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Anatomia di un isolatore digitale

Isolatore Analog Devices

Quando ci si trova ad aprire la copertura del controller di un invertitore di un tipico sistema solare fotovoltaico ad invertitore centrale, si possono trovare delle aree dove vengono impiegati prodotti per l’isolamento digitale. Tra questi sono inclusi l’isolamento dei segnali gate drive, l’isolamento del feedback digitale nel loop di controllo della tensione, e l’isolamento dei canali di comunicazione.

L’evoluzione della tecnologia isolante

Per anni molti progettisti hanno avuto opzioni limitate per l’implementazione dell’isolamento di sicurezza: l’unica scelta ragionevole era rappresentata dall’optoisolatore. Oggi, gli isolatori digitali offrono vantaggi dal punto di vista della prestazione, delle dimensioni, dei costi, dell’integrazione e dell’efficienza energetica. I tre punti fondamentali da capire per la scelta del giusto isolatore digitale sono: il materiale isolante, la sua struttura e il metodo di trasferimento dati. L’isolamento galvanico assicura un trasferimento di dati senza connessione elettrica, o una perdita che possa creare un pericolo per la sicurezza. Quindi, l’isolamento impone alcune costrizioni come i ritardi, il consumo energetico, i costi e la dimensione. Gli optoisolatori consumano molto energia e limitano il trasferimento dati sotto 1 Mbps. Esistono anche degli optoisolatori più efficienti, ma comportano prezzi più elevati. Gli isolatori digitali furono introdotti circa 10 anni fa per ridurre le penalizzazioni causate dagli optoisolatori; essi utilizzano circuiti basati su CMOS e offrono un significativo risparmio in termini di costi e di energia, mantenendo un’alta velocità di trasferimento dati.

Materiali isolanti

I materiali isolanti determinano l’intrinseca capacità isolante e quelli non standard complicano la produzione, con il risultato di una scarsa fabbricazione e costi alti. I materiali isolanti comuni sono i polimeri, come il poliammide, che può depositato come una pellicola fine, e il biossido di silicio (SIO2). Entrambi presentano ben note proprietà isolanti e sono stati usati per anni nell’elaborazione di semiconduttori standard. Gli standard di sicurezza di solito specificano una sopportazione della tensione di un minuto (compresa tra 2.5 kV rms e 5 kV rms) e la tensione di lavoro, da 125 V rms a 400 V rms). Altri standard specificano una durata inferiore e una tensione più alta . Come mostrato in figura gli isolatori in polimeri posseggono le migliori proprietà isolanti.

Gli isolatori digitali in poliammide sono simili a optoisolatori e durano più a lungo a parità di tensione di lavoro. Gli isolatori basati sul biossido di silicio offrono invece una protezione inferiore contro i sovraccarichi, per cui non vengono utilizzati negli apparati medici. Anche lo stress intrinseco di ogni pellicola è differente: il poliammide ha meno stress del biossido di silicio e può aumentare lo spessore all’occorrenza. Per SIO2 lo spessore è invece limitato e così la capacità di isolamento.

Struttura di un isolatore

Gli isolatori digitali utilizzano dei condensatori o dei trasformatori per agganciare i dati magneticamente, o capacitivamente, attraverso una barriera isolante; gli otpoisolatori utilizzano invece la luce dei Led. I trasformatori spingono la corrente attraverso una spirale, come mostrato in figura, per creare un piccolo magnete localizzato, che induce corrente in un’altra spirale. Gli impulsi di corrente sono brevi, 1 ns, per cui la corrente media è bassa.

L’accoppiamento magnetico presenta anche una dipendenza sulla distanza tra le spirali del trasformatore più debole rispetto a quella per l’accoppiamento capacitivo sulla distanza tra i piatti. Questa situazione permette un isolamento più spesso tra le spirali del trasformatore, e ha come risultato una maggiore capacità isolante.

Combinati con pellicole di poliammide a basso stress, i trasformatori che utilizzano poliammide possono ottenere alti livelli di isolamento, al contrario di quanto accade per i condensatori che utilizzano biossido i silicio. Un beneficio derivante dall’uso di condensatori è quello dell’impiego di bassa corrente per creare il campo di accoppiamento elettrico. Questo diventa notevole ad alte velocità di dati, oltre i 25 Mbps.

Metodi di trasmissione dati

Gli otpoisolatori utilizzano la luce Led per trasmettere i dati attraverso una barriera isolante. Il Led si accende per indicare un High logico e si spegne per il Low. Mentre il Led è acceso, l’otpoisolatore brucia energia e quindi non rappresenta la scelta ideale quando problema riguarda il consumo di energia. Gli isolatori digitali utilizzano dei circuiti molto più avanzati per codificare e decodificare dati, permettendo una rapida trasmissione degli stessi e la gestione di interfacce bidirezionali complesse come gli USB e gli I2C.

Nella figura viene mostrato un metodo che codifica fronti di salita e fronti di discesa come impulsi singoli o doppi che guidano il trasformatore. Questi impulsi sono decodificati, su un lato secondario, nuovamente come fronti di salita e di discesa. Questa operazione riduce il consumo energetico rispetto agli otpoisolatori perché, al contrario di questi, la corrente non viene utilizzata di continuo.

Scegliere la giusta combinazione

Abbiamo visto come gli isolatori digitali offrano dei notevoli vantaggi rispetto agli otpoisolatori in termini di velocità, consumo, dimensioni, costi, facilità d’uso e affidabilità. All’interno della classe di isolatori digitali, le differenti combinazioni di materiali isolanti, strutture e metodi di trasferimento dati, portano alla distinzione di prodotti diversi, ognuno più o meno ideale per particolari applicazioni.

Come notato prima, i materiali basati sui polimeri offrono una maggiore capacità isolante; questo materiali si può utilizzare in quasi tutte le applicazioni, anche se con le più rigide, come quelle per la salute o per pesanti macchinari industriali, si ottengono i risultati migliori. Per raggiungere un alto livello di isolamento, lo spessore del poliammide dovrebbe essere aumentato oltre il limite ragionevole per i condensatori; quindi, l’isolamento basato sui condensatori potrebbe avere più efficacia per un isolamento funzionale, dove non è richiesta sicurezza.

In quei casi, invece, avrebbe più senso un isolamento basato sul trasformatore, specialmente quando combinato con un metodo di trasferimento dati differenziale che tragga pieno vantaggio dalla natura differenziale dei trasformatori.

Gli isolatori digitali Analog Devices sono disponibili da Farnell

 

 

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