Isolamento galvanico

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Spesso i dispositivi elettronici di potenza sono direttamente connessi a tensioni elevate (da poche decine di volt a molte centinaia di volt e oltre).

Questo rende necessario isolare elettricamente (galvanicamente) la sezione di potenza (a tensione elevata) da quella di comando (a bassa tensione) al fine di:

proteggere le apparecchiature di controllo (per esempio un microcontrollore) che potrebbero danneggiarsi fisicamente anche per tensioni di poco superiori a quelle di alimentazione, tipicamente 3,3 V oppure 5 V
garantire la sicurezza delle persone, in presenza di tensioni elevate. Molte norme di sicurezza considerano "pericolose" per le persone tensioni superiori a 48 V

Le tecnologie di isolamento utilizzabili sono essenzialmente tre:

magnetiche (trasformatori)
capacitive (isolamento dielettrico)
ottiche (componenti optoelettronici, in genere nello spettro infrarosso)

Le tre tecnologie oggi convivono anche se sono rintracciabili numerosi documenti dei produttori che sostengono quanto una di queste tecnologie sia migliore rispetto alle altre due...

Le caratteristiche generali

Alcuni degli aspetti generali che caratterizzano i componenti per l'isolamento galvanico:

Massima tensione di isolamento tra ingresso ed uscita, dell'ordine di molte centinaia di volt. Spesso tale tensione è limitata, più che dalla tecnologia adottata, dalla distanza fisica tra i piedini.
Tempo necessario per attivare o disattivare l'interruttore, in genere abbastanza elevati e asimmetrici
Massima corrente disponibile in uscita
Normative di sicurezza superate, elemento essenziale quando il componente deve essere usato per salvaguardare la sicurezza delle persone
Funzionamento prolungato ad alta temperatura ed affidabilità

Isolamento magnetico

I trasformatori permettono di trasmettere energia elettrica sfruttando l'accoppiamento induttivo tra due conduttori isolati, quindi senza passaggio di corrente tra i morsetti di ingresso (primario) e quelli di uscita (secondario). Funziona solo con correnti alternate. Qui la descrizione del componente

L'uso principale è la trasmissione di energia con isolamento, con eventuale elevazione o riduzione di tensione; in questo modo è possibile trasferire potenze del'ordine anche di molte centinaia di Watt. Spesso sono utilizzati nei dispositivi di alimentazione per ridurre la tensione di rete (230 V alternati, negli alimentatori moderni immediatamente raddrizzati a 400 V continui) a valori adatti ad alimentare circuiti elettronici. Questo aspetto non viene trattato in questa pagina.

L'uso dei cosiddetti trasformatori di impulsi è il pilotaggio del gate o della base di transistor, MOS, SCR, IGBT o simili componenti, garantendo isolamento galvanico

Il seguente circuito di principio utilizza un trasformatore ad impulsi per pilotare il gate di un MOS. Circuiti analoghi possono essere utilizzati anche per pilotare transistor e tiristori, sia in high side che in lo side.

Trasformatore di impulsi

Si noti la presenza di:

un condensatore sul primario, al fine evitare il passaggio di corrente continua che avrebbe effetti negativi sul trasformatore.
una coppia di diodi zener per evitare tensioni eccessive sul gate

I due difetti principali sono:

L'ingombro meccanico del trasformatore
l'impossibilità di generare tensioni continue sul gate.

I vantaggi

Non è necessaria una tensione di alimentazione separate per il gate sul secondario, in quanto l'energia necessaria è trasmessa direttamente dal trasformatore
Isolamento adatto per tensioni anche molto elevate
Permette di generare facilmente tensioni adatte a pilotare il gate partendo da generatori di pochi volt

Sono disponibili circuiti che includono all'interno di un solo contenitore sia l'elettronica integrata che il trasformatore, rendendo di fatto semplice l'adozione di questa tecnica. Un esempio: ADuM4135

Isolamento capacitivo

Un condensatore separa i due suoi terminali con un isolante, realizzando quella che, in questo contesto, viene definita una barriera dielettrica. Può quindi essere usato per pilotare il gate di un componente di potenza isolato. Di seguito un circuito di principio:

Isolamento capacitivo

In genere viene utilizzata una coppia di condensatori e sul lato destro sono presenti i circuiti per generare una corrente adeguata al pilotaggio del componente.

Il difetto principale è la difficoltà nel generare tensioni continue sul gate.

Il vantaggio la relativa semplicità con cui è realizzabile l'intero circuito a livello di singolo componente monolitico.

Sono disponibili circuiti che includono all'interno di un solo contenitore sia l'elettronica integrata che i condensatori, rendendo di fatto semplice l'adozione di questa tecnica. Un esempio: ISO5500

Isolamento ottico

I componenti optoelettronici permettono di trasmettere un segnale attraverso la conversione intermedia in luce: un componente (LED o componente analogo) converte un segnale elettrico in luce, un secondo componente (fotodiodo, o componente analogo) converte la luce generata dal primo componente in un segnale elettrico. I due componenti sono separati da un isolante trasparente e possono essere posti anche a distanze significative sfruttando fibre ottiche.

Il circuito di principio:

Isolamento ottico

I difetti principali:

Sono componenti relativamente lenti (microsecondi per l'accensione ed altrettanti per lo spegnimento)
Invecchiano rapidamente (una decina di anni)
Richiedono una alimentazione separata sul lato ad alta tensione. Esistono componenti "fotovoltaici" che permettono anche la trasmissione di (modeste) quantità di energia, a volte sufficienti per evitare l'uso di un alimentatore separato

I pregi:

Tensione di isolamento di migliaia di volt o anche molto più utilizzando una fibra ottica tra LED e fototransistor
Utilizzo semplice, anche senza integrati specializzati
Possibilità di integrazione all'interno del componente di potenza. Un esempio notevole sono i phototriac (un esempio: S108T02)

Sono disponibili circuiti che includono all'interno di un solo contenitore quanto necessario per l'adozione di questa tecnica. Un esempio: FOD8314