Fotoaccoppiatori primi per isolamento

OPTOELETTRONICA –

I fotoaccoppiatori stanno vivendo un momento di evoluzione tecnologica trainata dalle crescenti esigenze in termini di prestazioni, sicurezza e miniaturizzazione.

Ogni volta che occorre isolare due circuiti, in particolare i piedini di ingresso e uscita di un microcontrollore dai relativi segnali provenienti dall’esterno, vengono largamente utilizzati i fotoaccoppiatori. Si tratta di dispositivi che offrono numerosi vantaggi, come l’isolamento galvanico, l’eliminazione del disadattamento di impedenza e la riduzione del rumore circuitale. E sebbene non siano certamente sotto i riflettori quanto i loro più blasonati microcontrollori, i fotoaccoppiatori continuano anch’essi ad evolversi per rispondere sempre meglio alle crescenti esigenze in termini di prestazioni, sicurezza e miniaturizzazione. In Europa, la domanda di fotoaccoppiatori è trainata sostanzialmente dal settore industriale. Nello specifico, l’automazione industriale la fa da padrone e gli usi tipici tendono ad essere collegati al controllo del movimento in dispositivi come i controllori a logica programmabile, i servosistemi e gli inverter. Accanto a questi impieghi industriali più tradizionali, esiste un nuovo mercato che nasce dalle applicazioni “verdi”: impianti ad energia solare e aerogeneratori fanno uso di inverter, nei quali generalmente si utilizzano fotoaccoppiatori. Il settore degli elettrodomestici, in particolare quello dei sistemi di riscaldamento a induzione, è un altro importante ambito di impiego per i fotoaccoppiatori, mentre continuano a emergere nuovi settori di applicazione. Alcuni settori emergenti particolarmente interessanti sono gli autoveicoli, i sistemi di sicurezza e i contatori intelligenti.

Tendenze tecnologiche
Sebbene i requisiti siano diversi a seconda del segmento di mercato, è possibile identificare alcuni fattori ben definiti che orientano i progettisti verso la tecnologia dei fotoaccoppiatori. Le esigenze in termini di riduzione dei costi e di ingombro sulla scheda obbligano alla miniaturizzazione di ogni componente e gli accoppiatori non fanno differenza. I dispositivi in formato Dip (dual-in-line) sono diventati più piccoli – il contenitore Sdip (Shrink Dip) a 6 pin Toshiba occupa la metà dello spazio rispetto al corrispondente contenitore Dip a 8 pin, pur mantenendo le stesse prestazioni e gli stessi standard di sicurezza – mentre molti contenitori Dip cedono il passo ai dispositivi a montaggio superficiale veri e propri. Ma anche se le dimensioni dei contenitori diventano più piccole, continua a crescere la domanda di prestazioni in termini di isolamento (per distanza in aria e in superficie), tolleranza termica e velocità di commutazione. Di seguito vengono esaminate alcune categorie di dispositivi che ricadono sotto il termine generico di fotoaccoppiatore/optoaccoppiatore.

Accoppiatori integrati
Gli accoppiatori integrati, come gli accoppiatori ad alta velocità, gli accoppiatori per pilotaggio di gate Igbt e gli accoppiatori per pilotaggio di moduli di potenza integrati, stanno guadagnando sempre più terreno. Questi dispositivi sono indicati in applicazioni che richiedono funzionalità di uscita più avanzate, ad esempio nel settore delle trasmissioni digitali ad alta velocità, e sono stati al centro dell’attenzione di molti dei recenti sviluppi nella tecnologia degli accoppiatori. Gli accoppiatori ad alta velocità possono essere utilizzati per trasmettere segnali numerici in applicazioni come ad esempio sistemi di automazione industriale e alimentatori a commutazione. I principali criteri di scelta comprendono la velocità di commutazione e la corrente di ingresso di soglia, ma sempre più importanza viene oggi data alla capacità di funzionare in modo affidabile con temperature di lavoro elevate. Il nuovo fotoaccoppiatore per inverter Toshiba TLP708, ultracompatto e ad alta velocità, garantisce un funzionamento sulla gamma di temperatura estesa, da -40°C a 125°C, e soddisfa al contempo i requisiti di isolamento rinforzato degli standard di sicurezza internazionali. Il modello TLP708 è stato studiato per l’utilizzo in elettrodomestici, impianti di automazione industriale e altre applicazioni che richiedono una tolleranza a temperature ambientali estreme e un elevato grado di isolamento. A dispetto delle dimensioni contenute (9,7 x 4,6 x 4,0 mm), questo fotoaccoppiatore possiede una tensione di isolamento minima pari a 5000 V efficaci. Si tratta di un dispositivo che garantisce un tempo di commutazione massimo di soli 75 ns, il che consente di avere una velocità di trasmissione tipica pari a 15 Mbit/s. Al di là delle dimensioni del contenitore, sviluppi recenti hanno cercato di risparmiare spazio occupato sulla scheda integrando più funzioni negli accoppiatori e riducendo pertanto il numero dei dispositivi esterni necessari. Ne è un esempio il modello TLP2095/2098, che accetta in ingresso segnali in corrente alternata. Ciò elimina la necessità di usare raddrizzatori esterni, come ad esempio i diodi a ponte, necessari con ingressi a polarità variabile – come nel caso di un controllore a logica programmabile. Questi dispositivi dimostrano inoltre la necessità di minimizzare il consumo di potenza, con una corrente di soglia massima pari a ±3 mA.

Transistor, triac e fotorelè
Fotoaccoppiatori con uscita a transistor vengono utilizzati in applicazioni come interruttori per Plc, alimentatori e inverter. Gli utenti effettuano la propria scelta basandosi su criteri come la tensione nominale tra collettore ed emettitore, il rapporto di trasferimento di corrente, il numero dei canali e il tipo di contenitore. Anche se quest’ultimo è diventato più compatto, vi sono comunque dei requisiti per questi piccoli contenitori. In particolare, i prodotti di nuova generazione presentano un migliore isolamento e un più esteso intervallo termico di funzionamento garantito. La serie TLP284/285 di Toshiba si presenta in un contenitore Sop4 mini-flat con dimensioni di soli 4,4 x 2,6 x 2,1 mm e offre al contempo una tensione di isolamento di 3,75 kV e funziona con temperature comprese tra -55 °C e 110 °C. Le distanze di isolamento minime (in aria e in superficie) sono pari a 5 mm. La tensione massima operativa di isolamento è 707 V di picco, mentre la sovratensione massima ammissibile è pari a 6000 V di picco. Ovviamente, tutti i nuovi dispositivi devono soddisfare rigorosi standard quali Bsi, UL e Vde. Accoppiatori triac, che conducono corrente in entrambe le direzioni, possono essere utilizzati per controllare un carico in corrente alternata. Vengono tipicamente utilizzati nei relè allo stato solido, nei motori e negli impianti di illuminazione. In questo ambito, la tendenza è verso prodotti caratterizzati da più elevate tensioni di interdizione, fino a 800 V, da un’elevata immunità al rumore impulsivo e, come in tutti gli altri casi, da piccoli contenitori. I Dip4 stanno gradualmente sostituendo i classici contenitori Dip6. I fotorelè (noti anche come accoppiatori con uscita a Mosfet) vengono utilizzati in una crescente varietà di applicazioni a commutazione. Stanno sempre più sostituendo i tradizionali relè meccanici grazie a una gradita combinazione di caratteristiche come una lunga durata, un’elevata affidabilità, un minore consumo di potenza e un minore ingombro su scheda. L’efficienza energetica è una priorità elevata per i costruttori di apparecchiature elettriche ed elettroniche per ragioni sia di costo che di tipo ambientale, mentre il pilotaggio a basso consumo dei fotorelè (inferiore di due ordini di grandezza rispetto agli equivalenti meccanici) è senza dubbio allettante. Si aggiungano a questo la differenza in termini di prestazioni – il tempo di commutazione del fotoaccoppiatore è solo il 20% del tempo di commutazione del relè meccanico – e di maggiore durata, dovuta all’assenza di contatti meccanici, ed è facile capire il perché di questa impellente tendenza a utilizzare i fotorelè. Le caratteristiche dei fotorelè cambiano in base all’applicazione – gli apparati di misura richiedono basse capacità e basse resistenze, mentre gli elettrodomestici hanno bisogno di maggiori prestazioni – ma considerazioni di ingombro e di consumo energetico hanno sempre la loro importanza. Di conseguenza, sono richiesti contenitori ridotti e correnti di innesco più piccole. In risposta a questa esigenza, il fotorelè Toshiba TLP170 presenta una corrente massima di innesco del Led pari ad appena 1 mA – un terzo del valore del suo predecessore.

Sviluppi futuri
La chiave per soddisfare i requisiti di mercato in termini di isolamento, qualità e range termico da parte dei fotoaccoppiatori è l’impiego di nuovi Led ad alte prestazioni. Altri dispositivi di isolamento sono sorti sulla base di tecnologie concorrenti, come accoppiatori magnetici o induttivi, e si è detto che tali dispositivi offriranno una durata maggiore rispetto ai fotoaccoppiatori. Tuttavia, la durata prevista dei Led utilizzati negli odierni fotoaccoppiatori supera già parecchie centinaia di migliaia di ore, in normali condizioni operative. Pertanto è molto probabile che i fotoaccoppiatori mantengano la loro posizione di superiorità tecnica ancora per un po’ di tempo.

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