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Introducción Separadores con o sin energía auxiliar Transductores de medida Características de transmisión Alimentación Seguridad eléctrica Seguridad funcional Espacio necesario

Características de transmisión

Las características de transmisión que se le exigen a un aparato para la transmisión de señales vienen determinadas por diferentes factores. Además de los requisitos de precisión y de velocidad de transmisión de señales se deben tener en cuenta los datos de entrada de los dispositivos posteriores, las características de la señal a transmitir y, en su caso, también las condiciones ambientales.

3.1 Transmisión de corriente o de tensión

Los primeros criterios para la selección de un amplificador separador o de transductor de medida son la señal de entrada a procesar y la señal de salida necesaria. Por lo general la señal de salida viene determina por los aparatos posteriores, tales como reguladores, indicadores, PLC, PLS ,etc.; aunque muchos de estos aparatos también disponen de entradas de corriente y de tensión.

Si existen ambas opciones se optará primero por las señales de corriente, sobre todo para recorridos de transmisión largos (ver Fig. 14) ya que las señales de corriente imprimidas son netamente menos sensibles al acoplamiento de interferencias que las señales de tensión.

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Fig. 14: Transmisión de una señal de medición a larga distancia

3.2 Resistencia de entrada


Generalmente, las resistencias de entrada de los amplificadores separadores modernos se calculan de manera que tengan un ohmiaje que sea lo bastante alto para entradas de tensión y lo bastante bajo para entradas de corriente, de forma que la señal a procesar apenas sufra carga alguna. La resistencia de entrada podría ser un criterio a la hora de elegir amplificadores separadores solo en ciertos casos (señales de tensión muy pequeñas con una resistencia interna elevada o señales de corriente con capacidad de carga reducida). La resistencia de entrada del amplificador separador VariTrans® P 41000, desarrollado especialmente para aplicaciones shunt tiene con sus 100 kΩ un ohmiaje relativamente bajo en comparación con otros amplificadores separadores. Sin embargo, para usarlo en shunts cuyas resistencias estén en el rango de mΩ, este valor es siempre algunas potencias decimales superior a lo necesario.

3.2.1 Caída de tensión de entrada

En diferentes amplificadores separadores con entrada de corriente, así como en separadores sin energía auxiliar, la carga de la señal de entrada no se indica como resistencia de entrada, sino como caída de tensión. En funcionamiento normal, esta caída de tensión es constante y se cifra en amplificadores separadores activos en un máximo de 500 mV en función del modelo. En separadores pasivos se produce una caída de tensión en la entrada que resulta de la demanda de tensión propia del aparato más la tensión de carga en la salida. Por este motivo, antes de utilizar separadores pasivos se deberían conocer tanto la capacidad de carga de la señal de medición como la carga conectada a la salida del separador. Los separadores pasivos de Knick con la función paro de carga Bürdenstop® constituyen una excepción: la corriente suministrada en el lado primario se mantiene sin efecto retroactivo independientemente de la carga de salida.

3.3 Capacidad de carga de la salida

Por lo general la capacidad de carga de las salidas de tensión se caracteriza por la corriente máxima. Prácticamente todos los fabricantes indican un valor de resistencia para la capacidad de carga en salidas de corriente aunque este dato no ofrece una descripción del todo correcta de la capacidad de carga de las corrientes de salida de los amplificadores separadores de Knick, por lo que en este caso la capacidad de carga de la salida se indica "tradicionalmente" como valor de tensión.

Por ejemplo, a una salida de corriente de 20 mA con una capacidad de carga de 10 V se le puede aplicar una carga de 2 kΩ con 5 mA o de 1 kΩ con 10 mA.

Por lo tanto, la indicación de la tensión de carga máxima admisible de 10 V es válida para todos los valores de corriente, mientras que el dato de 500 Ω se aplicaría únicamente a 20 mA.

3.4 Precisión de transmisión

Muchos separadores de Knick se distinguen por sus reducidos errores de transmisión superando así las exigencias de precisión de prácticamente todas las tareas de medición necesarias en la técnica de medición industrial. La estabilidad a largo plazo de los separadores de potencial de Knick asegura la máxima precisión de transmisión, incluso más allá de la garantía de cinco años que se concede para los amplificadores separadores y para los transductores de medida de Knick.

3.4.1 Calidad de reproducción de señales de medición

La reproducción más fiel posible de la señal de entrada no solo se necesita en aplicaciones de la técnica de medición. Las distorsiones de la señal en caso de cambios de polaridad, sobreoscilaciones en caso de variaciones de la señal y pendientes extremas en la transmisión rectangular son habituales en muchos de los amplificadores separadores disponibles en el mercado. En un primer momento, el usuario no es consciente de estas características no deseadas y solo durante el funcionamiento se detectan con frecuencia errores de medición a priori inexplicables. En caso de exploración digital cíclica de valores medidos, las distorsiones de la señal causadas, p. ej., por sobreoscilaciones pueden causar considerables errores de medición. Por este motivo, a la hora de desarrollar los amplificadores separadores de Knick se le da gran importancia desde siempre a la precisión de la reproducción de las señales en la transmisión.

3.4.2 Ondulación residual

A la señal de salida de los amplificadores separadores y de los transductores de medida se le superponen por principio pequeñas tensiones de perturbación. Estas tensiones de perturbación están causadas, p. ej., por la frecuencia del troceador así como por la penetración de red. La amplitud de esta tensión de perturbación denominada ondulación residual debería ser lo más reducida posible ya que de lo contrario, sobre todo con una modulación reducida, no se podrían descartar alteraciones en los valores medidos.

3.5 Coeficiente de temperatura (deriva de amplificación)

El coeficiente de temperatura o la deriva de amplificación es un dato que describe variaciones de la amplificación provocadas por cambios de temperatura. Los ratios de deriva se indican como magnitud relativa en %/K o como valor absoluto,
p. ej. en nA/K o μA/K. En caso de indicación como valor absoluto se debe prestar atención a si el CT se refiere a la entrada o a la salida.

Ejemplos:

– El coeficiente de temperatura a la salida de un amplificador separador es de máx. 10 nA/K. Un cambio de temperatura de 20 K produce una variación de la corriente de salida de 20 · 10 nA = 200 nA.

– El CT de un transductor de medida es de 0,0025 %/K. Un cambio de temperatura de 20 K produce una variación de la amplificación de 20 · 0,0025%= 0,05 %.

3.6 Tensión offset, corriente offset

En amplificadores reales aunque la señal de entrada sea cero, la magnitud de salida no es exactamente cero. Por definición, la tensión offset de un amplificador es la tensión que se debería aplicar en la entrada para que la magnitud de salida fuese cero, por lo que actúa como una tensión de entrada o como una tensión adicional en serie con la señal de entrada (ver Fig. 15).

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Fig. 15: Tensión offset

La corriente offset de entrada de un amplificador actúa del mismo modo que una señal de entrada adicional (ver Fig. 16). En amplificadores con entrada de tensión, la corriente offset produce en la resistencia interna de una fuente de tensión de señal una caída de tensión que se suma a la señal de entrada. En los amplificadores separadores de Knick, la tensión offset y la corriente offset son tan reducidas que se pueden despreciar cuando se trata de aplicaciones corrientes. La influencia del offset solo se debería tener en cuenta en aplicaciones muy especiales,
p. ej. en la transmisión 1:1 de señales de medición muy pequeñas o en la transmisión o amplificación de señales de ohmiaje muy alto. La polaridad de las magnitudes de offset depende de cada ejemplar por lo que se indica sin signo como magnitud.

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Fig. 16: Corriente offset

3.7 Frecuencia límite

Los amplificadores separadores y los transductores de medida están diseñados para la transmisión o la amplificación de señales de tensión continua. Los módulos de Knick también son apropiados, con ciertos límites, para la transmisión de magnitudes alternas para poder transmitir prácticamente sin retardo incluso variaciones rápidas de los valores medidos. La frecuencia límite superior para señales senoidales llega hasta 12 kHz en función del modelo. Tal como es usual en el ámbito de la electrónica y de las telecomunicaciones se define como frecuencia límite superior aquella frecuencia con la cual la amplificación se atenúa en 3 dB frente a la amplificación de CC; es decir, que se corresponde con aprox. un 71 % de la amplificación de CC (ver Fig. 17).

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Fig. 17: Frecuencia límite

3.8 Comportamiento de modo común

Si se aplica en ambas entradas de un amplificador simétrico la misma tensión Tmc contra tierra, la tensión de entrada Te se mantiene en = 0. A este modo de funcionamiento se le denomina como modulación de modo común. Con un amplificador simétrico ideal, la tensión de salida Ts debería mantenerse asimismo en 0, pero este no es el caso de los amplificadores reales; es decir que, a la salida, la tensión no será de 0 (ver Fig. 18). Se da siempre una modulación de modo común cuando la tensión de señal no se encuentra en el potencial de tierra; es decir, cuando existe una diferencia de potencial entre (ambos) cables de entrada y el de tierra , p. ej. en la medición de tensión en un shunt elevado frente al potencial de tierra.

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Fig. 18: Modulación de modo común

Las tensiones de modo común también se pueden presentar como tensiones de perturbación de modo común, p. ej. durante procesos de conmutación, mediante interferencias en los cables de señales o mediante corrientes de compensación. La relación entre una tensión de modo común aplicada y la tensión de salida resultante se denomina amplificación de modo común. Sin embargo, en la práctica resulta más interesante la desviación del comportamiento de modo común ideal de un amplificador, la cual se indica como supresión de modo común. La supresión de modo común S se define como el cociente entre el modo común y la amplificación de modo común o como la relación logarítmica entre una tensión de modo común Tmc aplicada y una tensión de señal Td que produciría la misma señal de salida. S = 20 · log (Tcm/Td) [dB].

Ejemplo:

La modulación de modo común de un amplificador separador con Tmc = 800 V produce, con una supresión de modo común de 120 dB, un error de modo común a la entrada de
Td = 800 V/10120/20 = 0,8 mV. Con un amplificador separador con una sensibilidad de entrada de 60 mV se obtiene pues un error de modo común de aprox. 1,3 % del valor final del rango. Para tensiones de modo común en el rango de CC y de CA de baja frecuencia (50 Hz) se suele poder realizar sin problemas una supresión elevada de modo común. En este caso dicho error de modo común es despreciable en los amplificadores separadores de Knick. Sin embargo, la supresión de modo común de los amplificadores depende de la frecuencia y se reduce claramente según esta aumenta. A este hecho contribuye de forma esencial la capacidad de acoplamiento entre el devanado primario y el secundario del transmisor utilizado, que no se puede reducir libremente con un gasto justificable. Por este motivo, la supresión de modo común es bastante menor en el caso de tensiones de modo común en forma de impulsos o de variaciones rápidas de la tensión de modo común.

Las tensiones de modo común transientes pueden estar causadas por procesos de conmutación singulares o periódicos, p. ej. en convertidores de corriente controlados por tiristor. En los amplificadores separadores de la serie VariTrans® P 40000 se utilizó la tecnología TransShield® para la supresión de este tipo de impulsos de modo común, una tecnología que permite transformadores de alta tensión más compactos y de baja dispersión frente a las estructuras convencionales. Gracias a la ventaja dimensional resultante, los separadores shunt VariTrans® P 41000 se han podido fabricar en una carcasa en línea con un ancho de tan solo 22,5 mm. Las perturbaciones de modo común, tales como sobretensiones transientes elevadas, se separan con protección y prácticamente no causan errores de medición a la salida. Para la correspondiente indicación de datos se define el concepto de T-CMRR (Transient Common Mode Rejection Ratio) que describe el cociente entre la amplificación de modo común diferencial y la amplificación de modo común de una señal de perturbación transiente con una velocidad de aumento de
1000 V/μs (ver Fig. 19).

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Fig. 19: Circuito de prueba para la medición de T-CMRR

Por este motivo, los dispositivos de la serie VariTrans® P 40000 son particularmente apropiados para mediciones en shunts donde se prevén tensiones de impulso de modo común o tensiones de modo común de variación rápida. Los amplificadores separadores alcanzan un valor T-CMRR de 115 dB; la supresión de modo común para perturbaciones de 50 Hz es de 150 dB.