Comment isoler les hautes tensions dans les systèmes robotiques industriels à alimentation simple ?

La connexion de plusieurs systèmes dans les applications d'automatisation industrielle offre de nombreux avantages, mais lorsqu'il existe des différences de tension élevées entre ces systèmes, les concepteurs doivent gérer les irrégularités de tension. Celles-ci incluent de grandes différences dans les masses du système.

Les techniques matérielles destinées à faire face à ces défis d'isolement galvanique analogique et numérique présentent des barrières optiques, magnétiques et capacitives. Les types de signaux de transmission d'isolement comprennent les signaux analogiques, les signaux d'alimentation et les signaux numériques.

Cet article présente les solutions d'isolement de tension industrielle appropriées et leur application.

Barrières d'isolement galvanique

L'isolement galvanique consiste à séparer les circuits électriques en empêchant la circulation du courant entre les tensions et la terre. Il s'agit du flux de courant qui se développe à partir d'une connexion directe entre deux circuits ou plus (Figure 1).

Figure 1 : Une analyse détaillée d'un robot industriel montre les exigences en matière d'isolement d'un contrôle, d'une commande moteur et de sections d'alimentation, avec une communication entre ces blocs. (Source de l'image : Texas Instruments)

Dans le scénario d'isolement galvanique, il n'y a pas de chemin conducteur direct. L'intérêt de ce type de circuit est que les informations analogiques ou numériques peuvent être échangées à travers la barrière galvanique en utilisant des champs optiques, magnétiques ou électriques. Ces champs ouvrent de nombreuses portes. D'une part, plusieurs systèmes peuvent fonctionner en toute sécurité et correctement à des potentiels différents de masse et de tension. Ils peuvent également échanger des informations analogiques ou numériques et ne pas interférer les uns avec les autres ni se détruire mutuellement au cours du processus.

Pour résoudre ces problèmes, les concepteurs doivent trouver les techniques d'isolement galvanique appropriées pour leur circuit. Il existe des options optiques (LED, photodiodes), électriques (condensateurs) ou magnétiques (inductances). Dans cet article, l'implémentation de toutes les barrières d'isolement existe dans la puce ou comme partie du boîtier du semi-conducteur (Figure 2).

Figure 2 : Le couplage optique nécessite une LED et une photodiode. Le couplage inductif nécessite deux enroulements séparés par un isolateur. Le couplage capacitif nécessite deux conducteurs séparés par un isolateur. (Source de l'image : Texas Instruments)

Isolement optique

L'isolement optique repose sur la séparation entre une LED émettrice et un photodétecteur récepteur. Pour l'isolement galvanique, la LED est dirigée vers la photodiode à travers un matériau d'isolement, comme un polyimide transparent.

Figure 3 : Un photocoupleur contient un émetteur (LED) et une photodiode (récepteur) fixés par époxy sur la grille de connexion, avec un polyimide transparent entre eux pour fournir la barrière galvanique. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'avantage de l'isolement optique est qu'il est immunisé contre les champs électriques et magnétiques. Cependant, la LED se dégrade au cours de sa durée de vie.

Application d'un signal analogique pour la barrière optique

La barrière d'un dispositif d'isolement optique est capable de transmettre des signaux analogiques ou numériques. Le photocoupleur linéaire IL300 de Vishay Semiconductor Opto Division est un dispositif d'isolement optique linéaire doté d'une LED et de deux photodiodes à l'intérieur du boîtier, toutes isolées galvaniquement les unes des autres. Dans la puce IL300, la lumière LED éclaire de manière égale les deux photodiodes pour générer des courants équivalents (I_P1 et I_P2) (Figure 4).

Figure 4 : La LED IL300 et la photodiode 1 (I_P1) se situent à gauche de la barrière galvanique. La photodiode 2 (I_P2) se situe à droite de la barrière galvanique. (Source de l'image : Vishay Semiconductor Opto Division)

Dans la Figure 4, l'amplificateur U1 (Texas Instruments, TLV9064IDR) commande la LED IL300 pour créer la contre-réaction de courant de la photodiode (I_P1). Le courant direct de la photodiode (I_P2) est envoyé à travers la résistance R2 isolée, qui se trouve dans la boucle de rétroaction de l'amplificateur U2 isolé. Dans ce circuit, le gain est égal à R2/R1. En outre, le signal V_out est immunisé contre les changements de V_CC1 par rapport à V_CC2 et aux deux masses.

La luminance de la LED diminue avec le temps. Cependant, le système de la Figure 4 ne dépend pas du niveau de luminance de la LED ; il suffit que la LED s'allume. La lumière est alors captée par les deux photodiodes de manière égale. Pour appliquer l'IL300 au schéma fonctionnel de la Figure 1, il peut être approprié de la placer entre l'interface homme-machine (IHM) et le contrôleur du robot.

Application d'un signal numérique pour la barrière optique

Une autre application du photocoupleur consiste à utiliser le dispositif en tant qu'émetteur numérique. Le photocoupleur à canal double SFH6750-X007T de Vishay Semiconductor Opto Division et le photocoupleur à canal simple QTM601T1 de QT Brightek sont des photocoupleurs haut débit dotés d'une sortie de transistor NMOS à drain ouvert qui isole facilement la sortie numérique à trois canaux d'un convertisseur analogique-numérique (CAN) (Figure 5).

Figure 5 : L'isocoupleur à canal double SFH6750 et l'isocoupleur à canal simple QTM601T1 créent la barrière galvanique qui isole un CAN ΔƩ de 24 bits. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans la Figure 5, le code de sortie série d'un convertisseur Delta-Sigma (ΔƩ) 24 bits communique depuis le côté isolé du circuit vers le côté système. Le SFH6750 réalise optiquement cette transmission dans le domaine numérique.

La configuration avec le SFH6750 et le QTM601T1 offre des vitesses de transmission allant jusqu'à 10 MBd, ce qui rend ces solutions adaptées aux applications de données haut débit. À partir du schéma fonctionnel de la Figure 1, l'emplacement approprié de l'interface CAN peut se trouver entre l'interface homme-machine (IHM) et le contrôleur du robot.

Isolement inductif

L'isolement inductif utilise deux bobines superposées avec un matériau diélectrique de séparation entre les deux. L'application d'un signal CA crée un champ magnétique qui induit à son tour un champ électrique dans la bobine secondaire (Figure 6).

Figure 6 : La construction d'une configuration de transformateur implique deux enroulements avec une séparation en polyimide. (Source de l'image : Analog Devices)

L'isolement inductif est très efficace. Cependant, il est également sensible aux champs magnétiques.

Application de puissance pour la barrière basée sur bobine inductive

Les barrières galvaniques magnétiques sont utiles pour les applications analogiques et d'isolement de puissance. L'inductance et le transistor à effet de champ (FET) de puissance externe pour le convertisseur de puissance, le contrôleur CC/CC élévateur isolé ADP1621ARMZ-R7 d'Analog Devices, sont respectivement T1 et Q3 (Figure 7).

Figure 7 : Conception de référence utilisant l'amplificateur d'isolement magnétique ADuM3190 et le contrôleur à découpage CC/CC élévateur ADP1621. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans la Figure 7, l'amplificateur d'erreur linéaire isolé haute stabilité ADUM3190ARQZ-RL7 d'Analog Devices fournit le signal de rétroaction analogique depuis le côté secondaire de T1 vers le côté primaire. Le circuit complet fonctionne de 5 V à 24 V, ce qui le rend compatible avec les alimentations industrielles standard.

Isolement capacitif

La construction d'un élément d'isolement capacitif implique deux plaques à proximité l'une de l'autre, mais avec un diélectrique entre elles. Les concepteurs peuvent implanter du dioxyde de silicium (SiO₂) entre les plaques capacitives pour générer ce phénomène d'isolement. Dans cette configuration, le claquage de SiO₂ est de 500 à 800 V/micromètre (µm). La distance typique pour ces types d'isolateurs est de 27 mm, ce qui crée une barrière galvanique entre 13,5 kV et 31,6 kV (Figure 8).

Figure 8 : Le diélectrique entre les plaques capacitives est du dioxyde de silicium (SiO₂), qui fournit une protection d'isolement de 500 à 800 V/mm. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'isolement capacitif est optimal pour les petits espaces. Cependant, la complexité du circuit environnant est plus importante que les solutions optiques et magnétiques.

Applications analogiques pour la barrière capacitive

Un isolateur analogique à condensateur typique, comme l'AMC1301DWVRQ1 ou l'AMC1311DWV de Texas Instruments, reçoit le signal analogique, module le signal en une représentation numérique et transmet le signal numérisé à travers la barrière (Figure 9).

Figure 9 : L'isolateur analogique capacitif entièrement différentiel AMC1311DWV transmet un signal de modulateur Delta-Sigma (ΔƩ) de deuxième ordre à travers la barrière. (Source de l'image : Texas Instruments)

Du côté récepteur de la barrière, le signal est de nouveau démodulé en un signal analogique de sortie différentielle.

Les charges inductives dans un environnement de commande moteur sont sensibles aux fortes variations de tension de commutation. Pour assurer un fonctionnement correct, cet environnement volatil requiert une surveillance constante. La détection de tension isolée, qui utilise des diviseurs résistifs pour réduire la tension de mode commun élevée dans un circuit de commande moteur industriel, est une application de commande moteur appropriée pour les amplificateurs isolés AMC1301 et AMC1311 (Figure 10).

Figure 10 : Les dispositifs AMC1301 détectent les courants FET au niveau du pont inductif. L'AMC1311 détecte la tension de bus CC au niveau des variateurs de fréquence. (Source de l'image : Texas Instruments)

Dans la Figure 10, la mesure du courant de phase est effectuée via les résistances shunt, R_SHUNT, et les amplificateurs isolés AMC1301. L'entrée à haute impédance et l'immunité élevée aux transitoires de mode commun de l'AMC1311 détectent la tension de polarisation, V_BIAS, pour mesurer la stabilité de la configuration du système. L'AMC1311 garantit un fonctionnement fiable et précis, même dans des environnements très bruyants, comme l'étage de puissance des variateurs de fréquence utilisés dans les commandes moteur.

Les dispositifs AMC1301 et AMC1311 résistent aux interférences magnétiques et présentent un isolement galvanique pouvant atteindre 7 kV_PEAK. Utilisés conjointement avec des alimentations isolées, l'AMC1301 et l'AMC1311 empêchent les courants de bruit d'une ligne à haute tension de mode commun d'entrer en contact avec la masse locale et d'interférer avec les circuits sensibles ou de les endommager.

Applications numériques pour la barrière capacitive

Un isolateur numérique capacitif typique reçoit le signal numérique, le module en un signal CA approprié et l'envoie à un démodulateur afin de préparer la transmission du signal CC vers la broche de sortie (Figure 11).

Figure 11 : L'isolateur numérique capacitif nécessite une entrée CC élevée pour la moduler en un signal CA. Le signal CA traverse la barrière galvanique où il est démodulé en une valeur CC élevée. (Source de l'image : Silicon Labs)

Dans la Figure 11, il est possible de générer un signal numérique transmis élevé du côté du récepteur tant que le signal transmis est maintenu à un état haut. Le conflit dans cette logique est que si la charge se dissipe des plaques du condensateur ou s'il y a une interruption d'alimentation côté récepteur, il est possible que la sortie passe à zéro alors que l'état d'entrée est haut. Si cela se produit, l'état haut numérique du récepteur est perdu. Pour lutter contre ce problème, le modulateur crée une basse tension unique pour un « zéro » numérique et un signal rail-à-rail CA rapide pour un « un » numérique (Figure 12).

Figure 12 : L'isolateur capacitif numérique nécessite l'envoi d'un signal CA à travers la barrière lorsque le code d'entrée est « un ». Ce signal CA n'est pas requis lorsque le code d'entrée est « zéro ». (Source de l'image : Silicon Labs)

Un exemple d'isolement numérique capacitif utilise les coupleurs numériques SI8422 et SI8423 de Silicon Labs pour connecter les lignes numériques entre un microcontrôleur et un CAN (Figure 13).

Figure 13 : Interface SPI isolée à quatre canaux où trois canaux envoient des signaux de gauche à droite et un canal envoie son signal de droite à gauche. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les dispositifs numériques capacitifs consomment peu d'énergie tout en offrant des débits de données élevés et des temps de propagation courts. Les deux dispositifs prennent en charge des débits de données pouvant atteindre 150 Mbits/s.

Conclusion

Les barrières optiques, magnétiques et capacitives isolées galvaniquement peuvent permettre de relever les défis liés au traitement des signaux de transmission analogiques et numériques par plusieurs systèmes d'automatisation industrielle. Il est possible d'implémenter des solutions d'automatisation industrielle appropriées en combinant les trois techniques matérielles et les deux techniques de transmission des signaux.