Misurare i piccoli segnali che corrono su tensioni elevate ed evitare circuiti di massa dei sensori

I progettisti spesso devono misurare piccole tensioni in presenza di tensioni di modo comune elevate, in particolare quando lavorano con alimentatori e comandi motore. Tutto ciò si lega anche al problema dei circuiti di massa quando si usano i sensori, in quanto entrambe le situazioni possono essere risolte efficacemente attraverso l'uso di amplificatori di isolamento.

Gli amplificatori di isolamento forniscono una separazione galvanica tra i loro ingressi e uscite, per cui trasmettono solo i segnali desiderati ed eliminano le tensioni di modo comune elevate. Nei sistemi di monitoraggio basati su sensori questi amplificatori mantengono la separazione di terra tra i sensori per eliminare i circuiti di massa. Trovano applicazione comune negli alimentatori, nei controller per motore, nel rilevamento remoto della tensione, nelle misurazioni biomediche e nell'acquisizione dati remota.

Per spiegare come funzionano gli amplificatori di isolamento e come applicarli in modo efficace, questo articolo descriverà uno scenario tipico in cui è necessario fornire isolamento. Verranno quindi trattati tre metodi di isolamento molto diffusi: accoppiamento con trasformatore, accoppiamento ottico e accoppiamento capacitivo. Saranno anche illustrate soluzioni pratiche per ciascun metodo e infine verrà proposto un esempio in cui si utilizza un progetto di riferimento.

Scenario tipico di alimentazione

I moderni alimentatori e comandi motore richiedono misurazioni di piccoli segnali in presenza di tensioni di modo comune elevate. In che modo i progettisti possono misurare la corrente di carico di un driver di potenza FET push-pull usando uno shunt resistivo con il FET polarizzato a oltre 300 V (Figura 1a)?

Figura 1: La misurazione di piccole cadute di tensione in presenza di tensioni di modo comune elevate (a) e l'eliminazione dei circuiti di massa (b) sono applicazioni comuni che richiedono l'isolamento. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il circuito superiore (a) è un tipico driver di potenza per il controllo di un motore o di una sua fase. Controlla la potenza variando il ciclo di lavoro della forma d'onda impulsiva al carico. Le tensioni di alimentazione (HV+ e HV-) sono nell'ordine di diverse centinaia di V. La tensione di rilevamento di corrente attraverso il resistore di shunt, R_SHUNT, è nell'ordine di decine di mV, ma "corre" su una forma d'onda impulsiva che oscilla tra HV+ e HV-. L'applicazione di questa tensione all'ingresso di una strumentazione con messa a terra o a un amplificatore per rilevamento di corrente supererebbe il limite di tensione di modo comune e potrebbe distruggere il dispositivo.

Per rimanere in tema, come possono i progettisti misurare l'uscita di tensione di una singola cella solare in una pila di più celle? Una volta che una tensione di modo comune supera gli 80 V, richiede dei mezzi di isolamento elettrico per separare il segnale desiderato.

Occorre anche tenere conto di come isolare i circuiti dai problemi del circuito di massa (Figura 1b). Il segnale è collegato dalla sorgente del trasmettitore a sinistra al ricevitore a destra utilizzando un cavo coassiale. Le correnti di terra parassite provenienti da altri circuiti possono trovare un percorso di ritorno attraverso la schermatura coassiale che collega i due conduttori di terra. Queste creano tensioni sull'impedenza in serie alla schermatura del cavo, per cui V_G2 sarà diverso da V_G1 e sull'ingresso del ricevitore si verificherà un errore.

Entrambe queste applicazioni richiedono la capacità di isolare le connessioni dei segnali. La soluzione è data dagli amplificatori di isolamento che forniscono una separazione galvanica tra i loro ingressi e le loro uscite. Trasmettono solo i segnali desiderati ed eliminano le tensioni di modo comune elevate. Applicati per eliminare i circuiti di massa nei sistemi, mantengono la separazione a terra tra gli elementi del circuito.

Come funzionano gli amplificatori di isolamento

Un amplificatore di isolamento è un amplificatore isolato galvanicamente tra i suoi circuiti di ingresso e di uscita, comprese le relative alimentazioni. Ciò assicura che non vi sia alcun percorso conduttivo tra la sezione di ingresso e quella di uscita. Presentano una dispersione estremamente bassa tra le sezioni, assieme a specifiche di tensione elevata di rottura del dielettrico. Lo stadio di ingresso è un amplificatore differenziale che attenua la tensione di modo comune. Può farlo perché gli ingressi sono entro un V l'uno dall'altro e l'amplificatore è flottante e non riferito a terra. L'accoppiamento capacitivo parassita tra le sezioni, che può ridurre l'isolamento, viene contenuto al minimo con una progettazione e un layout attenti. L'isolamento tra le sezioni viene assicurato tramite diversi tipi di accoppiamento: con trasformatore, capacitivo o ottico (Figura 2). Questi metodi di accoppiamento normalmente bloccherebbero le componenti c.c. e a bassa frequenza del segnale. Tale problema viene evitato utilizzando il segnale di ingresso per modulare una portante e trasmettere lo spettro completo del segnale che viene recuperato dalla demodulazione sul lato di uscita del dispositivo. Sia il lato di ingresso che quello di uscita utilizzano alimentazioni isolate.

Figura 2: Un amplificatore di isolamento generico con i tre metodi di isolamento più usati: accoppiamento con trasformatore, capacitivo o ottico. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La tecnica di modulazione utilizzata dipende dal dispositivo, sebbene spesso vengano usate la frequenza, l'ampiezza dell'impulso o la modulazione sigma-delta. La modulazione sigma-delta è la più comune. Gli ingressi sono differenziali e le configurazioni di uscita possono essere a terminazione singola o differenziali. Notare che le sezioni di ingresso e uscita dell'amplificatore di isolamento hanno connessioni di alimentazione separate. In genere, la sezione di ingresso utilizza un'alimentazione "flottante" senza riferimento di massa. Il mantenimento di un buon isolamento richiede che le alimentazioni siano ben isolate.

Le capacità nominali dell'amplificatore di isolamento per la differenza di tensione massima tra gli ingressi applicati e le uscite vengono in genere specificate per tensioni c.c. e c.a. rilevanti. La tensione applicata massima per i transitori viene specificata a parte con la temporizzazione del regime transitorio. Queste specifiche si applicano fintantoché il layout fisico mantiene la spaziatura consigliata tra i pin di ingresso e di uscita del dispositivo, come accuratamente illustrato nella scheda tecnica.

Accoppiamento (magnetico) con trasformatore

L'isolamento tramite accoppiamento con trasformatore è sempre stato il modo più comune per isolare i circuiti. AD202JY di Analog Devices è un amplificatore di isolamento accoppiato magneticamente (Figura 3).

Figura 3: AD202JY di Analog Devices utilizza un accoppiamento con trasformatore per garantire un isolamento di 1000 V c.c. servendosi di un'unica alimentazione non isolata a 15 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

AD202JY ha una tensione nominale massima di isolamento di 750 V RMS c.a. a 60 Hz e 1000 V c.c., oltre a c.a. continua. Usa due trasformatori, il primo dei quali serve per il percorso del segnale. Il secondo accoppia una portante di 25 kHz dal lato di uscita a quello di ingresso ed è la portante per il modulatore. Viene utilizzato anche per generare due uscite di alimentazione isolata per la sezione di ingresso. Questo risponde alla necessità di un'alimentazione isolata separata.

Il guadagno dell'amplificatore può essere impostato dall'utente tra 1 e 100 V/V e ha una larghezza di banda a piena potenza di 5 kHz. Lo stadio di uscita è un'uscita differenziale non bufferizzata in grado di erogare ±5 V.

Accoppiamento ottico

L'accoppiamento ottico è un'altra possibilità per fornire l'isolamento tra l'ingresso e l'uscita di un amplificatore di isolamento. La sezione di ingresso dell'amplificatore di isolamento pilota un diodo a emissione luminosa (LED), la cui luce viene rilevata da un fototransistor nella sezione di uscita (Figura 4). Il collegamento è totalmente ottico: non esiste alcun collegamento elettrico tra il LED e il fototransistor.

Figura 4: Lo schema funzionale della famiglia di amplificatori di isolamento ACPL790X di Broadcom mostra l'uso di un collegamento ottico per fornire l'isolamento elettrico tra ingresso e uscita. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

La famiglia di amplificatori di isolamento ACPL790 di Broadcom combina un ottimo accoppiamento ottico con la tecnologia del convertitore sigma-delta e amplificatori stabilizzati con circuito chopper per offrire isolamento ad alta tensione, uscita differenziale e una larghezza di banda di 200 kHz. Ha una tensione di isolamento operativa IEC/EN/DIN EN60747-5-5 di 891 V (picco). I tre prodotti della famiglia hanno specifiche di precisione diverse. ACPL-7900 offre una precisione del 3%; ACPL-790A ha una precisione dell'1%, mentre ACPL-790B ha una precisione dello 0,5%.

Accoppiamento capacitivo

L'amplificatore di isolamento AMC1301 di Texas Instruments è il terzo metodo per ottenere l'isolamento, in questo caso tramite accoppiamento capacitivo (Figura 5).

Figura 5: AMC1301 di TI utilizza due condensatori in serie in ciascuna fase della sua barriera di isolamento rinforzato per fornire l'isolamento capacitivo. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

AMC1301 è un amplificatore di isolamento a uscita differenziale con una tensione nominale di isolamento di 1500 V (picco). Lo stadio di ingresso dell'amplificatore di isolamento è costituito da un amplificatore differenziale che pilota un modulatore delta-sigma. Il clock isolato (portante) viene derivato internamente. Il circuito di pilotaggio del trasmettitore (TX) trasferisce i dati attraverso la barriera di isolamento a doppio condensatore. I dati modulati ricevuti vengono demodulati e sincronizzati sul lato low-side con il clock e vengono emessi come segnale differenziale. AMC1301 ha un guadagno fisso di 8,2 e una larghezza di banda nominale di 200 kHz (tipica).

Come detto in precedenza, i lati di ingresso e di uscita di AMC1301 richiedono alimentazioni isolate.

Progetto di riferimento per AMC1301

Texas Instruments fornisce un esempio di progetto di riferimento per l'amplificatore di isolamento AMC1301 sotto forma di simulazione TINA-TI (TINA-TI è un simulatore di circuiti gratuito disponibile da Texas Instruments). Il circuito ha un segnale di 200 mV (picco) a 5 kHz, che "corre" su una tensione di modo comune di 500 V come ingresso simulato. L'uscita differenziale ha un'ampiezza di picco di 1,6 V con un offset di 0 V in un carico di 10 kΩ. Questo esempio mostra la capacità dell'amplificatore di isolamento nell'eliminare l'ampio offset di modo comune, 500 V in questo caso, dal segnale di ingresso.

Figura 6: Il progetto di riferimento di Texas Instrument per AMC1301, eseguito con una simulazione in TINA-TI, è un esempio di come AMC1301 fornisce l'isolamento per un offset c.c. di modo comune di 500 V. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Isolamento dei circuiti di massa

L'isolamento tra ingresso e uscita dell'amplificatore di isolamento può essere utilizzato per suddividere circuiti di massa come illustrato nella Figura 1b. Posizionando l'amplificatore di isolamento tra il trasmettitore e il ricevitore si interrompe la connessione di terra tra di essi attraverso il cavo coassiale e non vi è alcun percorso diretto tra trasmettitore e ricevitore (Figura 7).

Figura 7: L'inserimento di un amplificatore di isolamento tra il trasmettitore e il ricevitore elimina il circuito di massa derivante dalla connessione del cavo coassiale originale. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Conclusione

L'amplificatore di isolamento, che sia basato su accoppiamento magnetico, ottico o capacitivo, è uno strumento utile per misurare piccoli segnali che corrono su tensioni di modo comune elevate, o per isolare le terre del circuito al fine di eliminare i circuiti di massa nei sistemi con larghezze di banda fino a 200 kHz. Trovano applicazione comune negli alimentatori, nei controller per motore, nel rilevamento remoto della tensione, nelle misurazioni biomediche e nell'acquisizione dati remota.