Elettronica di potenza
Isolamento galvanico
Interruttori allo stato solido
Isolamento galvanico
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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
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Elettronica di potenza
Isolamento galvanico
Isolamento galvanico
Esistono tre alternative:
Isolamento tramite campo magnetico
trasformatore
Isolamento tramite campo elettrico
condensatore
Isolamento tramite luce
fotoaccoppiatore
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Isolamento galvanico
Isolamento con
trasformatore
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Elettronica di potenza
Isolamento galvanico
Isolamento con trasformatore
Scelte possibili:
Trasformatore in linearità
Trasformatore saturato
Trasformatore modulato
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Isolamento con trasformatore
Trasformatore in linearità
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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
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Caratteristiche
Tensione d’uscita a valor medio nullo
La tensione d’uscita può essere maggiore di
quella d’ingresso, sfruttando il rapporto spire
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Elettronica di potenza
Isolamento galvanico
Trasformatore: schema base
Nello schema:
C rende Vin a
valor medio nullo
Gli zener
proteggono il
gate del MOS
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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)]
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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
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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)
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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
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Isolamento con trasformatore
Trasformatore saturato
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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
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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
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Elettronica di potenza
Isolamento galvanico
Circuito base a trasformatore saturato
C deve essere grande per permettere la
saturazione
Il trasformatore deve saturare rapidamente
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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)
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Elettronica di potenza
Isolamento galvanico
Isolamento con trasformatore
Trasformatore modulato
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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
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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
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Problemi schema di principio
Per avere spegnimento rapido serve R bassa
R bassa però dissipa potenza quando MOS
acceso
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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
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Limiti del trasformatore modulato
Limiti dei sistemi modulati:
Minimo periodo di accensione/spegnimento in
grado di trasmettere
Ritardo di attuazione dovuto a filtraggio passabasso
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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
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Isolamento galvanico
Isolamento con
condensatore
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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
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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
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Tensione di rumore e
impedenza elevata
generano disturbi in
grado di produrre
false commutazioni
ZN
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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
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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)
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Elettronica di potenza
Isolamento galvanico
Isolamento galvanico
Isolamento ottico
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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
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Elettronica di potenza
Isolamento galvanico
Isolamento ottico
Fotoaccoppiatore
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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
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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
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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, …
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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)
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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
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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)
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Isolamento ottico
Accoppiatore fotovoltaico
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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
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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
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