Soluzioni di isolamento galvanico per applicazioni di automazione industriale

Livelli di isolamento

Esistono quattro distinti livelli di isolamento: 
- Quando l'isolamento è utilizzato per consentire al sistema di funzionare correttamente, ma non necessariamente a servire come barriera contro le scosse elettriche, viene chiamato isolamento funzionale. 
- Quando l'isolamento fornisce una protezione sufficiente contro le scosse elettriche e finché la barriera di isolamento è intatta, si parla di isolamento di base. Nell'isolamento digitale di base, offriamo dispositivi in canali singoli, doppi, tripli e quadrupli, con valori di isolamento fino a 3 kV rms. 
- Le norme di sicurezza richiedono che l'isolamento di base venga integrato con una barriera di isolamento secondaria per ridondanza, in modo che la barriera aggiuntiva fornisca protezione contro gli le scosse elettriche, anche se la prima barriera non funziona. Ciò viene chiamato doppio isolamento. 
- Per rendere i sistemi compatti e comprimere il costo, è desiderabile avere un solo livello di isolamento che abbia la forza elettrica richiesta, l'affidabilità e la protezione da scosse elettriche due livelli di isolamento di base. Ciò viene chiamato isolamento rinforzato. Quando si tratta di isolamento rinforzato, il nostro portafoglio include dispositivi dual e quad con velocità fino a 100 Mb/s e valori di isolamento fino a 5,7 kV rms, il più alto del settore.

La comprensione di queste definizioni e la loro rilevanza per applicazioni reali consente di scegliere il sezionatore giusto per il vostro progetto. Il livello di isolamento e la sua metodologia di test vengono discussi a lungo nell'articolo "Isolamento rinforzato per alta tensione: definizioni e metodologie di test" pubblicato da TI.

Alcuni parametri chiave dell'isolamento

Le prestazioni di isolamento per alta tensione di un isolatore sono descritte da diversi parametri chiave. I più importanti sono: 
- La tensione di isolamento massima per transitori (VIOTM) e la tensione di tenuta per isolamento (VISO) indicano la capacità di un isolatore di resistere a tensioni elevate temporanee (inferiori a 60 secondi).
- La tensione massima di picco ripetitivo (VIORM) e la tensione di funzionamento (VIOWM) indicano la tensione continua che l'isolatore può sopportare per tutta la sua durata utile.
- La tensione di isolamento da sovraccarico massimo (VIOSM) indica la tensione massima a impulsi (forma d'onda con tempo di salita di 1,2μs e tempo di discesa di 50-μs) che l'isolatore può sopportare.
- Dissipazione e dispersione: distanza lungo la superficie del pacchetto e attraverso l'aria fra i pin su un lato dell'isolatore e i pin sull'altro lato. Le norme a livello di sistema impongono valori minimi di questi parametri in base alla tensione di funzionamento, alla tensione di picco transitorio e alla sovratensione.
- L'indice di inseguimento comparativo (CTI) indica la capacità del materiale di cui è costituito il pacchetto in fusione di trattare tensioni elevate fisse senza degradazione della superficie. Un CTI elevato permette l'uso di piccoli pacchetti per la stessa tensione di lavoro.

Ci sono molte altre specifiche nella scheda tecnica dell'isolamento, legate alla tempistica, al consumo di energia, all'immunità ai transitori e altro ancora. 

Panoramica sull'isolamento capacitivo

Gli isolatori digitali di TI utilizzano condensatori interni al biossido di silicio (SiO2) per alta tensione, allo scopo di formare la barriera di isolamento. Internamente l'isolatore è costituito da due chip collegati da fili di collegamento: un trasmettitore e un chip ricevitore che contiene i condensatori ad alta tensione.

Figure 1: Architettura con tasti On/Off utilizzata nella famiglia di isolanti digitali rinforzati ISO78xx di TI (fonte: TI)

La Figura 1 mostra lo schema a blocchi concettuale di un canale di un isolatore capacitivo digitale (DCI). La famiglia ISO78xx utilizza una architettura avanzata chiamata Architettura con tasti On/Off (OOK) per trasmettere il segnale attraverso la barriera di isolamento a base di biossido di silicio. Il flusso di bit digitale in entrata è modulato con un oscillatore a spettro esteso interno per generare segnali OOK, in modo che uno degli stati di ingresso è rappresentato dalla trasmissione di una frequenza portante e l'altro stato da nessuna trasmissione. I dispositivi ISO78xx incorporano tecniche di circuito avanzate per massimizzare le prestazioni di immunità ai transitori di modo comune (CMTI) e ridurre al minimo le emissioni irradiate dovute alla portante ad alta frequenza e alla commutazione del buffer di I/O. 

Figura 2: Esempio di isolatore in un pacchetto da 16 pin (fonte: TI)

Uno schema dei pin di un tipico isolatore digitale è mostrato in Figura 2. Si compone di due alimentatori VCC1 e VCC2, due messe a terra GND1 e GND2, e di pin di ingresso e uscita su entrambi i lati in relazione alle rispettive messe a terra; i pin da 1 a 8 si riferiscono a GND1 e i pin da 9 a 16 si riferiscono a GND2. I pin di uscita su entrambi i lati sono abilitati se il loro rispettivo pin ENx è alto o aperto; altrimenti le uscite sono in stato di alta impedenza.

Abbiamo messo insieme una guida alla progettazione per aiutarvi a iniziare a progettare con l'ampio portafoglio di isolatori digitali e funzioni isolate di TI nel più breve tempo possibile. Il nostro portafoglio comprende fra l'altro la famiglia ISO78xx di isolatori digitali rinforzati da 5,7 kV rms, la famiglia ISO73xx di isolatori digitali da 3 kV rms e la famiglia ISO71xx di isolatori digitali da 2,5 kV rms. 

Isolamento capacitivo e isolamento ottico

Diamo un'occhiata al modo in cui la tecnologia dell'isolamento capacitivo si raffronta all'altro "pezzo forte" dell'ambiente, l'isolamento ottico, largamente usato nel passato. 

Gli isolatori ottici, o optoaccoppiatori, ottengono l'isolamento convertendo dati digitali in impulsi luminosi usando un LED e quindi trasferendo informazioni attraverso un canale ottico chiuso fino a un fototransistor o fotodiodo, che li riconverte in corrente. L'isolamento è dato dalla separazione fisica di trasmettitore e ricevitore.

In che modo è possibile sommare l'isolamento ottico a quello capacitivo? Confrontiamoli in un paio di aree importanti.

Confronto di isolamento

Un isolatore capacitivo TI, con i suoi condensatori al SiO2 sotto forma di dielettrico interlivello, ha due vantaggi. In primo luogo, si tratta di uno dei materiali isolanti più robusti con il minore impatto dell'invecchiamento e, di conseguenza, estende la propria aspettativa di tempo di vita ben al di là di quelle di tecnologie concorrenti. In secondo luogo, il SiO2 può essere lavorato nella produzione standard di semiconduttori, contribuendo così a costi di produzione notevolmente inferiori. 

Un optoaccoppiatore, dall'altro lato, genera isolamento a livello di packaging. Il LED e il fotoaccoppiatore sono fissati ad un telaio spaccato in piombo, separati da uno spazio fisico che va dagli 80 ai 1000 micron, e da uno scudo isolante trasparente o silicone, affidandosi per l'isolamento a una combinazione di distanza fisica, nastro in poliammide, riempitivo di silicio e composti in plastica stampata. Questa costruzione ibrida è caratterizzata da una notevole complessità e variazione da parte a parte, cosa che aumenta i costi e diminuisce l'affidabilità.

Confronto di affidabilità

I produttori di semiconduttori e i loro clienti sono fanatici per quanto concerne la qualità e l'affidabilità. Procedure di progettazione, qualificazione e collaudo altamente sofisticate (e costose) vengono messe in atto per assicurare che i prodotti difettosi siano esclusi prima di lasciare la fabbrica e che, una volta che i prodotti sono in funzione nella loro applicazione, la loro affidabilità sia la più alta possibile. Un fallimento sul campo, quando l'isolatore è già in funzione, innesca un rigoroso processo di analisi e isolamento del guasto, seguito da azioni correttive per assicurarsi che lo stesso errore non possa mai accadere di nuovo.

Guasti nel tempo (FIT) - il numero di guasti sperimentati entro un certo periodo di tempo - è un parametro comune utilizzato dagli ingegneri della qualità e affidabilità. Per semiconduttori, è tipicamente definito come il numero di errori che può essere previsto in un miliardo (109) di ore-dispositivo di funzionamento. 

I dati empirici indicano una correlazione tra il tasso di guasti e l'aumento di temperatura o tensione. Per esempio, i tassi di guasto a 40 °C sono tre volte inferiori a quelli a 55 °C e 80 volte migliori di quelli a 125 °C; a 40 °C utilizzando una tensione inferiore del 20% il tasso di guasto migliora di un fattore di otto.

Gli optoaccoppiatori registrano un tasso di guasto considerevolmente superiore rispetto agli isolatori capacitivi. Un confronto di valori FIT per due dispositivi diversi - un isolatore digitale TI e l'altro proveniente da una importante società di optoaccoppiatori - genera la seguente tabella:

Figura 3: Confronto dei dati FIT a 55 °C per un isolatore a base capacitiva rispetto a un optoaccoppiatore al 60% di confidenza

La compatibilità elettromagnetica 

Prima di discutere di alcune applicazioni del mondo reale, vediamo brevemente la compatibilità elettromagnetica (EMC).

Si potrebbe sostenere che gli esperti di EMC basano la propria reputazione come su una sorta di magia nera - spostano un condensatore qui, modificano un layout là, e i problemi spariscono misteriosamente ... o peggiorano. Ciononostante, una valutazione dei test di conformità EMC pertinenti è fondamentale per capire come un isolatore digitale si comporterà in un'applicazione reale. 

Molte persone hanno trascorso la loro vita su questo argomento, ma non temete: per aiutarvi, abbiamo messo insieme un libro bianco completo sui 'Test di compatibilità elettromagnetica negli isolatori digitali', allo scopo di discutere le basi dell'EMC, le norme in vigore, alcune insidie da evitare e alcune impostazioni di test comuni.

Applicazioni di automazione industriale per l'isolamento galvanico 

Vi sono numerose applicazioni per dispositivi di isolamento nell'automazione industriale. In questa sezione daremo uno sguardo a tre diverse aree in cui viene utilizzato l'isolamento: acquisizione di dati analogici, comunicazioni digitali ad alta velocità e potenza isolata.

Applicazione di isolamento: acquisizione di dati analogici

Vi sono molte applicazioni industriali - telerilevamento o di controllo del motore, per esempio - dove i segnali analogici a basso livello devono essere rilevati, amplificati e digitalizzati in presenza di tensioni potenzialmente pericolose. Per una situazione di questo genere, un convertitore isolato da analogico a digitale (ADC) sembra fatto su misura. 

Vi sono numerose architetture ADC diverse - approssimazioni successive (SAR), pipeline, integrazione - ma per l'uso a bassa velocità, l'architettura delta-sigma combina alta risoluzione con basso consumo e basso costo, che lo rende ideale per molte applicazioni di rilevamento industriali.

L'AMC1304 è un modulatore isolato, di precisione delta-sigma (ΔΣ) con un regolatore LDO integrato. L'output è isolato dall'input da una barriera capacitiva a doppio isolamento certificata in grado di fornire isolamento rinforzato fino a 7000 VPEAK secondo le norme VDE V 0884-10, UL1577 e CSA. Utilizzato in combinazione con alimentatori isolati, il dispositivo impedisce correnti di disturbo, su una linea ad alta tensione di modo comune, di entrare nella terra del sistema locale e interferire o danneggiare i circuiti a bassa tensione. 

Figura 4: schema a blocchi funzionale dell'AMC1304 (fonte: TI)

I circuiti front-end dell'AMC1304 comprendono uno stadio di amplificatore differenziale e di campionamento, seguito da un modulatore feed-forward a condensatore commutato di second'ordine ΔΣ. L'AMC3104 può raggiungere 16 bit di risoluzione con una gamma dinamica di 81 dB (13,2 ENOB) a una velocità dati di 78 kSPS. 

Applicazione di isolamento: comunicazioni digitali ad alta velocità

Le comunicazioni digitali ad alta velocità sono un must nell'automazione industriale. Una moderna fabbrica collegata ha un gran numero di macchine, robot industriali, singoli sensori, attuatori e valvole sotto il controllo di microcontroller integrati, PC industriali e controllori logici programmabili (PLC). Questi dispositivi comunicano tra loro tramite una rete di comunicazione ad alta velocità, con cavi lunghi centinaia o addirittura migliaia di metri. I livelli di massa ad ogni estremità di un cavo Ethernet da trecento metri possono essere molto diversi, soprattutto in considerazione delle tensioni e correnti elevate assorbite da grandi macchine industriali quali fonderie e motori. Se vi è uno squilibrio in queste correnti, la corrente di ritorno può essere molto forte, con una conseguente tensione differenziale elevata; questo può causare danni alle reti digitali ad alta velocità. 

È possibile evitare questa situazione utilizzando un isolatore digitale ad alta velocità nella rete. TI offre una serie di isolatori digitali ad alta velocità per applicazioni di rete specializzate e utilizzo generale in I/O. 

L'ISO1176 è un ricetrasmettitore isolato a linea differenziale RS-485 che opera fino a 40 Mb/s. È stato progettato per l'uso in applicazioni PROFIBUS all'interno di applicazioni di automazione industriale, quali sensori di rete e di controllo del motore e del movimento. 

L'ISO1050 è stato progettato per l'uso con il CAN, un altro protocollo industriale diffuso. Questo dispositivo soddisfa i requisiti della specifica ISO11898-2 CAN e fornisce isolamento galvanico fino a 5000 V RMS.

Per I/O digitali ad alta velocità, l'ISO7842 è un isolatore digitale ad alto rendimento, quad-channel con tensione di isolamento di 8000 VPEAK e supporta una velocità di segnale fino a 100 Mb/s. Esso fornisce un'alta immunità elettromagnetica e basse emissioni a basso consumo energetico, isolando gli I/O digitali di CMOS o LVCMOS con tensione nominale di picco VDE 0884-10 di 4000 V. 

Applicazione di isolamento: potenza flyback

Un dispositivo isolato richiede che gli alimentatori su ciascun lato della barriera di isolamento siano isolati anche l'uno rispetto all'altro. Per applicazioni a bassa potenza a bassa tensione (1 o 2 W), TI offre convertitori isolati DC-DC come la famiglia DCH che sono integrati in un unico pacchetto; per tensioni e correnti elevate, sebbene i convertitori DC-DC utilizzino tipicamente un controller integrato e componenti discreti, è presente un trasformatore per l'isolamento ingresso-uscita. 

Un'altra applicazione di conversione della potenza dove l'isolamento è un requisito e la sicurezza è la preoccupazione principale, è nella conversione AC-DC. Anche in questo caso un trasformatore fornisce isolamento tra tensioni potenzialmente letali sul lato primario e il resto del sistema. 

Figura 5: Commutatore flyback UCC2891x (fonte: TI)

A seconda della topologia, la circuiteria di controllo può essere sul lato primario o sul secondario. La Figura 5 mostra un alimentatore flyback commutato isolato, che usa il controller UCC289x per la regolazione lato primario. L'UCC28910 e l'UCC28911 sono dispositivi ad alta tensione con un FET di potenza da 700 V che fornisce tensione d'uscita e regolazione di corrente senza fare uso di un optoaccoppiatore. Un'analisi completa del circuito è riportata qui, ma i blocchi principali del circuito sono:

1. Resistore del fusibile di input: limita la corrente di spunto sul condensatore di ingresso quando viene applicata la tensione di linea, e scollega la linea in caso di sovracorrente in ingresso.
2. Diodo a ponte: raddrizza la tensione di linea CA in ingresso.
3. Filtro di linea (L1, L2, R1 ed R2): riduce le EMI generate dalla commutazione.
4. Condensatore bulk (condensatori C1 e C2): immagazzina l'energia e riduce le ondulazioni della tensione di ingresso.
5. I resistori partitori VS: determinano il punto di regolazione della tensione d'uscita, mentre RS1 definisce anche il punto di commutazione. 
6. Circuito morsetto di tensione di drenaggio: protegge i FET di potenza e smorza l'oscillazione dovuta all'induttanza di dispersione del primario del trasformatore.
7. Trasformatore: fornisce isolamento e l'avvolgimento ausiliario fornisce l'alimentazione del controller.
8. Stadio di uscita: dimensione del condensatore di uscita COUT determinata dalla risposta desiderata ai transienti in assenza di carico. Il resistore di pre-carico RPRL arresta l'intervento di OVP se nessun carico esterno è collegato.

In un convertitore push-pull, il primario del trasformatore è alimentato con corrente dalla linea di ingresso tramite coppie di driver in un circuito simmetrico push-pull. I driver vengono accesi e spenti alternativamente, invertendo periodicamente la corrente nel trasformatore, in modo che la corrente venga prelevata dalla linea durante le due metà del ciclo di commutazione. I convertitori push–pull hanno una corrente in ingresso più stabile di quella dei convertitori buck-boost, creano meno rumore sulla linea di ingresso e sono più efficienti in applicazioni ad alta potenza.