Come ottenere un isolamento con maggiore affidabilità e ridurre le dimensioni con i relè a stato solido

Autore: Pedro Arango Ramirez – Applications Engineer – Motor Drivers at Texas Instruments

 

I relè vengono usati come interruttori sin dal momento dell’invenzione del transistor. La possibilità di controllare in sicurezza i sistemi ad alta tensione per mezzo di segnali a bassa tensione, come nel caso del monitoraggio della resistenza di isolamento, è necessaria per lo sviluppo di numerosi sistemi automotive. Mentre la tecnologia dei relè e dei contattori elettromeccanici è migliorata con il passare degli anni, per i progettisti è ancora complicato raggiungere i propri obiettivi di affidabilità, alte velocità di commutazione, basso rumore, ridotta vibrazione in caso di urto e basso consumo energetico per l’intera durata di vita di un prodotto.

I relè a stato solido (SSR) mostrano vantaggi prestazionali e in termini di costi e presentano valori nominali adatti a diversi livelli di isolamento, sia base che rinforzato. Gli SSR, inoltre, mostrano vantaggi su tecnologie alternative come i relè elettromeccanici e i fotorelè a stato solido.

Maggiore affidabilità del sistema

Per saperne di più sulla gamma TI di relè a stato solido.

Soluzioni tradizionali di commutazione a relè

I relè elettromeccanici (EMR) sono comunemente utilizzati in applicazioni di commutazione ad alta tensione. Gli EMR utilizzano forze elettromagnetiche per la commutazione meccanica di attivazione e disattivazione dei contatti. Data la loro natura meccanica, gli EMR presentano una resistenza di attivazione incredibilmente bassa; i loro contratti sono fondamentalmente collegamenti metallo su metallo.

Gli EMR presentano comunque dei compromessi in termini di velocità di commutazione e affidabilità. Le parti mobili all’interno del relè sono un fattore limitante e la velocità di commutazione rientra solitamente nell’intervallo fra 5 e 15 ms. Con il passare del tempo e l’utilizzo, un EMR può subire guasti come formazione di archi, vibrazioni e saldatura.

A differenza degli EMR, i fotorelè non hanno parti mobili e offrono un’elevata tensione di isolamento. I fotorelè costituiscono quindi un miglioramento rispetto agli EMR tradizionali; tuttavia, presentano anche aspetti progettuali come limitazioni di trasferimento della potenza raggiungibile e il deterioramento del LED interno. Inoltre, i fotorelè necessitano di una resistenza esterna di limitazione della corrente e, spesso, utilizzano transistor a effetto di campo (FET) supplementari per gestire lo stato acceso o spento del LED.

Maggiore affidabilità dell’isolamento grazie agli SSR

I relè a stato solido di TI sono disponibili sotto forma di interruttori (con FET integrati) o driver per il controllo di FET esterni. La gamma di SSR isolati di TI può essere utilizzata per sfruttare l’isolamento capacitivo o magnetico, permettendo così la progettazione con livelli di isolamento di base o rinforzato. L’interruttore isolato TPSI2140-Q1 e il driver isolato TPSI3050-Q1 di TI presentano una maggiore affidabilità e longevità rispetto agli EMR, in quanto non sono soggetti al deterioramento meccanico con il passare del tempo. Gli SSR, pertanto, offrono un’affidabilità 10 volte superiore per l’intero ciclo di vita del prodotto rispetto agli EMR tradizionali. Gli SSR di TI, inoltre, sono in grado di commutare nell’arco di un microsecondo, ossia ordini di grandezza più veloci rispetto agli EMR.

Poiché il TPSI3050-Q1 e il TPSI2140-Q1 integrano il trasferimento di potenza e segnale attraverso una singola barriera di isolamento, non è necessaria alcuna alimentazione a polarizzazione secondaria, permettendo quindi di realizzare una soluzione di piccole dimensioni. La Figura 1 mostra l’utilizzo dell’interruttore isolato TPSI2140-Q1 in un sistema ad alta tensione, che permette di eliminare i componenti esterni, come l’alimentazione a polarizzazione e i circuiti di controllo esterni.

Figura 1: L’interruttore isolato TPSI2140-Q1 riduce le dimensioni della soluzione in sistemi ad alta tensione

I relè a stato solido come il TPSI2140-Q1 e il TPSI3050-Q1, inoltre, offrono vantaggi rispetto ai fotorelè e agli optoaccoppiatori tradizionali. I dispositivi di TI come il TPSI2140-Q1 e il TPSI3050-Q1 permettono di ottenere una maggiore affidabilità rispetto ai fotorelè grazie all’assenza di degrado del LED. Non sono necessari circuiti di controllo esterni in quanto l’ingresso di livello logico è in grado di azionare il sistema direttamente. La Tabella 1 mostra un confronto qualitativo fra queste tecnologie di commutazione isolate.

 

	Relè elettromeccanico	Fotorelè o relè ottico	Relè a stato solido TI
Materiale isolante	Aria o resina epossidica	Resina epossidica o poliimmide	Poliimmide o biossido di silicio
Rigidità dielettrica (1 s)	≅1 VRMS/µm ≅20 VRMS/µm	≅20 VRMS/µm ≅300 VRMS/µm	≅300 VRMS/µm ≅500 VRMS/µm
Vantaggi	Bassa resistenza	Basse emissioni di interferenze elettromagnetiche (EMI)	Alta velocità (µs) Bassa potenza
Svantaggi	Bassa velocità (ms) usura meccanica, immunità alle vibrazioni/magnifica	Fotodegradazione e scarica parziale	Il progetto deve rientrare nei limiti EMI
Temperatura ambiente d’esercizio	Da –40°C a 85 °C	Da –40°C a 85 °C	Da –40°C a 125 °C
Costo	$$$	$	$

Tabella 1: Confronto fra soluzioni di commutazione esistenti

Conclusione

I relè a stato solido di TI offrono la massima rigidità dielettrica alla massima velocità, alla massima temperatura di esercizio e al minimo costo di sistema possibili. Inoltre, consentono una maggiore affidabilità della commutazione in un package di dimensioni inferiori. Ulteriori informazioni sulle possibilità di semplificazione del progetto con i nostri interruttori e driver isolati sono disponibili nelle risorse supplementari seguenti.

Risorse supplementari

Leggete l’articolo tecnico «Come progettare sistemi ad alta tensione con una maggiore affidabilità, riducendo dimensioni e costi della soluzione al tempo stesso».

Guardate i nostri Corsi di introduzione all’isolamento nella serie di corsi di formazione dei TI Precision Labs.

Note applicative:

Perché i circuiti di precarica sono necessari nei sistemi ad alta tensione

Collegamenti cascata di due driver interruttori isolati TPSI3050 per aumentare la tensione di azionamento del gate

Scoprite i prodotti con i moduli di valutazione TPSI3050Q1EVM e TPSI2140Q1EVM.