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L'isolamento dei circuiti nelle misure

L'isolamento dei circuiti nelle misure
23.08.2007
Capita molto spesso nell'ambito delle misure e dei controlli industriali l'esigenza di prelevare, da circuiti operanti a tensione di rete, un segnale da elaborare o, viceversa, quella di pilotare con un segnale già elaborato una sezione di potenza. Un tipico esempio del primo tipo è quello relativo a misure nelle quali il sensore si trova al potenziale di linea mentre i circuiti a valle, destinati all'elaborazione del segnale, operano a bassissima tensione di sicurezza. Esempio del secondo tipo è invece il comando proporzionale dell'intensità emessa da una sorgente luminosa in funzione del segnale generato da un fotosensore. In generale, tutte le volte che parti differenti di uno stesso sistema operano a livelli di tensione molto diversi è conveniente che esse vengano galvanicamente isolate. Nel caso delle misure la presenza di tensioni di modo comune complica la situazione influenzando oltre che le caratteristiche della strumentazione da impiegare anche i risultati della misura stessa.

Tensione in modo comune

Una tensione di modo comune è un livello di potenziale, rispetto terra, che è contemporaneamente presente su entrambi i conduttori d'ingresso ad un sistema (sia esso un carico o uno strumento di misura). Si pensi ad esempio ad un sensore di corrente (come un resistore di shunt) inserito, sul conduttore di fase, in serie ad un assegnato carico. La differenza di potenziale presente tra i suoi terminali è dell'ordine di qualche decina di milliVolt e costituisce il segnale di misura. Tuttavia tra ciascuno dei due terminali e la terra esisterà una differenza di potenziale pari a 230V Rms (figura 1) cosicché collegando il sensore all'ingresso dello strumento di misura ciascun terminale di questo assumerà, rispetto terra, il potenziale di rete. Se lo strumento è esso stesso alimentato dalla tensione di rete e contiene circuiti riferiti a terra possono circolare, all'interno, intense correnti in grado di danneggiarlo. Per evitare ciò, si ricorre all'espediente di isolarne galvanicamente gli ingressi dai successivi stadi di elaborazione del segnale. Ciò può essere ottenuto interponendo, tra tali sezioni, una barriera isolante attraverso la quale il segnale di misura può venir trasmesso per via induttiva (figura 2A), capacitiva (figura 2B) o, infine, ottica (mediante appositi componenti integrati quali fotoaccoppiatori o amplificatori a separazione dielettrica figura 2C).
A valle del dispositivo d'isolamento il segnale di misura esiste riportato ad un riferimento diverso dalla terra del generatore primario, il che blocca gli effetti della tensione di modo comune. Si noti il differente simbolo utilizzato per distinguere i due riferimenti. La mancanza di collegamento ohmico tra le due sezioni rende la prima libera di flottare al di sopra del livello imposto dalla tensione di modo comune senza danno alcuno. Il principio qui esposto è noto come principio della separazione delle masse. Nel seguito verranno presi brevemente in rassegna due tra i dispositivi, più diffusamente impiegati, per realizzare il descritto isolamento galvanico: l'optoisolatore e gli amplificatori ad accoppiamento capacitivo.

Scarica in PDF le seguenti figure:
Figura 1: La tensione di modo comune in una misura di corrente
Figura 2: Trasferimento del segnale tra circuiti isolati
Figura 3: Fotoaccoppiatori: A) con uscita a transistor B) con uscita a triac (fototriac)


Optoisolatori
Gli optoisolatori (altrimenti noti come fotoaccoppiatori, accoppiatori optoelettronici, accoppiatori ottici, optocouplers) sono dispositivi integrati costituiti da un ingresso cui fa capo un elemento emettitore di radiazione luminosa o infrarossa e da un'uscita cui fa capo un dispositivo fotosensibile. Esistono molti tipi di fotoaccoppiatori: l'elemento emettitore può essere ad esempio un led o un ired (infrared emitting diode) così come l'elemento sensibile può essere una cella fotovoltaica, un fotodiodo, un fototransistor o un foto-scr. Dalle varie combinazioni tra sorgente e ricevitore derivano i differenti tipi di optoisolatori (figura 3). Il tipo più diffusamente utilizzato nella strumentazione di misura è costituito da un diodo ired e da un fototransistor (come in figura 3A) racchiusi in uno stesso contenitore (otticamente isolante rispetto la luce esterna) e separati da uno strato dielettrico trasparente alle radiazioni emesse dal diodo. Diodo e fototransistor sono accoppiati otticamente dal costruttore cosicché, ai fini esterni, il dispositivo può essere considerato di natura puramente elettrica. Nelle applicazioni il diodo viene collegato alla sezione di potenza ed il fototransistor a quella di segnale. Le modalità operative di un fotoaccoppiatore possono prevedere sia la trasmissione di segnali digitali (pulse mode) sia quella di segnali analogici (linear mode). Nel primo caso il diodo viene portato in stato di conduzione e interdizione in funzione del segnale digitale da trasmettere. La presenza o l'assenza del fascio IR porta il fototransistor rispettivamente in zona di saturazione (chiuso) o interdizione (aperto). Una resistenza di carico esterna percorsa dalla corrente di collettore consente di ottenere in uscita un segnale in tensione proporzionale alla corrente d'ingresso sul diodo. La figura 4 illustra tale modalità operativa. Nel caso di trasferimento di segnali analogici (funzionamento lineare), al fine di trasferire il segnale con la minima distorsione, è necessario polarizzare il diodo con una corrente DC (bias) alla quale viene sovrapposta la corrente che costituisce il segnale di ingresso. In questo caso il fototransistor viene polarizzato in zona lineare e la sua corrente di collettore è proporzionale alla corrente nel diodo. Anche qui una resistenza di carico esterna percorsa dalla corrente di collettore consente di ottenere in uscita un segnale in tensione proporzionale alla corrente d'ingresso sul diodo. Il segnale d'uscita conterrà ora una componente continua attorno alla quale esso varierà in funzione del segnale d'ingresso (figura 5).
In alcuni casi, il componente riporta un collegamento al terminale di base del fototransistor al fine di usare questo come un diodo (giunzione base emettitore): si ha il vantaggio di tempi di risposta più brevi ma efficienza di trasferimento minore a causa della mancata amplificazione da parte del transistor (corrente di uscita più bassa a pari corrente di ingresso).

Scarica in PDF le seguenti figure:
Figura 3: Fotoaccoppiatori: A) con uscita a transistor B) con uscita a triac (fototriac)
Figura 4: Trasferimento di segnali digitali mediante fotoaccoppiatore (Figura 5: Trasferimento di un segnale analogico mediante fotoaccoppiatore


Caratteristiche degli optoisolatori
Le caratteristiche che contraddistinguono ogni optoisolatore riguardano principalmente:
• caratteristiche d'ingresso;
• caratteristiche d'uscita;
• caratteristiche di accoppiamento ingresso/uscita;
• velocità di risposta
• caratteristiche di isolamento;

Le caratteristiche di ingresso riguardano la curva tensione-corrente del diodo. Quelle di uscita il legame tra la corrente di collettore e tensione di saturazione collettore emettitore del transistor. Le caratteristiche di accoppiamento sono fissate dal rapporto tra la corrente di uscita sul collettore del transistor e la corrente d'ingresso sul diodo, rapporto che costituisce la cosiddetta efficienza di accoppiamento. La velocità di risposta è definita mediante grafici che indicano i tempi di chiusura (turn-on) ed apertura (turn-off) in funzione della corrente di collettore. Il tempo di commutazione del dispositivo ne influenza la banda passante e dipende dalla costante di tempo che s'instaura tra resistenza del carico esterno e la capacità equivalente parallelo del fotoaccoppiatore e del carico stesso.


Amplificatori ad accoppiamento capacitivo
Gli amplificatori ad accoppiamento capacitivo sono dispositivi d'isolamento che hanno trovato larga diffusione negli ultimi anni. Essi sono costituiti da un amplificatore integrato i cui stadi d'ingresso e di uscita sono separati da una barriera ad elevato isolamento. Attraverso questa il segnale viene trasmesso per via capacitiva. Il simbolo più diffuso per tali componenti è quello indicato nella figura 6: è messo in evidenza come le due sezioni di ingresso e di uscita sono gestite mediante alimentazioni (V1 e V2) e riferimenti (Gnd1 e Gnd2) separati. Sia le alimentazioni sia i riferimenti forniti dall'esterno devono quindi risultare galvanicamente isolate per non bypassare l'isolamento interno del componente. Generalmente questi chip utilizzano, al proprio interno, un sistema di modulazione e demodulazione digitale per trasmettere il segnale da una parte all'altra della barriera. Ciò fa sì che la trasmissione non infici l'integrità del segnale conferendo a questo buona affidabilità ed immunità ai disturbi.

Caratteristiche di linearità e distorsione
Una caratteristica fondamentale per tutti i dispositivi di separazione utilizzati per il trasferimento di segnali analogici riguarda la linearità offerta. Applicando un segnale sinusoidale in ingresso si ritrova in uscita un segnale sinusoidale. Il rapporto tra le ampiezze d'uscita e d'ingresso definisce il guadagno del sistema a quella frequenza. Tale rapporto deve mantenersi teoricamente costante entro un limitato range di valori e quindi il legame ingresso-uscita è rappresentato graficamente da una retta. Molti costruttori definiscono la non linearità del componente come valore di picco della deviazione della tensione d'uscita rispetto la citata retta. Anche la distorsione, introdotta sulla forma d'onda del segnale in transito, assume importanza rilevante (soprattutto nel caso d'impiego per scopi di misura). A volte, quando i metodi di modulazione introducono piccole deformazioni sulla forma d'onda ricostruita, è necessario che i contributi armonici alla distorsione cadano al di fuori della banda del segnale di misura. In tal caso essi possono essere facilmente eliminati mediante l'impiego di appositi filtri (il layout dei quali è spesso suggerito dallo stesso costruttore del dispositivo di isolamento).

CARATTERISTICHE GENERALI D'ISOLAMENTO
Qualunque sia il dispositivo adottato esso è sempre composto da due sezioni galvanicamente isolate tra esse e tra i cui riferimenti può cadere l'intera tensione di modo comune di 230 V. Diventano allora stringenti le specifiche del costruttore inerenti all'efficacia dell'isolamento offerto tra le sezioni di potenza e di segnale dal componente utilizzato. Vengono a tal fine specificate tre differenti grandezze:
1. tensione di isolamento: determinata mediante prova di rigidità dielettrica;
2. resistenza di isolamento: determinata mediante misura di isolamento;
3. capacità di isolamento.
Si ricorda qui che la rigidità di un dielettrico rappresenta il più basso valore di tensione che ne causa la rottura ed è quindi espressa in Volt. Il grado d'isolamento ne rappresenta, invece, il valore di resistenza ohmica offerta al passaggio di una assegnata intensità di corrente ed è quindi espresso in Ohm.
1. Tensione di isolamento. Viene determinata mediante una prova di rigidità avente lo scopo di sollecitare elettricamente la barriera isolante. È questa la prova più significativa e viene eseguita applicando una tensione di prova di elevato valore tra i terminali di ingresso del dispositivo connessi insieme e quelli di uscita anch'essi uniti insieme. Data la natura sollecitativa della prova, la differenza di potenziale, una volta applicata, deve essere mantenuta per un certo intervallo di tempo. Essa può avere andamento costante, sinusoidale o impulsivo. Può esserne specificato il livello di picco o rms. Forma d'onda, livello di tensione e tempo d'applicazione dipendono dall'applicazione, e figurano tra le specifiche dichiarate dal costruttore (ad esempio 2500 V picco, 50 Hz , 60 s). Durante il test non devono avvenire scariche ed il componente deve rimanere integro e perfettamente funzionante senza degradazione delle prestazioni. Valori normali per dispositivi destinati ad essere impiegati sulla rete bt sono di 2500 V rms 60 sec. Tali dispositivi possono tuttavia sopportare tensioni più elevate per intervalli più brevi (ad esempio 7500 V per 5s).
2. Resistenza d'isolamento. Rappresenta la resistenza ohmica offerta dal componente tra le due sezioni. La sua misura viene effettuata con metodi voltamperometrici connettendo i terminali di ingresso e di uscita del dispositivo come nella determinazione della tensione di isolamento. La tensione applicata è dell'ordine delle centinaia o migliaia di Volt. I costruttori dichiarano normalmente valori di resistenza dell'ordine delle centinaia di GW.
3. Capacità d'isolamento. È la capacità elettrica presentata dalla barriera di separazione. La sua misura avviene collegando i terminali d'ingresso e d'uscita del dispositivo come nella determinazione della tensione d'isolamento. Viene imposta una tensione sinusoidale ac e misurata, in modulo e fase, la corrispondente corrente. Ciò consente di determinare la reattanza della barriera a quella frequenza e quindi la sua capacità equivalente. Generalmente la frequenza della tensione di prova è dell'ordine del MHz.

METODI NON DISTRUTTIVI
Negli ultimi anni, soprattutto nel caso di dispositivi integrati, vengono spesso applicati dai costruttori metodi non distruttivi derivati dalla norma tedesca Vde 0884. Tali metodi sono basati sugli effetti delle non uniformità di campo che esiste in un materiale dielettrico non perfettamente omogeneo nel corso della sua degradazione. Viene applicata una tensione di test sinusoidale di assegnato valore rms e frequenza 50 Hz o 60 Hz. Nel caso frequente in cui le irregolarità del dielettrico siano costituite da zone vuote, il campo elettrico di prova ionizza tali regioni facendo si che, oltre determinati livelli di tensione, si verifichino conduzioni transitorie di piccole cariche elettriche (< 5 pC). Le micro scariche che si originano sono rilevate esternamente come rapidi burst di impulsi di corrente aventi durata compresa tra 0,01 e 1s che si ripetono ad ogni ciclo della tensione ac applicata. Il minimo valore di questa alla quale il fenomeno ha inizio è detta tensione di innesco (inception voltage). Una volta innescato il fenomeno, è necessario, per assistere al suo estinguersi, ridurre la tensione di prova fino ad un livello detto tensione di estinzione (extinchition voltage). I costruttori specificano entrambi i valori rms delle tensioni d'innesco e d'estinzione (ad esempio 2400V e 1500V). Il metodo descritto, noto come metodo delle scariche parziali, costituisce lo stato dell'arte per i metodi di test non distruttivi ad alta tensione di dispositivi integrati.


ALTRI DISPOSITIVI DI SEPARAZIONE
Ulteriori dispositivi di separazione impiegati nel trasferimento di segnali tra parti isolate sono: trasformatori amperometrici o voltmetrici (nel caso di segnali in corrente o tensione rispettivamente) e microrelè (nel caso di comandi di tipo on/off). Rispetto questi, i dispositivi integrati qui descritti presentano tuttavia alcuni vantaggi, poiché offrono elevata sensibilità d'ingresso, elevata banda passante, buona linearità, elevata velocità di commutazione, piccolo ingombro, robustezza, basso consumo, ottime caratteristiche d'isolamento. Non da ultimo è da considerare l'elevata stabilità termica, caratteristica questa tipica dei fotoaccoppiatori, dovuta ad un effetto di compensazione che s'instaura tra ired e fototransistor: all'aumentare della temperatura si ha una minore emissione da parte del primo e contemporaneamente una maggiore sensibilità del secondo. Il fenomeno inverso si verifica al diminuire della temperatura.

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