docIsolamento galvanico - Corsi a Distanza
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Isolamento galvanico - Corsi a Distanza
Elettronica di potenza Isolamento galvanico Interruttori allo stato solido Isolamento galvanico 1 Introduzione L’isolamento galvanico è spesso un requisito imposto da normative per la sicurezza elettrica (es. alimentatore da rete) In una macchina elettrica si isola la parte di controllo dalla parte di potenza per proteggerla da sbalzi di tensione che potrebbero distruggere i circuiti digitali In uno strumento si isola la parte digitale da quella di misura per ridurre il rumore 2 ©2003 Politecnico di Torino 1 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Isolamento galvanico Esistono tre alternative: Isolamento tramite campo magnetico trasformatore Isolamento tramite campo elettrico condensatore Isolamento tramite luce fotoaccoppiatore 3 Isolamento galvanico Isolamento con trasformatore 4 ©2003 Politecnico di Torino 2 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Isolamento con trasformatore Scelte possibili: Trasformatore in linearità Trasformatore saturato Trasformatore modulato 5 Isolamento con trasformatore Trasformatore in linearità 6 ©2003 Politecnico di Torino 3 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Condizioni per linearità Non deve scorrere corrente continua nel primario L’integrale della tensione del primario deve essere sempre <K , con K determinato dal trasformatore ∫ t1 0 Vin(t)dt < K ∀t1 7 Caratteristiche Tensione d’uscita a valor medio nullo La tensione d’uscita può essere maggiore di quella d’ingresso, sfruttando il rapporto spire 8 ©2003 Politecnico di Torino 4 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Trasformatore: schema base Nello schema: C rende Vin a valor medio nullo Gli zener proteggono il gate del MOS 9 Limitazioni schema base Durata impulso: non può eccedere limite per la saturazione del nucleo del trasformatore Duty-cycle impulso: non può essere molto diverso da 50% perché l’uscita è a valor medio nullo: Per garantire l’accensione occorre mantenere VGSon>Vmin Allora: VGSoff=VGSon[D/(D-1)] 10 ©2003 Politecnico di Torino 5 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Esempio Duty-Cycle elevato Se D>> 0.5 si ottiene |VGSoff|>>VGSon con rischio di rottura del MOS. Nell’esempio D=0.75 e |VGSoff|=3VGSon 11 Limitazioni VGS Generalmente l’ampiezza delle transizioni è costante, pari a ∆VSEC Allora ∆VSEC=VGSON-VGSOFF Ma il valor medio è nullo, quindi VGSON=∆VSEC(1-D) 12 ©2003 Politecnico di Torino 6 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Limiti pratici all’utilizzo Le considerazioni su VGS limitano l’uso a casi con duty-cycle quasi fisso e <50% Sul secondario occorre mettere due zener in antiserie per proteggere da sovratensioni sul gate Occorre anche una resistenza serie sul gate per smorzare le oscillazioni dovute a circuito LC di pilotaggio 13 Isolamento con trasformatore Trasformatore saturato 14 ©2003 Politecnico di Torino 7 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Caratteristiche in saturazione Se si permette la saturazione del nucleo, sul secondario si hanno dei picchi di tensione in corrispondenza delle transizioni sul primario I picchi possono essere usati per caricare/scaricare il gate di un MOS La capacità di mantenimento può essere quella di gate del MOS 15 Circuito base a trasformatore saturato Il diodo di substrato di M2 conduce caricando il gate di M1 sugli impulsi positivi M2 conduce scaricando il gate sugli impulsi negativi 16 ©2003 Politecnico di Torino 8 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Circuito base a trasformatore saturato C deve essere grande per permettere la saturazione Il trasformatore deve saturare rapidamente 17 Forme d’onda del circuito base Sono permessi duty-cycle qualunque Il tempo di conduzione può arrivare a decine di ms (limitato da autoscarica gate) 18 ©2003 Politecnico di Torino 9 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Isolamento con trasformatore Trasformatore modulato 19 Comando di durata qualunque Per avere comandi di durata qualunque con isolamento a trasformatore, occorre modulare il segnale di comando con una portante a RF La modulazione più semplice è di tipo OOK: quando la portante è presente, il MOS è acceso 20 ©2003 Politecnico di Torino 10 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Schema di principio con modulazione Il trasformatore è piccolo con alta frequenza di modulazione C elimina il valor medio dell’ingresso R scarica il gate quando manca la portante 21 Problemi schema di principio Per avere spegnimento rapido serve R bassa R bassa però dissipa potenza quando MOS acceso 22 ©2003 Politecnico di Torino 11 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Schema alternativo In questo schema la τ di spegnimento è RC2 Quando la tensione su R scende, il PNP conduce scaricando rapidamente il gate 23 Limiti del trasformatore modulato Limiti dei sistemi modulati: Minimo periodo di accensione/spegnimento in grado di trasmettere Ritardo di attuazione dovuto a filtraggio passabasso 24 ©2003 Politecnico di Torino 12 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Applicazioni Esistono sistemi modulati integrati in grado di propagare segnali logici con le seguenti caratteristiche Fino a 100Mbit/s di flusso di informazione Ritardo di propagazione <32ns Isolamento di almeno 500V, 2.5kV impulsivi Es. ADuM1300CRW di Analog Devices 25 Isolamento galvanico Isolamento con condensatore 26 ©2003 Politecnico di Torino 13 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Introduzione Metodo ampiamente usato in elettronica analogica per isolare dalla polarizzazione Recentemente introdotto anche in elettronica digitale Stadio 1 Stadio 2 C 27 Singolo condensatore Un singolo condensatore non è sufficiente perché tra riferimenti diversi spesso non è noto il cammino della corrente di ritorno TX RX C VN ©2003 Politecnico di Torino Tensione di rumore e impedenza elevata generano disturbi in grado di produrre false commutazioni ZN 28 14 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Schema differenziale Si ricorre allora a trasmissione differenziale, in modo che le correnti dovute a spostamenti tra i riferimenti diano luogo a rumore di modo comune, eliminabile con ricevitori differenziali ID + IN TX RX ID VN + IN ZN 2I N 29 Valutazioni I condensatori di isolamento sono montati in un unico package con TX e RX La capacità è piccola (meno di 1pF) Occorre modulare il segnale con portante RF, demodulare e adattare i livelli Poco usato (es. LTC1177, fuori produzione) 30 ©2003 Politecnico di Torino 15 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Isolamento galvanico Isolamento ottico 31 Tipi di isolatori Due tipi di componenti: Fotoaccoppiatore Isolatore fotovoltaico Entrambi permettono di inviare segnali di durata illimitata senza ricorrere a modulazione, diversamente dai dispositivi precedenti 32 ©2003 Politecnico di Torino 16 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Isolamento ottico Fotoaccoppiatore 33 Introduzione Il fotoaccoppiatore è costituito da un diodo LED che illumina un fototransistore posto a breve distanza su un altro chip A volte tra i due è presente uno schermo elettrostatico La luce che colpisce il fototransistore genera una corrente di base che viene amplificata e riportata in uscita 34 ©2003 Politecnico di Torino 17 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Tipi di fotoaccoppiatori I modelli più semplici di fotoaccoppiatore contengono il LED e il fototransistore Dispositivi più evoluti contengono anche un driver che genera una uscita logica 35 Modello semplice Il parametro principale del dispositivo base è il CTR (Current Transfer Ratio) che indica il rapporto tra la corrente nel LED e la corrispondente corrente di collettore del BJT Il CTR è generalmente compreso tra 10% e 500%. Estremamente variabile, cambia con invecchiamento, temperatura, … 36 ©2003 Politecnico di Torino 18 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Limitazioni I fotoaccoppiatori sono dispositivi lenti (>10µs) Il tempo di spegnimento è molto maggiore di quello di accensione perché è necessario smaltire le cariche in eccesso nella regione di base Si può velocizzare lo spegnimento aggiungendo una resistenza sulla base, ma si riduce la sensibilità Esistono versioni veloci in cui l’uscita è composta da fotodiodo+transistore (1µs) 37 Esempio d’uso Occorre dimensionare RLED in modo compatibile con le caratteristiche della porta logica La corrente in RPU , pari a ILED*CTR , deve garantire la saturazione del transistor VLOG RLED 10V RPU 38 ©2003 Politecnico di Torino 19 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Modello con porta logica I modelli con uscita/ingresso logici sono più costosi ma più veloci e facili da usare Richiedono alimentazione sull’uscita (e sull’ingresso, se a livello logico) 39 Isolamento ottico Accoppiatore fotovoltaico 40 ©2003 Politecnico di Torino 20 Elettronica di potenza Isolamento galvanico Struttura L’accoppiatore fotovoltaico è costituito da uno o più LED accoppiati otticamente a una serie di fotodiodi usati come generatori fotovoltaici I fotodiodi, quando ON, producono una tensione di 5V o 10V con correnti di 10-40µA 41 Caratteristiche Non richiedono alimentazione sull’uscita Possono pilotare direttamente un MOS, ma la commutazione è molto lenta data la bassa corrente generata Esistono dei “relay fotovoltaici” che integrano anche il MOS 42 ©2003 Politecnico di Torino 21
