Isolatori digitali a due canali per l'isolamento di segnali industriali a basso consumo

I sistemi di automazione industriale, gli azionamenti per motori e i controllori a logica programmabile richiedono un isolamento galvanico affidabile per impedire che transitori ad alta tensione, loop di massa e interferenze elettromagnetiche corrompano la sensibile logica di controllo a bassa tensione. Per rispondere a queste esigenze riducendo al contempo il carico termico complessivo del sistema, Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation ha introdotto la serie DCL32xx00: una famiglia di quattro isolatori digitali standard a doppio canale progettati per ridurre la corrente di esercizio nei macchinari industriali compatti.

Sfide ingegneristiche nell'isolamento dei segnali industriali
Negli ambienti di automazione di fabbrica, apparecchiature come controllori a logica programmabile, attuatori industriali e inverter a frequenza variabile operano in presenza di forte rumore elettrico generato da dispositivi di commutazione rapida e carichi induttivi. I segnali instradati attraverso potenziali di massa differenti rischiano gravi loop di massa e il deterioramento delle apparecchiature se non vengono disaccoppiati fisicamente.

Le tecniche tradizionali di isolamento galvanico comportano spesso compromessi progettuali tra ingombro fisico, degrado a lungo termine nell'arco della vita operativa ed elevato consumo di energia elettrica. Con quadri di controllo sempre più orientati a una maggiore densità di componenti, gli ingegneri devono confrontarsi con stringenti limiti termici che impongono a ciascun componente a semiconduttore di ridurre al minimo l'assorbimento di corrente, senza compromettere la stabilità di trasmissione o i margini di sicurezza.

Architettura ad accoppiamento magnetico e principi di funzionamento
La serie DCL32xx00 integra una tecnologia proprietaria di trasmissione dell'isolamento ad accoppiamento magnetico, che racchiude die in silicio dedicati alla modulazione e demodulazione insieme a specifici strati isolanti all'interno di un package standard SOIC8-N. La trasmissione del segnale attraverso la barriera di isolamento avviene tramite accoppiamento di campo magnetico localizzato, anziché mediante emissioni ottiche.

Questa architettura integra una circuiteria interna progettata specificamente per ridurre al minimo la dissipazione di potenza nello stadio di trasmissione del segnale isolato. I dispositivi funzionano con un consumo di corrente tipico di 0,2 mA per canale a una velocità di trasmissione dati di 1 Mbps, misurato in condizioni di prova con tensione di alimentazione di 3,3 V, capacità di carico di 15 pF e temperatura ambiente di 25 gradi Celsius. L'architettura del ricetrasmettitore interno gestisce velocità di comunicazione fino a una velocità di trasferimento massima di 25 Mbps.

Configurazioni dei canali e specifiche elettriche
La serie mette a disposizione dei progettisti due distinte topologie di canale per interfacciarsi con i protocolli seriali industriali standard:

Tutti e quattro i dispositivi sono certificati per una tensione nominale di tenuta dell'isolamento minima di 3.000 Vrms. I componenti supportano tensioni di alimentazione in un intervallo di corrente continua compreso tra 2,25 V e 5,5 V e mantengono la propria affidabilità operativa in un intervallo di temperatura industriale compreso tra -40 e 125 gradi Celsius.

Impiego nei flussi di controllo industriale
La serie DCL32xx00 opera principalmente a livello di interfacce di ingresso e uscita di campo, alimentatori a commutazione, nodi sensore e sottosistemi di controllo motore. Nei backplane dei controllori a logica programmabile e nei moduli I/O distribuiti, i dispositivi instradano parole di controllo digitali e flag di stato tra l'unità centrale di elaborazione (CPU) e gli stadi ricetrasmettitori lato campo.

Combinando i quattro dispositivi a due canali con la già esistente famiglia a quattro canali DCL34xx0B, i progettisti possono adattare con precisione i canali di isolamento alla piedinatura del sottosistema, eliminando i canali isolati inutilizzati su circuiti stampati ad alta densità. La riduzione della corrente dinamica per canale semplifica inoltre il dimensionamento delle linee di alimentazione ausiliarie nei moduli convertitori DC-DC isolati all'interno delle reti di automazione distribuite.

Contesto aggiuntivo:
specifiche tecniche e analisi comparativa

I componenti per l'isolamento digitale destinati ai sistemi industriali si basano principalmente su tre approcci tecnologici concorrenti: fotoaccoppiatori tradizionali, isolatori capacitivi e accoppiatori magnetici a trasformatore.

I fotoaccoppiatori convenzionali si affidano a diodi a emissione di luce che subiscono una degradazione dell'emissione nel tempo a causa dell'invecchiamento e dello stress termico, richiedendo in genere correnti di pilotaggio comprese tra 2 mA e 10 mA per preservare margini di segnale adeguati. Al contrario, gli isolatori digitali magnetici e capacitivi raggiungono durate operative superiori a diversi decenni, abbattendo drasticamente il consumo di corrente.

Gli isolatori digitali standard a doppio canale nel segmento di mercato industriale funzionano generalmente con assorbimenti a riposo o a bassa velocità compresi tra 0,5 mA e 1,5 mA per canale. Raggiungere 0,2 mA per canale a 1 Mbps colloca la serie DCL32xx00 tra i dispositivi di isolamento magnetico a più basso consumo energetico nella fascia di velocità media da 25 Mbps.

Inoltre, gli standard applicabili alle apparecchiature industriali, come la norma CEI 61131-2 per i controllori programmabili e la CEI 60664-1 per il coordinamento dell'isolamento, impongono distanze superficiali e in aria rigorose unitamente a tensioni di tenuta certificate. Il valore di 3.000 Vrms dichiarato da Toshiba è in linea con i requisiti di isolamento fondamentale per reti industriali da 230 V a 400 V, garantendo una protezione adeguata contro le tipiche sovratensioni delle linee industriali senza dover ricorrere a varianti di package a corpo largo (wide-body) per le barriere di isolamento in media tensione.

A cura di Natania Lyngdoh, redattrice di Induportals, con il supporto dell’IA.

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