Come isolare le tensioni elevate nei sistemi robotici industriali ad alimentazione singola

Nelle applicazioni di automazione industriale, il collegamento di più sistemi offre numerosi vantaggi, ma quando fra tali sistemi esistono grandi differenze di tensione i progettisti devono gestire tali incoerenze. Fra queste figurano le differenze elevate fra le masse di sistema.

Le tecniche hardware per affrontare tali sfide di isolamento galvanico dei segnali analogici e digitali si avvalgono di barriere ottiche, magnetiche e capacitive. I tipi di canali di trasmissione da isolare includono segnali analogici, linee di alimentazione e segnali digitali.

Questo articolo presenta le soluzioni appropriate per l'isolamento delle tensioni industriali, e le loro applicazioni.

Barriere di isolamento galvanico

L'isolamento galvanico consiste nel separare i circuiti elettrici impedendo qualunque flusso di corrente fra tensioni e masse. Il flusso di corrente in questione deriva da un collegamento diretto fra due o più circuiti (Figura 1).

Figura 1: Un esame più attento di un robot industriale evidenzia i requisiti di isolamento delle sezioni di controllo, di comando motore e di potenza in presenza di comunicazioni fra tali blocchi. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

In caso di isolamento galvanico, non è presente alcun percorso di conduzione diretta. L'eleganza di questo tipo di circuiti risiede nella possibilità di scambiare informazioni analogiche o digitali attraverso la barriera galvanica adottando a tale scopo campi ottici, magnetici o elettrici. Tali campi schiudono molteplici possibilità. Consentono anzitutto a più sistemi di funzionare in modo sicuro e corretto con valori diversi dei rispettivi potenziali di tensione e di massa. Tali sistemi possono inoltre scambiare informazioni analogiche o digitali senza interferire gli uni con gli altri o distruggersi vicendevolmente nel corso di tale processo.

Per affrontare i problemi in questione, i progettisti devono identificare le tecniche di isolamento galvanico adatte per i loro circuiti. Le alternative consistono in metodi ottici (LED e fotodiodi), elettrici (condensatori) o magnetici (induttori). In questo articolo, l'implementazione di tutte le barriere di isolamento avviene nel silicio o in qualche componente del package a semiconduttore (Figura 2).

Figura 2: L'accoppiamento ottico richiede un LED e un fotodiodo. L'accoppiamento induttivo richiede due avvolgimenti separati da un isolatore. L'accoppiamento capacitivo richiede due conduttori separati da un isolatore. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Isolamento ottico

L'isolamento ottico si basa sulla separazione fra un LED di trasmissione e un fotorivelatore di ricezione. Per l'isolamento galvanico, il LED è puntato verso il fotodiodo, ma è separato dal medesimo tramite un materiale isolante trasparente, ad esempio poliimmide.

Figura 3: Un optoaccoppiatore contiene un trasmettitore (LED) e un ricevitore (fotodiodo) fissati al leadframe con una resina epossidica e separati da uno strato di poliimmide trasparente che funge da barriera di isolamento. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il vantaggio dell'isolamento ottico consiste nell'immunità ai campi elettrici e magnetici. I LED, tuttavia, si deteriorano nel corso della loro vita utile.

Applicazione della barriera ottica per un segnale analogico

La barriera di un dispositivo di isolamento ottico è in grado di trasmettere segnali analogici o digitali. L'optoaccoppiatore lineare IL300 di Vishay Semiconductor Opto Division è un dispositivo lineare di isolamento ottico il cui package contiene un LED e due fotodiodi, tutti isolati galvanicamente gli uni dagli altri. Nel chip IL300, la luce a LED illumina in ugual misura i due fotodiodi, in modo da generare correnti equivalenti (I_P1 e I_P2) (Figura 4).

Figura 4: Il LED e il fotodiodo 1 (I_P1) dell'optoaccoppiatore IL300 sono situati sul lato sinistro della barriera di isolamento. Il fotodiodo 2 (I_P2) si trova invece sul lato destro della barriera di isolamento. (Immagine per gentile concessione di Vishay Semiconductor Opto Division)

Nella Figura 4, l'amplificatore U1 (TLV9064IDR di Texas Instruments) pilota il LED dell'optoaccoppiatore IL300 per dare origine alla corrente del fotodiodo di retroazione (I_P1). La corrente del fotodiodo di feed-forward (I_P2) viene immessa nel resistore isolato R2, che costituisce l'anello di retroazione dell'amplificatore isolato U2. In questo circuito, il guadagno è pari a R2/R1. Il segnale V_out è inoltre immune alle variazioni di V_CC1 rispetto a V_CC2 e alle due masse.

La luminanza del LED diminuisce nel tempo. Il sistema della Figura 4 non dipende tuttavia dal livello di luminanza del LED, ma richiede semplicemente che esso si accenda. Tale evento viene registrato in ugual misura da entrambi i fotodiodi. Un modo appropriato per applicare l'optoaccoppiatore IL300 al diagramma a blocchi della Figura 1 può consistere nell'inserirlo fra l'interfaccia uomo-macchina (HMI) e il controller robotico.

Applicazione della barriera ottica per un segnale digitale

Un'applicazione alternativa dell'optoaccoppiatore consiste nell'utilizzarlo come trasmettitore digitale. L'optoaccoppiatore a due canali SFH6750-X007T di Vishay Semiconductor Opto Division e quello a canale singolo QTM601T1 di QT Brightek sono dispositivi ad alta velocità con un'uscita a transistor NMOS a drain aperto che isola facilmente l'uscita digitale a tre canali di un convertitore analogico/digitale (ADC) (Figura 5).

Figura 5: Il fotoaccoppiatore di isolamento a due canali SFH6750 e quello a canale singolo QTM601T1 creano la barriera di isolamento dell'ADC ΔƩ a 24 bit. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Nella Figura 5, il codice dell'uscita seriale di un convertitore delta-sigma (ΔƩ) a 24 bit assicura le comunicazioni dirette dal lato isolato del circuito al lato del sistema. Il modello SFH6750 realizza in modo ottico tale trasmissione in ambito digitale.

Grazie alla loro configurazione, i modelli SFH6750 e QTM601T1 offrono velocità di trasmissione fino a 10 MBd e sono pertanto indicati per le applicazioni con dati ad alta velocità. Con riferimento al diagramma a blocchi della Figura 1, un posizionamento appropriato per l'interfaccia ADC può consistere nell'inserirla fra l'interfaccia uomo-macchina (HMI) e il controller robotico.

Isolamento a induzione

L'isolamento a induzione utilizza due bobine impilate una sull'altra ma separate da un materiale dielettrico. L'applicazione di un segnale c.a. crea un campo magnetico che a sua volta induce un campo elettrico nella bobina secondaria (Figura 6).

Figura 6: La realizzazione della configurazione di un trasformatore prevede due avvolgimenti e un separatore in poliimmide. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

L'isolamento a induzione è molto efficiente, ma è suscettibile ai campi magnetici.

Applicazione di potenza per una barriera a induzione basata su bobine

Le barriere di isolamento magnetico sono utili per applicazioni di isolamento di linee analogiche e di potenza. L'induttore e il FET dell'alimentazione esterna per il convertitore di potenza, il controller c.c./c.c. step-up isolato ADP1621ARMZ-R7 di Analog Devices, sono rispettivamente T1 e Q3 (Figura 7).

Figura 7: Progetto di riferimento che utilizza l'amplificatore di isolamento magnetico ADuM3190 e il controller a commutazione c.c./c.c. step-up ADP1621. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Nella Figura 7, l'amplificatore di errore isolato lineare ad alta stabilità ADUM3190ARQZ-RL7 di Analog Devices fornisce il segnale analogico di retroazione diretto dal lato secondario al lato primario di T1. L'intero circuito funziona fra 5 e 24 V, ed è pertanto indicato per gli alimentatori industriali standard.

Isolamento capacitivo

La configurazione di un elemento di isolamento capacitivo prevede due armature poste a breve distanza l'una dall'altra, ma separate da un materiale dielettrico. Per generare tale fenomeno di isolamento, è possibile inserire fra le armature capacitive un elemento in biossido di silicio (SiO₂). In tale configurazione, il cedimento del SiO₂ avviene fra 500 e 800°V/µm. In questo tipo di isolatori, la distanza tipica è pari a 27 mm; la barriera di isolamento è pertanto compresa fra 13,5 e 31,6 kV (Figura 8).

Figura 8: L'elemento dielettrico fra le armature capacitive è realizzato in biossido di silicio (SiO₂), che assicura una protezione di isolamento fra 500 e 800 V/µm. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

L'isolamento capacitivo è ottimale per gli spazi ristretti. La complessità dei circuiti circostanti è tuttavia maggiore rispetto a quella delle soluzioni ottiche e magnetiche.

Applicazioni analogiche della barriera capacitiva

Un tipico isolatore analogico a condensatore, come i modelli AMC1301DWVRQ1 o AMC1311DWV di Texas Instruments, riceve il segnale analogico, lo modula traducendolo in una rappresentazione digitale e invia il segnale digitalizzato attraverso la barriera (Figura 9).

Figura 9: L'isolatore capacitivo analogico totalmente differenziale AMC1311DWV trasmette attraverso la barriera un segnale generato da un modulatore delta-sigma (ΔƩ) di secondo ordine. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il ricevitore demodula il segnale pervenuto dall'altro lato della barriera, ricreando il segnale analogico differenziale di uscita.

I carichi induttivi presenti negli ambienti di controllo motori sono suscettibili a eventuali oscillazioni ampie della tensione di commutazione. Per garantire il funzionamento corretto, tale ambiente volatile richiede un monitoraggio costante. Un'applicazione di controllo motori indicata per gli amplificatori isolati AMC1301 e AMC1311 consiste nel rilevamento di tensioni soggette a isolamento, utilizzando a tale scopo partitori resistivi per ridurre l'elevata tensione di modo comune dei circuiti di comando dei motori industriali (Figura 10).

Figura 10: Gli amplificatori AMC1301 rilevano le correnti FET sul ponte a induzione. Il modello AMC1311 rileva la tensione del bus c.c. negli inverter di frequenza. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Nella Figura 10, la misurazione della corrente di fase avviene tramite i resistori di shunt, R_SHUNT, e gli amplificatori isolati AMC1301. Grazie all'ingresso ad alta impedenza e all'immunità ai transitori di modo comune di grande ampiezza, gli amplificatori AMC1311 rilevano la tensione di polarizzazione V_BIAS fornendo un'indicazione della stabilità della configurazione del sistema. Il modello AMC1311 assicura un funzionamento affidabile e preciso anche in ambienti con un alto livello di rumore, come lo stadio di potenza degli inverter di frequenza dei dispositivi di comando motore.

Sia gli amplificatori AMC1301, sia quelli AMC1311 sono resistenti alle interferenze magnetiche, e dispongono di un isolamento galvanico fino a 7 kV_PEAK. Utilizzati unitamente agli alimentatori isolati, gli amplificatori AMC1301 e AMC1311 impediscono alle correnti di rumore delle linee ad alta tensione di modo comune di penetrare nella massa locale e di interferire con la circuiteria sensibile o di danneggiarla.

Applicazioni digitali della barriera capacitiva

Un tipico isolatore digitale capacitivo riceve il segnale digitale, lo modula trasformandolo in un segnale c.a. appropriato e invia quest'ultimo a un demodulatore in preparazione alla trasmissione del segnale c.c. al pin di uscita (Figura 11).

Figura 11: L'isolatore digitale capacitivo richiede un ingresso c.c. alto da modulare in un segnale c.a. Il segnale c.a. attraversa la barriera di isolamento, quindi viene nuovamente demodulato in un valore c.c. alto. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

La Figura 11 mostra che è possibile generare dal lato del ricevitore un segnale digitale trasmesso alto a condizione che il segnale trasmesso sia mantenuto alto. In questo schema logico, il conflitto risiede nel fatto che se la carica presente sulle armature del condensatore si dissipa, oppure si verifica un'interruzione dell'alimentazione dal lato del ricevitore, è possibile che l'uscita si azzeri anche se lo stato dell'ingresso è alto. Se ciò si verifica, lo stato alto digitale del ricevitore va perduto. Per ovviare a questo problema, il modulatore genera una singola bassa tensione come "zero digitale" e un segnale c.a. veloce rail-to-rail come "uno digitale" (Figura 12).

Figura 12: Quando il codice in ingresso è "uno", l'isolatore capacitivo digitale richiede l'invio di un segnale c.a. attraverso la barriera. Tale segnale c.a. non è richiesto quando il codice in ingresso è "zero". (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Un esempio di isolamento digitale capacitivo utilizza gli accoppiatori digitali SI8422 e SI8423 di Silicon Labs per collegare le linee digitali fra un microcontroller e un ADC (Figura 13).

Figura 13: Interfaccia isolata SPI a quattro canali in cui tre di questi inviano segnali da sinistra verso destra, e uno invia il suo segnale da destra verso sinistra. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I dispositivi digitali capacitivi hanno un basso assorbimento di potenza e offrono allo stesso tempo velocità dati elevate e bassi ritardi di propagazione. Entrambi i dispositivi supportano velocità dati fino a 150 Mbit/s.

Conclusione

Le barriere con isolamento galvanico ottico, magnetico e capacitivo sono all'altezza delle sfide di gestione dei segnali di trasmissione analogici e digitali tipiche dalle applicazioni di automazione industriale in cui sono presenti più sistemi. È possibile realizzare soluzioni di automazione industriale adeguate adottando combinazioni appropriate delle tre tecniche hardware e delle due modalità di trasmissione dei segnali.