Aumentare la sicurezza e l'affidabilità delle applicazioni industriali ad alta tensione con gli isolatori galvanici

Molti sistemi di automazione industriale, specie quelli degli impianti di produzione, devono interfacciarsi con apparecchiature che utilizzano tensioni elevate che vanno da centinaia a migliaia di volt. Per separare queste alte tensioni dalle molto più basse tensioni logiche digitali a 5 V utilizzate nella maggior parte dei sistemi di controllo si usano comunemente isolatori a semiconduttore. A questo scopo sono stati ad esempio ampiamente utilizzati optoisolatori a doppio die in un unico contenitore perché hanno un'elevata resistenza alle alte tensioni transitorie e garantiscono una forte immunità ai campi magnetici ambientali. I progettisti hanno però bisogno di una tecnologia che sia più stabile nel tempo e in presenza di temperature estreme e che sia meno complessa dal punto di vista della realizzazione.

Questo articolo spiega perché e come utilizzare gli isolatori galvanici in unico contenitore per isolare in modo sicuro le alte tensioni usate nei moderni sistemi industriali, medici e per i veicoli elettrici (EV). Prenderà quindi in esame due isolatori galvanici basati su silicio di Texas Instruments specifici per sistemi ad alta tensione e ad alta affidabilità e mostrerà come disporli correttamente su una scheda per isolare in modo sicuro le alte tensioni dalla logica digitale utilizzata nei controller a logica programmabile (PLC) e nelle interfacce uomo-macchina.

Perché isolare le tensioni alte e basse?

Molti sistemi industriali sono controllati utilizzando PLC, computer o interfacce uomo-macchina (HMI). Questi sistemi di controllo funzionano con tensioni di controllo digitali standard di 5 V al massimo. Quando li si interfaccia per gestire tensioni di 120 V o più, è importante separare fisicamente e isolare elettricamente le basse tensioni digitali dalle apparecchiature ad alta tensione. Anche nei convertitori di potenza, nei convertitori c.c./c.c. e nei veicoli elettrici (EV) occorre separare accuratamente le tensioni di controllo digitale da quelle utilizzate nel sistema, che potrebbero arrivare a molte migliaia di volt.

I transistor di potenza possono gestire facilmente queste applicazioni, ma non in modo sicuro. In queste applicazioni i transistor hanno il controllo digitale e dell'alta tensione sullo stesso substrato del semiconduttore. Un malfunzionamento o un danno fisico del transistor di potenza può causare rapidamente l'iniezione di migliaia di volt nella logica digitale. Oltre a distruggere l'apparecchiatura di controllo, ciò metterebbe a rischio l'utente.

L'isolamento ottico è da sempre il metodo preferito per separare fisicamente e isolare elettricamente i sistemi a bassa e alta tensione. Un tipico optoisolatore a due die in un unico contenitore ha un LED su un die la cui luce - solitamente a infrarossi - viene trasmessa a un recettore a fotodiodi su un secondo die attraverso una barriera di isolamento trasparente. Il fotodiodo la converte in un segnale a bassa tensione che viene utilizzato per controllare il circuito ad alta tensione.

Perché un optoisolatore possa controllare in modo sicuro migliaia di volt, il die del LED e quello del fotodiodo sono entrambi racchiusi in una barriera di isolamento trasparente realizzata in materiale in grado di resistere alla tensione nominale dell'optoisolatore.

Gli optoisolatori sono resistenti ai disturbi elettronici transitori e sono completamente immuni ai campi magnetici ambientali; quindi rappresentano la scelta migliore per le applicazioni di controllo dei motori ad alta tensione. Gli optoisolatori per applicazioni gravose possono resistere a sovratensioni molto alte di 10.000 V o superiori.

In condizioni di temperatura molto elevata non hanno però delle buone prestazioni. Inoltre, nel tempo, i LED negli optoisolatori si deteriorano. Gli optoisolatori sono poi dispositivi a due die, il che comporta un processo di produzione più complesso rispetto a quello dei semiconduttori a die singolo.

Isolamento galvanico

Nelle applicazioni in cui sono probabili estremi di temperatura e per le quali la durata rappresenta un fattore prioritario, si possono utilizzare isolatori galvanici in un unico contenitore. Mentre l'isolamento ottico separa due circuiti con LED e fotodiodi, l'isolamento galvanico separa elettricamente due circuiti tramite dei componenti ad accoppiamento di carica utilizzando condensatori o induttori basati su biossido di silicio (SiO₂). L'efficacia dell'isolamento dipende dal dielettrico SiO₂.

Gli isolatori galvanici sono dispositivi ad alta velocità e di lunga durata che si interfacciano facilmente con la maggior parte dei microcontroller. I tipi introdotti di recente sono stati testati per resistere fino a 6.000 V, operare a temperature fino a 150 °C e durare oltre 35 anni. Questo migliora la sicurezza e l'affidabilità dell'intero sistema, riducendo al contempo i costi di manutenzione.

Ad esempio, l'isolatore digitale per uso generale a sei canali ISO7762FDWR di Texas Instruments può sopportare ben 5.000 V_RMS e ha un isolamento da sovratensioni di 12.800 V (Figura 1). ISO7762 è disponibile con due opzioni: ISO7762F ha pin di uscita OUT[A:F] con logica di uscita predefinita bassa, mentre senza il suffisso F lo stato logico predefinito della logica di uscita è alto.

Figura 1: ISO7762F di Texas Instruments è un isolatore galvanico a sei canali, quattro avanti e due indietro. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

ISO7762F ha due domini della potenza, uno a sinistra e uno a destra, separati elettricamente e fisicamente da uno strato di isolamento SiO₂. Ogni dominio della potenza ha pin di terra e potenza indipendenti.

Il dispositivo ha quattro canali avanti e due indietro. I due canali indietro (ingressi E e F) consentono di inviare le informazioni del sistema ad alta tensione al sistema di controllo digitale, mantenendo l'isolamento sicuro dei due domini della potenza. I dati trasmessi in entrambe le direzioni possono essere semplici dati digitali on/off, oppure dati seriali che utilizzano un UART o I²C a due fili.

Per ogni canale, ISO7762F usa due condensatori SiO₂ in serie per separare i due domini di tensione. I dati digitali vengono trasmessi tramite modulazione della polarizzazione on-off (OOK) dove una logica 1 su qualsiasi ingresso IN[A:F] è rappresentata da un segnale c.a. attraverso il condensatore verso l'altro dominio di potenza, e una logica 0 è rappresentata da 0 V. I dati sul corrispondente OUT[A:F] riflettono lo stato logico del pin di ingresso. Il dielettrico SiO₂ nei condensatori separa i due domini della potenza per isolare in modo sicuro l'elettronica di comando ad alta tensione dal sistema di controllo digitale.

I progettisti di ISO7762F hanno privilegiato l'elevata resistenza di isolamento per offrire la massima sicurezza. La resistenza di isolamento a 25 °C è classificata superiore a 1 TΩ. La resistenza di isolamento di ISO7762F a 150 °C è superiore a 1 GΩ. Per dare un termine di paragone, è superiore alla resistenza dell'aria ambiente intorno a ISO7762F.

Texas Instruments dichiara per ISO7762F una durata di almeno 37 anni, ma lo strato di isolamento galvanico ha una durata dichiarata di oltre 135 anni. Anche se in genere non si richiede che le apparecchiature abbiano una vita operativa così lunga, questi dati indicano l'affidabilità e la durata del dispositivo.

Per tensioni ancora più elevate, Texas Instruments ha realizzato ISO7821LLSDWWR, un buffer di isolamento differenziale a due canali classificato 5700 V_RMS con una sovratensione di isolamento di 12.800 V (Figura 2). I due canali vanno in direzioni opposte. Ogni canale è un trasmettitore a coppia differenziale utilizzato per le comunicazioni dati di segnalazione differenziale a bassa tensione (LVDS) a velocità fino a 150 Mbps.

Figura 2: L'isolatore digitale ISO7821LLS di Texas Instruments ha due canali differenziali in direzioni opposte. Ogni buffer di uscita ha un'abilitazione uscita che può disabilitarla in uno stato di alta impedenza. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

SiO₂ utilizzato per l'isolamento galvanico in ISO7821LLS è lo stesso di ISO7762F, ma invece di due condensatori in serie per ogni canale, ISO7821LLS ne utilizza uno per ogni canale. Usa inoltre la stessa modulazione OOK per trasmettere dati digitali attraverso i condensatori SiO₂.

Il driver di isolamento galvanico ISO7821LLS può trasmettere i dati LVDS su cavi di grado industriale come il cavo a doppino intrecciato per impiego gravoso 88723-002500 di Belden. Si tratta di un cavo industriale di alta qualità con due doppini intrecciati di filo 22 AWG in una guaina rossa. È progettato per uso all'aperto o al chiuso e può anche essere interrato. Questo cavo è in grado di gestire temperature di funzionamento estreme, da -70 °C a +200 °C, ed è quindi idoneo per applicazioni industriali ad alta tensione come gli inverter solari in ambienti molto caldi o molto freddi. Un'unità di controllo può trasmettere i dati di controllo LVDS in entrambe le direzioni su questo cavo Belden a un ISO7821LLS all'interno della scatola dell'inverter solare. Qualsiasi picco transitorio di alta tensione dovuto a un malfunzionamento della scatola del convertitore verrebbe arrestato una volta giunto all'isolatore, proteggendo quindi l'unità di controllo a bassa tensione e gli eventuali operatori vicino ad essa.

Le due uscite su ISO7821LLS di Texas Instruments hanno pin di abilitazione indipendenti che possono disabilitare le rispettive uscite mettendole in uno stato di alta impedenza. Questo è utile se il dispositivo si trova su un bus LVDS con più di un driver e deve cedere il bus a un altro master bus. È applicabile in ambienti industriali in cui le apparecchiature ad alta tensione devono essere gestite da più di un'unità di controllo in luoghi diversi.

Per aiutare i progettisti a valutare ISO7821LLS, Texas Instruments offre loro la scheda di valutazione ISO7821LLSEVM (Figura 3). Richiede pochi componenti esterni e può essere usata per valutare il comportamento e le prestazioni di ISO7821LLS. Inoltre permette il monitoraggio delle comunicazioni del bus LVDS a fini di test e di benchmarking.

Figura 3: Il modulo di valutazione ISO7821LLSEVM di Texas Instruments può essere utilizzato per testare e valutare le prestazioni di comunicazione dati LVDS del buffer di isolamento differenziale a due canali ISO7821LLS. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Poiché ogni applicazione ad alta tensione è diversa, ISO7821LLSEVM non è destinato a essere utilizzato per testare il comportamento di isolamento ad alta tensione di ISO7821LLS.

Layout dell'isolatore galvanico

Il layout di un isolatore galvanico ad alta tensione deve essere predisposto con molta attenzione, per garantire un isolamento efficace. Per la progettazione di una scheda a basse EMI si applicano le regole di layout standard, che includono l'uso di una scheda di almeno quattro strati con sopra tracce ad alta velocità, sotto un piano di massa solido e sotto ancora un piano di potenza. I segnali di controllo più lenti dovrebbero essere sul piano più in basso.

È fondamentale che, sulla scheda, i componenti a bassa tensione e quelli ad alta tensione siano fisicamente separati. A tale fine, gli isolatori trattati qui hanno domini di potenza separati per il lato destro e sinistro del contenitore. Inoltre, le tracce per un dominio non devono essere instradate vicino a quelle dell'altro per evitare interferenze di segnale.

Se l'isolatore si trova nella sezione ad alta tensione, può essere più sicuro posizionarlo con il lato a bassa tensione rivolto verso un bordo della scheda. Questo aiuta a prevenire l'arco elettrico delle alte tensioni sul lato a bassa tensione, che può danneggiare gravemente qualsiasi elettronica a bassa tensione all'altra estremità dell'isolatore.

Conclusione

Le apparecchiature industriali che utilizzano molte migliaia di volt richiedono componenti in grado di isolare in modo sicuro queste alte tensioni dalla logica di controllo digitale a 5 V o meno per proteggere l'apparecchiatura e i suoi utenti. La natura delle apparecchiature industriali richiede che questo isolamento sia stabile e affidabile in caso di variazioni estreme della temperatura per lunghi periodi di tempo.

Come mostrato, gli isolatori digitali basati sull'isolamento galvanico hanno le caratteristiche di isolamento e le specifiche di temperatura di funzionamento idonee per queste applicazioni. Prestando la dovuta attenzione al layout e alla configurazione, si possono prevenire danni o lesioni.