Miglioramento della distribuzione dell'alimentazione a 24 V CC con interruttori industriali high-side

di Paul Kundmueller, Product Marketing Engineer, Texas Instruments

Altri componenti trattati nel post: TPS272C45, TPS274160

Per poter dare il massimo nello sport, come per correre un chilometro in meno di quattro minuti o saltare per schiacciare a canestro nel basket, gli atleti hanno bisogno di muscoli forti. Il cuore pompa il sangue verso i muscoli attraverso le vene per poter compiere movimenti come afferrare un oggetto con la mano o muovere un dito seguendo gli ordini del cervello. Ma senza muscoli queste imprese spettacolari non sarebbero possibili.

Analogamente, in fabbrica si utilizza una rete elettrica a 24 VCC per distribuire l’energia dagli alimentatori (il cuore), attraverso fili e connettori (le vene), fino ai diversi interruttori di alimentazione (i muscoli), in modo da permettere il movimento di relè, attuatori e sensori secondo gli ordini del controller a logica programmabile (il cervello). Tutto ciò è evidente nelle grandi macchine utensili che utilizzano interruttori di alimentazione per trasferire internamente i 24 V di alimentazione (da scheda a scheda oppure esternamente in moduli di uscita digitale e in moduli di ingresso/uscita remoti) in modo da distribuire l’alimentazione a relè, attuatori e sensori. Questi interruttori di alimentazione consentono a robot, motori e altre macchine utensili di grandi dimensioni di automatizzare una fabbrica per realizzare attività ad alta velocità e precisione, esattamente come nel caso degli atleti che ci piace guardare. La Figura 1 è una rappresentazione visiva di una fabbrica che mostra l’uso di interruttori di alimentazione in diversi tipi di apparecchiature per l’automazione industriale.

Figura 1: Illustrazione degli interruttori di alimentazione in diverse apparecchiature per l’automazione industriale

Pertanto, che tipo di dispositivi a semiconduttore fa la parte dei «muscoli» in un ambiente industriale? Gli interruttori industriali high-side di TI non si limitano alla semplice distribuzione dell’alimentazione e a pilotare i carichi in uscita, ma forniscono anche protezione e capacità di diagnostica per prevenire lunghi tempi di fermo in fabbrica. Ad esempio, gli interruttori includono funzionalità come:

Limitazione della corrente regolabile per condizioni di cortocircuito e sovraccarico.
Rilevamento della corrente integrato per la diagnostica del carico, riducendo quindi i tempi di fermo.
Rilevamento di carico aperto per rotture del filo.
Un clamp di tensione da drain a source (VDS) integrato per il pilotaggio di carichi induttivi.

Una delle protezioni più importanti è la limitazione della corrente, che aiuta a evitare che i sistemi di automazione industriale con connessioni da scheda a scheda e carichi fuori scheda subiscano tempi di fermo notevoli a causa di cortocircuiti, che potrebbero essere provocati da scenari con condensa/umidità, rotture dei cavi o cortocircuiti verso terra. Gli interruttori high-side di TI hanno anche un’opzione per una resistenza esterna utilizzata per regolare il limite di corrente, offrendo quindi una maggiore flessibilità. Questa flessibilità consente di utilizzare lo stesso interruttore in una varietà di condizioni di carico in uscita. Non è necessario acquistare un dispositivo supplementare, ma semplicemente cambiare una resistenza esterna per ottenere un nuovo valore per il limite di corrente. La Figura 2 è lo schema a blocchi di un interruttore high-side a doppio canale con limiti di corrente regolabili e indipendenti per ciascuno dei suoi canali di uscita.

Figura 2: Interruttore high-side a doppio canale, TPS272C45

Il rilevamento della corrente integrato permette di rilevare la quantità di corrente che attraversa l’interruttore high-side: una possibilità preziosa durante il debug di una macchina che non funziona correttamente.

Gli interruttori emettono una corrente su una resistenza esterna proporzionale alla corrente che passa attraverso il transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo interno di potenza, che può quindi essere mandata a un convertitore analogico/digitale (ADC) nel sistema per l’elaborazione.

Il rilevamento della corrente consente agli utenti di diagnosticare situazioni di carico aperto in caso di rottura di un cavo o di scollegamento di una macchina. Ciò può ridurre notevolmente i tempi di debug per macchinari di grandi dimensioni e dotate di molte uscite o connessioni da scheda a scheda, consentendo ai tecnici di individuare meglio quale sistema potrebbe presentare un cavo rotto o mancante e ripristinarlo.

Inoltre, il rilevamento della corrente può aiutare a determinare se in un sistema si sta verificando un evento di sovracorrente o un assorbimento di corrente inaspettato. Il sistema può quindi segnalare ai tecnici di portare un carico o un sottosistema di riserva per sostituire quello difettoso.

La possibilità di fornire un feedback al sistema che un determinato carico è stato attivato correttamente è un ulteriore vantaggio del rilevamento della corrente. Vi sono dei carichi, come un attuatore a solenoide, che presentano un profilo di corrente di ingresso molto particolare. Il tipico profilo di corrente di un attuatore a solenoide è mostrato nella seguente Figura 3 e presenta tre componenti: una corrente di stallo, una corrente di picco e una corrente di mantenimento. Questo profilo può essere acquisito dal rilevamento della corrente degli interruttori high-side e inviato a un ADC per l’analisi. Questa analisi può contribuire a fornire un meccanismo di feedback al sistema, indicando che il carico che sta alimentando si è effettivamente attivato in modo corretto e che il sistema funziona come previsto.

Figura 3: Profilo della corrente di uscita di un attuatore a solenoide acquisito dal rilevamento della corrente di TPS274160

Gli interruttori industriali high-side di TI non soltanto forniscono più «muscoli» e potenza con soluzioni RDS(ON) a bassa resistenza da drain a source, ma offrono anche flessibilità e intelligenza per i sistemi in fabbrica in modo da consentire un maggiore riutilizzo e minori tempi di fermo. TI sviluppa continuamente la propria gamma di interruttori industriali high-side con interruttori a minore RDS(ON), maggiore integrazione delle funzioni e maggior numero di canali.