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Anche se magari avete già le idee abbastanza chiare su cosa sia l’isolamento, potreste avere dei dubbi sulle varie tipologie. In questo articolo tecnico verranno definite le quattro principali tipologie di isolamento e i modi in cui gli ingegneri possono trarre vantaggio dalla nuova tecnologia a trasformatore completamente integrato di TI, che offre numerosi vantaggi rispetto ad altre soluzioni di isolamento rinforzato.
In poche parole, l’isolamento blocca le correnti CC e CA indesiderate tra parti separate di un sistema durante il trasferimento dei segnali desiderati e/o dell’alimentazione desiderata. I progettisti fanno uso dell’isolamento in molte applicazioni per alimentare i driver del gate high-side nei circuiti di alimentazione o di azionamento del motore, per proteggere i circuiti a bassa tensione nei sistemi ad alta tensione (come i processori nei sistemi elettrici automotive), per separare la comunicazione tra sistemi con diversi potenziali di tensione o per evitare scosse elettriche per gli utenti finali di apparecchiature ad alta tensione. Esistono molti livelli di isolamento diversi, tra cui l’isolamento funzionale, l’isolamento di base, il doppio isolamento e l’isolamento rinforzato.
L’isolamento funzionale, come suggerisce il nome, si limita a fornire una funzione, facendo passare un segnale o un’alimentazione da un sistema con un potenziale di tensione a un altro sistema con tensione diversa. Non protegge dalle scosse elettriche.
L’isolamento di base è il livello successivo. Si tratta di un isolamento funzionale, ma aggiunge la protezione contro le scosse elettriche. I dispositivi di Classe I utilizzano l’isolamento funzionale insieme ad un collegamento di messa a terra per proteggere gli utenti. La Figura 1 mostra un tipico dispositivo di Classe I.
Figura 1: Tipico dispositivo di Classe I
Il doppio isolamento parte da un sistema con isolamento di base (ossia il livello di protezione di base contro le scosse elettriche) e aggiunge un livello di isolamento supplementare tra le parti elettriche e l’utente finale in modo da ridurre la probabilità di scosse elettriche nel caso in cui l’isolamento di base non funzionasse. I prodotti di Classe II richiedono un doppio isolamento. Questi prodotti sono realizzati con spine per CA prive del polo di messa a terra, il che migliora la sicurezza del prodotto in quanto non dipende dal cablaggio esterno per la sicurezza dell’utente. Alcuni esempi di apparecchiature terminali con doppio isolamento sono i sistemi di monitoraggio delle risorse di rete, i dispositivi medici portatili come le pompe infusionali e apparecchiature elettriche come frullatori o caricabatterie per telefoni cellulari.
Un secondo livello isola fisicamente le parti metalliche interne (che potrebbero andare in tensione) dall’involucro esterno oppure utilizza un involucro esterno non conduttivo, ad esempio in plastica. I dispositivi di Classe II offrono una certa sicurezza rispetto ai dispositivi di Classe I in quanto non dipendono dal cablaggio esterno per fornire una protezione ridondante.
La Figura 2 mostra un tipico dispositivo di Classe II.
L’isolamento rinforzato ottiene lo stesso risultato del doppio isolamento utilizzando un singolo livello. Un dispositivo con isolamento rinforzato offre un isolamento di base e, inoltre, è progettato per garantire la separazione fisica fra le tracce dei circuiti stampati, i core, gli avvolgimenti, i pin ecc., rispettando al tempo stesso le distanze distanza di isolamento in aria e superficiali (ossia una distanza fisica tra due sistemi in tensione). Un dispositivo rinforzato è progettato con doppio isolamento, ma può essere testato solo come elemento singolo.
Gli standard di sicurezza definiscono i valori che devono essere raggiunti per la certificazione. Ad esempio, la norma IEC 60950-1 della Commissione Elettrotecnica Internazionale richiede una distanza di isolamento in aria/superficiale per l’isolamento di base di 3,2 mm e una distanza di isolamento in aria/superficiale per l’isolamento rinforzato e per il doppio isolamento di 6,4 mm. I requisiti di tensione nominale per l’isolamento di base sono 2.500 VRMS per 1 minuto e 3.000 VRMS per 1 secondo; per l’isolamento rinforzato e il doppio isolamento, sono 5.000 VRMS per 1 minuto e 6.000 VRMS per 1 secondo. Si nota come l’isolamento rinforzato/il doppio isolamento sia esattamente il doppio dell’isolamento di base. I dispositivi a doppio isolamento sono contrassegnati sull’etichetta da un simbolo a doppia scatola, come mostrato nella Figura 3.
Figura 3: Simbolo del doppio isolamento
Una volta deciso di costruire un dispositivo di Classe II è necessario adottare un doppio isolamento o un isolamento rinforzato. Perché scegliere una tipologia anziché un’altra? La risposta sta nelle dimensioni e nel costo della soluzione scelta. Come si può immaginare, un singolo dispositivo che faccia il lavoro di due si presta a una soluzione di dimensioni inferiori dal punto di vista fisico. È possibile ridurre i costi non soltanto mediante l’integrazione in un unico dispositivo, ma anche riducendo la progettazione necessaria per rispettare le norme di sicurezza per l’isolamento.
Le soluzioni completamente integrate di isolamento rinforzato sono disponibili in package di piccole dimensioni e sono facili da implementare. Tali dispositivi presentano diversi vantaggi rispetto ad altre soluzioni. Ad esempio, l’UCC12050 di Texas Instruments integra completamente controllo, driver, transistor a effetto di campo e parti magnetiche in un unico package. È sufficiente posizionare il dispositivo sulla scheda con alcuni condensatori di bypass e seguire le indicazioni per un layout corretto della scheda in modo da progettare una soluzione con isolamento rinforzato per le applicazioni di alimentazione a polarizzazione con ingombro estremamente ridotto. Tutto il lavoro di progettazione è già stato fatto: nessuna necessità di progettazione delle parti magnetiche né di selezione del controller di alimentazione.
Norme come la VDE 0884-10 della Verband der Elektrotechnik e la IEC 60747-17 della Commissione Elettrotecnica Internazionale forniscono i requisiti minimi per la certificazione dei dispositivi con isolamento rinforzato. L’UCC12050 risponde a tutti i requisiti per l’isolamento rinforzato, con protezioni minime di 7 kVPK (per 1 secondo, secondo test in produzione) e 5 kVRMS (per 1 minuto) di isolamento.
In sintesi, l’isolamento funzionale e di base isolano elettricamente una linea di tensione da un’altra, mentre l’isolamento doppio e l’isolamento rinforzato offrono soluzioni intercambiabili per lo stesso obiettivo di progetto: eliminare il pin di messa a terra dalla spina.
L’isolamento rinforzato offre un vantaggio rispetto al doppio isolamento in quanto riduce il numero di dispositivi isolanti da due a uno. Si tratta di una valida scelta per il sistema che permette di risparmiare tempo, fatica, spazio ed eventualmente costi rispetto ad altre soluzioni isolate di alimentazione a polarizzazione.
Ulteriori informazioni sono disponibili sul white paper «Alimentazione attraverso la barriera di isolamento: il panorama degli alimentatori a polarizzazione CC/CC isolati» e sulla nota applicativa «Una catena di input analogico con isolamento rinforzato per applicazioni con vincoli di spazio».
