Conversioni di Tensione con Isolamento Galvanico

Conversioni di Tensione con Isolamento Galvanico

Conversioni di tensione con isolamento galvanico.

Quanto segue costituisce un esempio di come, anche un progetto elettronico con un requisito piuttosto semplice, necessiti di considerazioni sistemistiche e non solo circuitali.

Nella pratica comune è spesso necessario fornire un segnale in funzione del valore assunto da una tensione. Ciascuno di noi immagina piu’ modi per poter fare una cosa del genere (dai sistemi analogici a quelli digitali piu’ o meno complessi e piu’ o meno performanti) Se, pero’, al requisito iniziale aggiungiamo che le tensioni da misurare sono piu’ d’una e isolate fra loro e che questo isolamento deve essere conservato, allora le possibili soluzioni diminuiscono (pero’ ancora puo’ essere banale, io metto un trasformatore e via) ma se le tensioni sono continue?

Bhe’ e’ancora una cosa semplice pero’ e’ bene che cominciamo a cercare qualche componente particolare che ci venga in soccorso.

Allora i problemi da risolvere sono:

  • il primo, piuttosto banale e’ quello della conversione analogica/digitale (oggi non vale la pena di pensare ad architetture solo analogiche, e’ sempre meglio convertire in digitale e quindi operare)
  • il secondo e’ quello dell’isolamento galvanico.

La conversione A/D none’ oggi un problema preoccupante, si tratta solo di scegliere il convertitore piu’ idoneo (alcune volte piu’ con considerazioni logistiche (costi, tempi di approvvigionamento,conoscenza del componente….) che tecniche.
Per l’isolamento invece dobbiamo cercare qualcosa di piu’ pregiato o particolare.

Le prime architetture che vengono in mente sono:


  1. Si prenda il segnale lo si converta e quindi tramite per esempio una linea seriale digitale lo si trasmetta ad un processor e qui’ si facciano le elaborazioni del caso
  2. Si prenda il segnale, ci si accoppi tramite un opto-isolatore e quindi si converta la tensione cosi’ ottenuta in digitale seguendo poi la “strada” precedente
  3. Si prenda il segnale lo si converta in frequenza e si trasmetta il segnale cosi’
    ottenuto su una linea separata galvanicamente dalle altre (vedi trasformatore o capacita’ opto-isolatori digitali..)
  4. O qualunque altra archiettura che ora non ci sovviene


Pero’ ora vediamo:

  1. I punti di forza della prima ipotesi sono la facilita’ di isolare poche semplici linee digitali. Si deve realizzare una piccola funzione di acquisizione per ogni tensione da misurare e poi una semplice linea seriale. Pero’ forse si assorbe troppo, oppure si richiede che la tensione sia stabile oppure il costo risultante e’ troppo alto sia economicamente che in termini di spazio e complessita’ del circuito
  2. La seconda soluzione la soluzione e’ senz’altro la piu’ facile, non costa molto e non presenterebbe problemi tecnici. Però si sa’ che gli opto non sono molto stabili (i loro parametri variano con la temperatura, con la vecchiaia o variano uno dall’altro e allora giu’ potenziometri di taratura, procedure….), in poche parole c’e’ un problema da investigare
  3. La conversione F/V e quindi V/F era quella che si faceva qualche anno fa’ (agli albori dell’elettronica i nostri padri benedetti progettavano circuiti anche complessi per risolvere un problema come questo). Oggi non piu’ di due o tre aziende continuano a produrre convertitori di questo tipo (benedetta Analogic Devices, forse National ma poi…). La soluzione sa un po’ di vecchio.


E allora, proviamo a rivisitare la soluzione N. 2, questa ha un punto critico ma forse e’solo uno (magari la tecnologia ci viene in soccorso) perche’una volta che si e’ riusciti a prelevare il segnale il problema diventa banale.Forse si possono usare degli amplificatori isolati piuttosto che un opto (ce ne sono di ottimi da TI provenienti da ex Burr-Brown), pero’ questi componenti vogliono, generalmente, due tensioni di alimentazioni equindi non sono applicabili facilmente, ancora sarebbe molto piu’semplice usare un opto.

Hewelet-Packard oggi Agilent sezione opto ed eccolo li’ il nostro optoisolatore lineare HCNR201 vedi fig. 1 (per dettagli si veda il data sheet),pero’ e’ strano ha due uscite, cioe’ il segnale di ingresso applicato sul LED e trasformato in luce, viene inviato su due PIN. Uno sguardo a qualche application notes e si capisce che Agilent suggerisce un circuito dove chi “trasmette”rilegga la tensione convertita (tramite uno dei due PIN) e reazionil’ingresso in modo tale che la proporzionalita’ fra ingresso e uscita (sull’altro ramo, quello isolato) sia costante.
Il circuito proposto e’ abbastanza complesso(comunque non troppo) pero’ richiede stabilita’ e precisione tipiche di un circuito analogico di misura, forse ancora non ci siamo.


Fig. 1HCNR201

La prima sensazione che si ricava e’ che la criticita’ sia fondamentalmente rimasta. Riassumiamo, diverse architetture diverse soluzioni ognuna con un suo problema e con i suoi vantaggi, in queste condizioni siamo sicuri che “Non stiamo forse trascurando un aspetto del problema ”?
Facciamo queste semplici considerazioni, le variazioni dei parametri dell’optoipotizzato sono molto lente perche’ legate a fenomeni come temperatura, invecchiamento, oppure legate alla dispersione delle caratteristiche. Una soluzione potrebbe essere quella di selezionare i componenti migliori, scegliendo quelli i cui parametri rientrino in un range sufficiente per i nostri scopi;pero’ probabilmente il nostro boss ci obiettera’ che questa soluzione e’ comunque costosa e a priori non ne sono noti i risultati.

La proposta che verra’ illustrata ora (e che e’ stata realizzata ed e’ funzionante) risolve questi problemi in modo semplice con una architettura di sistema affidabile e ripetitiva. La soluzione si rifa’a cio’ che nella pratica quotidiana facciamo continuamente, per sapere se il circuito sul quale stiamo lavorando funziona correttamente o meno gli inviamo dei segnali noti e ne controlliamo l’uscita. Ma e’ possibile fare di piu’ se l’uscita si discostasse dai valori che ci aspettavamo possiamo correggerli compensando il drift introdotto (i piu’ pignoli direbbero chee’ necessario conoscere che relazione ci sia fra le variazioni dei parametri e l’uscita, ma in prima approssimazione possiamo assumere una dipendenza lineare, se poi lo si vuole modificare la funzione di correzione fino ad arrivare al risultato voluto).

Bene siamo arrivati al termine dell’analisi, il nostro circuito sara’ composto(si veda la fig. 2) da:


    • blocco di ricezione del segnale da misurare (composto da filtri, protezione ai disturbi, eventuale amplificazione o riduzione della dinamica…)
    • blocco di generazione del segnale di riferimento (normalmente una voltage reference)
    • Switch fra i due segnali (switch analogico a bassa impedenza)
    • Adattamento del segnale al nostro opto
    • Ricezione del segnale e conversione dello stesso in numerico

Fig. 2 InsulatedVoltages Acquisition Block Diagram

L’HW e’terminato ed ora che il segnale e’ convertito un qualunque processore puo’ applicare tutte le correzione che riterremo di dover fare.
I vantaggi di una soluzione di questo tipo sono chiaramente l’assenza di parti circuitali critiche (tolleranze, stabilita’…) costo e spazio sulla PCB contenuto. Gli svantaggi potrebbero essere una certa quantita’ di SW da progettare (masi ricordi che il SW costa una sola volta mentre l’HW e’un costo ripetitivo).

Isolamento Galvanico nelle conversioni di tensione: Conclusioni

Tutto questo mette in evidenza come requisiti anche semplici possano nascondere qualche insidia e di come sia necessario affrontare il problema da piu’punti di vista e quindi di crearsi un bagaglio tecnico non necessariamente iper-specializzato ma il piu’ “rotondo”possibile.

Per finire va detto che il circuito e’ stato poi sviluppato e sta funzionando in modo soddisfacente. Su di una scheda Eurocard (100×160 mm) e’ stato “alloggiato” un circuito che misurava tensione, corrente e frequenza di 16 segnali,prendeva decisioni di controllo come spegnimento o modifica dei sensing degli alimentatori (che producevano le 16 tensioni).
Provvedeva inoltre a controlli e segnalazioni per tutte queste tensioni. Il circuito non era peraltro neanche troppo “pieno”.
Come ultima nota, lafig. 3 mostra lo schema elettrico di una delle “n”sezioni implementate, da notare che il convertitore A/D era all’interno del micro (un MCS9 Freescale).

Fig. 3 Voltagemeasurement Schematic Drawing

21 Comments

  1. giuskina 2 febbraio 2011
  2. Alex87ai 2 febbraio 2011
  3. giuskina 3 febbraio 2011
  4. sorex 3 febbraio 2011
  5. Fabrizio87 2 febbraio 2011
  6. sorex 3 febbraio 2011
  7. linus 3 febbraio 2011
  8. linus 2 febbraio 2011
  9. Alex87ai 2 febbraio 2011
  10. Francesco12-92 3 febbraio 2011
  11. giuskina 4 febbraio 2011
  12. sorex 3 febbraio 2011
  13. linus 3 febbraio 2011
  14. sorex 3 febbraio 2011
  15. linus 3 febbraio 2011
  16. linus 2 febbraio 2011
  17. 83darking83 2 febbraio 2011
  18. stewe 2 febbraio 2011
  19. Emanuele 2 febbraio 2011
  20. linus 2 febbraio 2011
  21. Alex87ai 2 febbraio 2011

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