Un requisito sempre più importante nei moderni sistemi elettronici è il rispetto delle normative internazionali di sicurezza in termini di isolamento. Questa caratteristica non deve però influire sulle prestazioni o sui consumi e, pur essendo richieste tensioni di isolamento elevate, è necessario contenere al minimo lo spazio occupato. Le nuove generazioni di fotoaccoppiatori robusti, in contenitori miniaturizzati, durevoli e funzionanti su una gamma estesa di temperature, permettono ai progettisti di apparecchiature industriali ed elettrodomestici di affrontare queste problematiche utilizzando l'isolamento ottico.
Applicazioni e standard
L'isolamento ottico garantisce una separazione galvanica che può essere sfruttata per consentire ai circuiti ad alta tensione e quelli a bassa tensione di interagire in modo sicuro e affidabile, impedendo il flusso di correnti d'anello potenzialmente pericolose tra masse a potenziali diversi e garantendo che i picchi di corrente o di tensione non danneggino i componenti del sistema o generino rischi per gli utenti. L'isolamento ottico è altresì utile per impedire la propagazione del rumore elettrico ed eliminare i disadattamenti di impedenza.
Le apparecchiature che richiedono l'isolamento elettrico devono soddisfare requisiti di sicurezza a livello di sistema e rispettare gli standard internazionali in ambito industriale. Vanno rispettati anche gli standard di sicurezza a livello di componente: le norme Ul1577 e Iec 60747-5-5 sono applicabili a dispositivi otticamente isolati. Per ottenere la certificazione, i dispositivi devono superare prove di tipo elettrico, ambientale e di isolamento, e devono essere sicuri sia in condizioni di guasto che in condizioni di normale funzionamento. La norma Iec 60747-5-5 definisce specifiche per l'isolamento funzionale (che garantisce la protezione dell'apparecchiatura in caso di guasto) e l'isolamento rinforzato per i componenti accessibili dall'utente.
Ottimizzare i contenitori
A differenza di quanto accade nello sviluppo dei circuiti Cmos (che tendono a seguire la legge di Moore) e dei chip passivi a montaggio superficiale a bassa tensione (che possono essere miniaturizzati il più possibile), i componenti otticamente isolati devono soddisfare determinate specifiche di sicurezza. La norma Iec 60747-5-5 richiede distanze superficiali e in aria di almeno 5 mm per superare le prove di isolamento funzionale a 707 V di picco, e uno spessore dell'isolante pari ad almeno 0,4 mm per soddisfare le specifiche sull'isolamento rinforzato. Questi requisiti creano dei problemi ai progettisti di componenti quando devono realizzare contenitori molto piccoli. Nonostante queste limitazioni, lo sfruttamento efficiente del volume disponibile combinato con la tecnologia a montaggio superficiale permette ai nuovi dispositivi di ottenere un minore ingombro superficiale e una minore altezza, soddisfacendo appieno i requisiti della Iec 60747-5-5. Il contenitore Sdip6 (Smd Shrink Dip) di Toshiba a 6 contatti, ad esempio, permette di ottenere distanze superficiali e in aria pari rispettivamente a 7 e 8 mm e uno spessore dell'isolante pari a 0,4 mm, nonostante le dimensioni dimezzate rispetto ai dispositivi Dip a 8 contatti di vecchia generazione con le stesse caratteristiche di isolamento. Oggi, il nuovo contenitore SO6 mini-flat a montaggio superficiale permette di ottenere dimensioni ancora più ridotte. Il contenitore SO6 misura 7,0 x 3,7 x 2,3 mm - molto meno rispetto al formato Sdip a 6 contatti da 9,7 x 4,6 x 4,0 mm. I dispositivi Sdip hanno una tensione di isolamento fino a 5000 V e una tensione di isolamento operativa massima fino a 1140 V di picco. A confronto, il contenitore SO6 permette di garantire una tensione di isolamento pari a 3750 V e una tensione di isolamento operativa massima pari a 707 V di picco. Ciò è l'ideale per applicazioni che richiedono un isolamento superiore ai 565 V di picco degli attuali dispositivi a montaggio superficiale con contenitore Sop Mini-Flat (Mfsop6). Per ottenere un isolamento con caratteristiche equivalenti, i progettisti dovrebbero diversamente usare dei dispositivi Sdip più grandi. Rispetto all'Mfsop6, il contenitore 6 presenta maggiori distanze superficiali e in aria che sono pari a 5 mm, e un profilo più basso del 20% a parità di ingombro superficiale. Inoltre, lo spessore dell'isolante pari a 0,4 mm soddisfa i requisiti dell'isolamento rinforzato richiesti dalla Iec 60747-5-5. La Fig. 1 mette a confronto le caratteristiche di isolamento dei contenitori Sdip6, Mfsop6 e SO6.
Un emettitore a tecnologia avanzata
Oltre a migliorare la sicurezza dei dispositivi di piccole dimensioni, lo sviluppo di sistemi otticamente isolati permette di risparmiare energia e prolungare la durata grazie alle migliorie dell'emettitore Led integrato. I Led all'arseniuro di gallio si sono rivelati efficaci in diverse tipologie di prodotti e Toshiba ha iniziato a introdurre la più recente tecnologia di Led all'arseniuro di gallio e alluminio nei nuovi dispositivi. Questi possono essere pilotati con piccole correnti, riducendo il consumo di energia e prolungando la durata operativa del Led. Inoltre, i minori ritardi di propagazione permettono un funzionamento più rapido e una trasmissione ad alta velocità, mentre le migliorie nei processi di fabbricazione garantiscono prestazioni uniformi nei Led e minori sfasamenti temporali nelle trasmissioni veloci. Infine, l'impiego di questi Led permette di operare su un range termico esteso, da -40 a 125 °C, con la maggior parte dei nuovi fotoaccoppiatori.
Nuove tecnologie in azione
Toshiba offre più di 20 dispositivi che utilizzano il nuovo contenitore SO6 a montaggio superficiale, per applicazioni come la trasmissione di segnali logici e il pilotaggio di moduli di potenza intelligenti e il pilotaggio di Igbt e Mosfet. La gamma comprende accoppiatori triac Nzc (Non Zero-Crossing) e Zc (Zero-Crossing), dispositivi con uscita a Mosfet (fotorelè), dispositivi con uscita a transistor e ingressi in Ac o in Dc, e offre la possibilità di scegliere uscite standard oppure di tipo Darlington. I modelli TLP2301 e TLP2303, ad esempio, supportano velocità di trasmissione da 9,6 kbps a 115,2 kbps. È sempre stato difficile ottenere queste velocità di trasmissione con un accoppiatore a transistor. Questi due prodotti sono più efficienti dei fotoaccoppiatori integrati da 1 Mbps in termini di costi e consumi. Essi soddisfano la necessità di avere interfacce di comunicazione isolate in apparecchiature di automazione industriale (ad esempio Plc e inverter) in cui è richiesto un ampio intervallo di velocità di trasmissione. Il fotoaccoppiatore TLP2301 riduce significativamente il ritardo di trasmissione rispetto ai fotoaccoppiatori a transistor di tipo generico, comprendendo un resistore di scarica per cariche memorizzate nella base dei fototransistor a ingressi luminosi. Con un ritardo massimo di 30 μs, il dispositivo può funzionare con velocità di trasmissione fino a 20 kbps, il che lo rende l'ideale nelle comunicazioni di tipo RS-232. Inoltre, garantisce questo ritardo di trasmissione con una corrente di ingresso di soli 1 mA grazie a un Led a infrarossi di Toshiba ad elevata corrente di uscita. Un confronto con le correnti operative tipiche dei fotoaccoppiatori a transistor di tipo generico con IF compresa tra 5 e 10 mA dimostra una riduzione della corrente di ingresso che va dall'80% al 90%. Ciò permette un pilotaggio diretto dal microcontrollore, eliminando il buffer di pilotaggio Led. Oltre al Led a infrarossi ad elevata corrente di uscita utilizzato nel fotoaccoppiatoe TLP2301, il modello TLP2303 possiede un chip ricevitore di luce con uno stadio a foto Darlington ad alta velocità. Ciò permette al dispositivo di ottenere un elevato rapporto di trasformazione della corrente (IC/IF) che raggiunge l'800%, con una corrente di ingresso di 1,6 mA. Poiché questo prodotto garantisce un ritardo di trasmissione non superiore a 25 μs con un ingresso a 1,6 mA e non superiore a 10 μs con un ingresso a 12 mA, esso è adatto per interfacce di comunicazione isolate operanti nella fascia dei 100 kbps, come l'RS-232C. Il fotoaccoppiatore TLP187 di Toshiba possiede inoltre un'uscita Darlington ed è progettato per sostituire l'attuale modello TLP127 in contenitore Mfsop6. Poiché il formato Sop6 è compatibile con il la piedinatura dell'Mfsop6, la sostituzione può essere fatta immediatamente. Ciò permette ai progettisti di sfruttare le migliori caratteristiche di isolamento e il più basso profilo offerti dal contenitore SO6 senza la necessità di riprogettare il circuito.
