Analizziamo in questo articolo un circuito di condizionamento per segnali digitali, usabile come stadio di ingresso per apparecchiature a microcontrollore destinate ad operare in ambienti elettricamente ostili.
Il circuito, visibile in figura 1, assolve varie funzioni. Anzitutto si occupa dell’adattamento del livello di tensione in ingresso al livello richiesto dal microcontrollore.
Figura 1: schema elettrico.
Nello schema sono indicati 5V, alimentazione ancora diffusa per molti microcontrollori. La tensione nominale di ingresso può facilmente essere adattata a tensioni continue di 12V, 24V, 48V o più, valori tipici per tensioni di alimentazione usate nel campo dell’automazione industriale e di processo. La somma dei resistori R1 ed R2 deve essere tale da far circolare nel LED di ingresso del foto accoppiatore la corrente nominale richiesta:
V-Ingresso nominale / (R1 + R2) = I-nominale (es. 5mA)
Occorre verificare che la tensione massima operativa prevista (nominale più tolleranza) non imponga correnti vicine o oltre il massimo tollerabile dall’optoisolatore, con conseguente riduzione della vita utile e rischio di danneggiamento. Bisogna inoltre verificare che la tensione minima consenta comunque la circolazione di una corrente sufficiente alla corretta e stabile trasmissione dello stato logico all’uscita. La seconda funzione svolta è la protezione di tutto il canale ingresso digitale da disturbi elettrici e sovratensioni, veloci transitori di tensione in particolare. La protezione è svolta dall’azione combinata del filtro RC costituito da R1, R2 e C1, lo scaricatore di sovratensioni D1 e la ridotta banda passante dell’optoisolatore, capace di trasmettere segnali variabili tra fotodiodo e fototransistor fino a qualche decina di kHz. Il transzorb, va dimensionato in modo che la sua tensione di innesco sia un 20% superiore alla tensione massima di picco applicata in esercizio, cosi che sia normalmente passivo e dissipi potenza solo in presenza di fenomeni elettrici decisamente anomali. La potenza dissipabile va determinata basandosi su una stima della potenza associata al tipico impulso di disturbo previsto ed alla frequenza di ripetizione cui si vuol far fronte.
E’ bene che il condensatore C1 abbia dielettrico a film plastico, auto cicatrizzante ed ad alta tensione di lavoro (varie volte superiore al picco massimo in esercizio), contribuendo cosi allo smorzamento di severi transienti senza riportare danni nel tempo. L’isolamento galvanico tra ingresso ed uscita dell’optoisolatore costituisce una ulteriore protezione per la circuiteria a valle, proteggendola da possibili danni. La separazione galvanica costituisce inoltre un ostacolo alla propagazione di disturbi, interrompendo anche il percorso di ritorno ed evitando la creazione di ground-loops. Quando in regime transitorio correnti percorrono una rete di massa (ritorno di segnale, parlando più propriamente), differenze di tensione si creano tra nodi del circuito supposti essere equipotenziali. Questo potrebbe corrompere il livello logico ricevuto abbastanza da provocarne false letture. Ad esempio, uno spike di tensione potrebbe causare la temporanea acquisizione di un livello ‘1’ su una linea stabile a livello ‘0’. In casi più severi, la tensione potrebbe essere sufficiente a stressare le protezioni interne degli ingressi nei circuiti integrati o causarvi danni. Pur trattandosi di un circuito molto efficace, la barriera ottica, completamente priva di metallo tra ingresso ed uscita, può generare un falso senso di sicurezza ed è quindi bene investigarne i limiti. L’isolamento è effettivamente molto elevato in corrente continua e bassa frequenza, ma trova un limite nella capacità parassita tra ingresso ed uscita dell’optoisolatore, come evidenziato dalla figura 2.
Figura 2: schema elettrico con evidenziate le capacità parassite.
L’impedenza offerta diminuisce al crescere della frequenza, compromettendo parzialmente le prestazioni di filtraggio di disturbi e transitori veloci. Il filtro RC costituito dai resistori e condensatori di ingresso conferma quindi la sua importanza nel ridurre a monte l’ampiezza di segnali indesiderati (disturbi elettromagnetici condotti, con linguaggio più rigoroso). Alla capacità parassita contribuiscono sia le capacità interne all’optoisolatore, sia il circuito stampato. Ulteriori problemi potrebbero nascere in ambienti polverosi o umidi, dove residui e polvere possono nel tempo creare percorsi debolmente conduttivi ma sufficienti a ridurre le prestazioni della barriera desiderata. Possiamo dire che la rigidità dielettrica risultante del circuito assemblato, presentata dello stampato tra i due lati della barriera, costituisce il limite massimo di isolamento. Una serie di contromisure sono possibili ed efficaci, per mantenere ed aumentare l’isolamento, ove richiesto. Vediamole in ordine di complessità e costo.
PULIZIA PCB/SPAZIATURA SU PCB
Il criterio più semplice per mantenere l’efficacia della barriera consiste nel realizzare un’area senza alcun conduttore nello spazio tra ingresso ed uscita dell’optoisolatore (niente piste nel footprint dell’opto). Si tratta di rendere e mantenere tale area quanto più pulita possibile. Verniciare il lato saldatura del pcb con vernice isolanti contribuisce a mantenere le sue caratteristiche native nel tempo.
OPTOISOLATORI “LUNGHI”
Quando si vogliano garantire isolamenti veramente elevati, si può anche lavorare sulla scelta del componente, passando da contenitori stile circuito integrato Dual-In-Line a contenitori più voluminosi, con maggiore separazione fisica tra ingresso ed uscita (vedi figura 3). Questi componenti realizzati come moduli incapsulati hanno distanza tra i pin di ingresso uscita fino a circa 18mm, invece dei 7.6 classici. Le tensioni di isolamento del componente supera gli 8kV.
Figura 3: optoisolatore ad elevata tensione di isolamento (Vishay CNY66).
DOPPIA BARRIERA
In alcuni casi, il circuito base visto può non essere sufficiente. Questo si può verificare nel trattamento di segnali provenienti da alimentazioni particolarmente rumorose, ad esempio soggette ad accoppiamenti con transitori di manovra creati da interruttori ad alta corrente. Un modo semplice, ma dispendioso, di intervenire in tali situazioni è la doppia barriera (vedi figura 4) optoisolata. La cascata di filtri RC e protezioni da sovratensioni rende robusta la soluzione, purtroppo complicata dalla necessità di una sorgente addizionale di tensione continua indipendente. La resistenza di base R4, tipicamente dell’ordine del megaohm, riduce la sensibilità del fototransistor, contribuendo all’azione filtrante del circuito.
Figura 4: doppia barriera optoisolata per ambienti particolarmente ostili.
