores isoladores da Knick.

A rejeição MC dos amplificadores, todavia, depende da frequência e torna-se consideravelmente menor com o aumento da frequência.  Isso é essencialmente influenciado pela capacitância de acoplamento entre as bobinas primária e secundária do transformador usado, que não pode ser reduzida como desejado.

Portanto a rejeição MC é consideravelmente menor com tensões MC com modulação de pulso ou mudanças rápidas de tensão MC.

Tensões transitórias MC podem ser causadas por chaveamentos simples ou periódicos, por exemplo, em conversores controlados por tiristores.  

Nos Amplificadores Isoladores Série IsoAmp® 23000/24000 foram implementadas medidas especiais de fabricação para suprimir esse tipo de pulso MC.

Esses amplificadores isoladores são portanto particularmente indicados para medições em shunt com os quais esperam-se pulsos de tensão MC ou tensões MC que mudam rapidamente.

O termo T-CMR (Rejeição de Transientes em Modo Comum) foi escolhido para a correspondente especificação de dados. Ela descreve o quociente entre o ganho diferencial CC e o ganho MC de um sinal transitório (interferência) com velocidade de subida de 1000 V/µs (ver Fig. 19).

Circuito de teste para medição de T-CMRR

Fig. 19 –  Circuito de teste para medição de T-CMRR

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