Quali Sono gli Optoisoladori più Adatti al Tuo Segnale?

Mark Harris
|  Creato: December 4, 2021
Quali sono gli optoisoladori più adatti al tuo segnale?

Un optoisolatore è un dispositivo elettronico che può essere utilizzato per trasmettere informazioni attraverso un diodo, senza il passaggio di corrente elettrica. Poiché non è necessario far passare direttamente la tensione o la corrente tra gli ingressi e le uscite in un optoisolatore, questi componenti possono essere utilizzati per fornire isolamento elettrico fra due regioni di una scheda. Gli optoisolatori fungono da meccanismo di protezione, impedendo alle correnti elettriche dannose di fluire attraverso il dispositivo.

In parole povere, un optoisolatore prende un segnale elettrico in ingresso e lo converte in segnale luminoso utilizzando un diodo a emissione di luce, generalmente operante nello spettro del vicino infrarosso. All'interno dello stesso dispositivo, un dispositivo sensibile alla luce come un fotodiodo, un fototransistor o un transistor Darlington convertirà il segnale luminoso in un segnale elettrico. Questo fornisce una barriera per qualsiasi tensione transitoria o per livelli di sovratensione che appaiono all'ingresso, impedendo loro d'influenzare il circuito elettrico all'uscita dell'isolatore ottico. I componenti sono sigillati in un package opaco per evitare interferenze provenienti da fonti di luce esterne.

Gli optoisolatori sono ampiamente utilizzati nei sistemi di comunicazione, controllo e monitoraggio in cui i segnali di dati potrebbero fungere da punto d’ingresso per tensioni dannose capaci di danneggiare il dispositivo. Sono utili in presenza di cavi dati particolarmente lunghi, che potrebbero essere soggetti a tensioni transitorie indotte o a picchi del piano di massa, inseriti in un dispositivo elettronico contenente componenti semiconduttori sensibili.

Alcune Specifiche Importanti da Considerare nella Scelta di un Optoisolatore.

Vale la pena ricordare che i termini optoaccoppiatori e optoisolatori sono spesso usati in modo intercambiabile; tuttavia, per fotoaccoppiatori si intendono generalmente dispositivi in grado d’isolare tensioni fino a circa 5000 V, mentre gli optoisolatori sono dispositivi in grado d’isolare tensioni superiori ai 5000 V. Non sorprenderti se troverai eccezioni a questa regola. In caso di dubbio, fai affidamento sulla scheda tecnica. L'immagine seguente illustra il tipico diagramma elettrico di un isolatore ottico, o accoppiatore ottico, con ingressi a sinistra e uscite a destra.

Simbolo circuito optoisolatore

Per il momento, ci concentreremo sulle diverse tipologie di optoisolatori. Quando si sceglie un optoisolatore, i parametri chiave da considerare sono: la tensione d’isolamento, la larghezza di banda, la linearità, il CTR (current transfer ratio) e i requisiti di alimentazione.

Tensione d'Isolamento

La tensione d'isolamento è la massima differenza di tensione nominale che può essere presente tra il LED e il sensore di luce. Questa tensione d’isolamento è determinata dalla struttura del dispositivo optoisolatore stesso e da fattori esterni al dispositivo. Se la tensione all'elemento sorgente di luce e all'elemento sensore si ionizzassero, si verificherebbe una rottura interna. Allo stesso modo, si avrebbe una rottura esterna se la tensione sul pin d’ingresso del dispositivo creasse un arco elettrico con un pin d'uscita. Questo dipende dalla progettazione del PCB, ovvero dal modo in cui le tracce per gli ingressi e le uscite vengono sbrogliate e separate, così come dalle condizioni ambientali in cui opera il dispositivo. La tensione alla quale si potrebbe verificare un arco elettrico dipende dalla temperatura, dall'umidità, dal margine di separazione, dalla pressione e dalla presenza di contaminanti nell'aria. Separazione e umidità sono comunque i fattori più significativi. Un tipico optoisolatore standard può sopportare differenze di tensione ingresso-uscita fino a 10 kV e tensioni transitorie di circa 25 kV/μs.

Larghezza di Banda

Laddove venga utilizzato un optoisolatore per disaccoppiare i piani di massa o gli ingressi di rilevamento della tensione, il tasso di variazione del segnale isolato è relativamente irrilevante. Tuttavia, quando l'optoisolatore viene utilizzato per disaccoppiare i bus dati o le piste di comunicazione, il throughput (velocità di flusso) del dispositivo diventa un parametro essenziale da considerare. Le applicazioni tipiche degli optoisolatori vanno dai bus dati seriali a velocità relativamente lenta come I2C o SPI che operano a decine di Mbps, fino a protocolli ad alta velocità. Gli optoisolatori più semplici hanno in genere una larghezza di banda di circa 10 MHz (vedi sotto), ma ci sono dispositivi progettati specificamente per velocità di trasmissione dati più elevate. È bene tenere presente che la velocità di trasmissione dati massima per qualsiasi optoisolatore dipende dal carico in uscita e dalla temperatura. È anche importante studiare attentamente la scheda dati quando si isolano bus dati veloci.

Guadagno di un optoisolatore
La larghezza di banda può essere osservata nella curva di guadagno di un optoisolatore. L'esempio mostrato qui si riferisce all'HCPL-7840-000E di Broadcom.

Vale la pena ricordare che sono disponibili sul mercato isolatori di rete passivi per reti Ethernet cablate, che utilizzano l'induzione elettromagnetica per fornire una barriera elettricamente non conduttiva, senza il bisogno di ricorrere a un'alimentazione esterna. L'implementazione di un circuito optoisolatore potrebbe non essere sempre la soluzione più appropriata, ma tale decisione dipende dai requisiti di ciascun progetto.

Linearità

Come con qualsiasi dispositivo semiconduttore, il fotodiodo utilizzato nell'isolatore ottico ha un elemento di non linearità nella relazione tra l'ingresso e l'uscita, che potrebbe distorcere il segnale che viaggia attraverso l'isolatore. Si può mitigare quest'effetto assicurando che il fotodiodo sia polarizzato e operi nel suo intervallo lineare, evitando le regioni di taglio o saturazione. Eventuali non linearità residue sono particolarmente evidenti quando gli optoisolatori vengono utilizzati per disaccoppiare segnali analogici.

Per questo sono stati sviluppati optoisolatori analogici specializzati con una non linearità minima. Tipicamente, vengono impiegati due fotodiodi collegati ad un amplificatore operazionale: un fotodiodo funziona in modo standard, mentre il secondo dispositivo, con prestazioni di non-linearità identiche, è posizionato nell'anello di retroazione dell'amplificatore come compensazione, annullando quindi le non-linearità.

CTR (Current Transfer Ratio)

il CTR, o rapporto di trasferimento di corrente, è il rapporto tra le correnti del LED e del sensore e riflette l'efficienza del dispositivo. Un optoisolatore con un CTR basso richiederà corrente maggiore per pilotare il LED e creare una corrente sufficiente al fototransistor per un particolare carico d’uscita.

Il CTR non è un valore costante ma dipende dalla corrente d’ingresso del componente. Il CTR varia anche in base ad ogni singolo componente, alla sua temperatura e all’età. Per questo è fondamentale selezionare un dispositivo che fornisca il CTR adatto alla temperatura nominale e alla durata operativa massima del dispositivo in cui verrà utilizzato. Le tolleranze di fabbricazione presenti nei componenti possono portare ad ampi intervalli di CTR all'interno dello stesso lotto di componenti; il progetto deve quindi poter funzionare in base al CTR minimo indicato nella scheda tecnica. Tutti questi fattori possono complicare la scelta del giusto dispositivo. In caso di dubbio, per garantire che il circuito funzioni correttamente, è buona prassi considerare un buon margine di errore e simulare il circuito utilizzando i peggiori valori indicati.

Potenza

L'ultimo fattore da tenere in considerazione è il fabbisogno di potenza dell'optoisolatore, così come la gestione del calore generato dal componente a causa delle perdite. I componenti più rudimentali possono essere relativamente inefficienti e generare livelli di energia termica significativi, che devono essere gestiti in modo appropriato, soprattutto considerando che le prestazioni dell'isolatore ottico sono direttamente affette dal riscaldamento del dispositivo. Quando si progetta il layout del circuito, non bisogna dimenticarsi di mantenere le tracce d’ingresso all'optoisolatore opportunamente distanziate da tutte le altre, in particolare dai piani di massa e di potenza, per evitare che i transitori si accoppino capacitivamente o induttivamente tra di esse.

Costruzione di un Optoisolatore

Gli optoisolatori utilizzano generalmente un LED nel vicino infrarosso per convertire un segnale elettrico in ingresso in un segnale luminoso equivalente. La luce è trattenuta all'interno di un canale ottico chiuso, detto anche canale dielettrico. Un dispositivo fotosensibile all'estremità del canale ottico può generare direttamente un segnale elettrico dalla luce ricevuta, oppure utilizzarla per modulare la corrente elettrica che fluisce da una fonte di alimentazione esterna. Il dispositivo fotosensibile può essere una fotoresistenza, un fotodiodo, un fototransistor, un raddrizzatore controllato al silicio (SCR) o un Triac. Poiché le fotoresistenze possono essere utilizzate sia come sorgente luminosa che come dispositivo fotosensibile, è possibile formare un optoisolatore bidirezionale utilizzando due fotoresistenze poste a ciascuna estremità del canale ottico. I problemi di prestazioni ed efficienza limitano però la disponibilità e l'utilizzo degli optoisolatori bidirezionali. Un circuito equivalente può essere implementato utilizzando due optoisolatori unidirezionali in configurazione invertita. Questa soluzione comporta però l'utilizzo di più componenti discreti, creando un ingombro di gran lunga maggiore.

Circuiti di optoisolatori
Quattro tipologie di componenti optoisolatori (da sinistra a destra): separatore Schmitt, Triac, fototransistor e SCR. Questi dispositivi possono essere configurati anche su più canali.

Il layout fisico di un optoisolatore dipende principalmente dalla tensione d’isolamento desiderata. I dispositivi destinati all'utilizzo a pochi kV presentano generalmente una costruzione planare. Il die del sensore è coperto con una lastra di vetro o plastica trasparente, sormontata a sua volta dal die del LED. Lo spettro di assorbimento del sensore sarà quindi equalizzato allo spettro d’uscita del LED, mentre lo spessore del canale ottico determina la tensione nominale di rottura del dispositivo. I dispositivi classificati per tensioni di rottura più elevate hanno in genere una struttura a cupola in silicone. I die del LED e del sensore sono posizionati sul lato opposto del package e separati da una cupola in silicone trasparente. La cupola è sagomata per dirigere la massima quantità di luce possibile dal LED al sensore.

Utilizzi

Le apparecchiature elettroniche e le piste di trasmissione del segnale e dell'alimentazione possono essere soggette a frequenti picchi di tensione indotti da fulmini e scariche elettrostatiche, interferenze a radiofrequenza e impulsi generati da variazioni di carico. Come discusso in un precedente articolo, i fulmini che si sviluppano a distanza possono indurre picchi di svariati kV nelle linee di comunicazione ed elettriche particolarmente lunghe. Gli optoisolatori possono fornire una buona soluzione per impedire che i picchi di tensione presenti agli ingressi di un dispositivo influenzino i suoi componenti più sensibili. Possono anche essere utilizzati in progetti di dispositivi con elementi ad alta tensione. Questi tipi di progetti potrebbero infatti richiedere un'interfaccia tra gli elementi ad alta tensione del circuito e gli elementi standard a bassa tensione. Gli optoisolatori possono infatti aiutare a creare una separazione sicura tra gli elementi.

Laddove vengano utilizzati optoisolatori per il pilotaggio di livelli logici digitali, è necessario tenere in considerazione la configurazione dell'uscita. Se è necessario che l'uscita degli optoisolatori oscilli da zero volt alla pista di alimentazione per accogliere il circuito di carico, sarà necessario impiegare un optoisolatore con una configurazione d’uscita Totem-Pole. Altrimenti si può scegliere la più comune configurazione Push-Pull.

La caratteristica principale che differenzia gli optoisolatori dai trasformatori d’isolamento equivalenti è l'assenza di flussi di energia attraverso il dispositivo. Essi funzionano infatti modulando l'energia elettrica fornita all'uscita per riflettere il livello di energia all'ingresso. Tuttavia, un vantaggio significativo che gli optoisolatori hanno, rispetto ai trasformatori d'isolamento è che possono trasferire segnali anche a frequenza molto bassa, addirittura fino ai livelli DC. Sono anche più semplici da implementare in un progetto di circuito, poiché le impedenze d’ingresso e d’uscita sono indipendenti e non richiedono quindi componenti aggiuntivi per l'adattamento dell'impedenza.

Tipologie di Sensori negli Optoisolatori

Fotoresistori

I fotoresistori sono dispositivi non polari che possono essere utilizzati sia in circuiti DC che AC. Funzionano modificando la loro resistenza in proporzione inversa all'intensità dell'energia luminosa ricevuta. La gamma di funzionamento della resistenza può variare da poche centinaia di Ohm fino al circuito aperto. Tradizionalmente utilizzati nella telefonia e nell'automazione industriale, sono oggi per lo più in disuso, se non per alcune applicazioni di nicchia come l'amplificazione degli strumenti musicali.

Fotodiodi

Quando l'energia luminosa cade su un fotodiodo, viene generata una carica proporzionale all'intensità dell'energia luminosa ricevuta. Il fotodiodo funziona in modalità fotovoltaica, utilizzando questa piccola carica per pilotare un carico ad alta impedenza. Quando un fotodiodo viene polarizzato inversamente, utilizzando una sorgente di tensione esterna, l'energia luminosa ricevuta aumenterà la corrente inversa che scorre attraverso il diodo, modulando il flusso di energia dalla sorgente esterna. Quando si opera in questa modalità fotoconduttiva, la portata di energia è direttamente proporzionale all'intensità dell'energia luminosa ricevuta. Il fotodiodo che opera in questa modalità fotoconduttiva può essere ottimizzato per funzionare a velocità relativamente elevate, incorporando driver LED e amplificatori d'uscita nel dispositivo.

Fototransistor

I fototransistor sono intrinsecamente più lenti dei fotodiodi e devono essere correttamente polarizzati e caricati per raggiungere velocità nell'ordine delle decine di kHz. Tuttavia, sono più sensibili e la loro uscita a collettore aperto permette loro di generare correnti d’uscita maggiori. Sono adatti per l'utilizzo in circuiti DC dove il tempo di risposta più lento non è un fattore rilevante. L'utilizzo di un morsetto Schottky sull'uscita a collettore aperto del fototransistor può fornire una linearità relativamente buona nella risposta del dispositivo.

Il fotodarlington è una variante di fototransistor. Funziona utilizzando una coppia di transistor nella configurazione Darlington Pair, fornendo livelli di guadagno e sensibilità molto più elevati rispetto a un fototransistor standard, a discapito però di una velocità di risposta più lenta.

Raddrizzatori controllati al silicio

Gli optoisolatori con raddrizzatore controllato al silicio (SCR) sono un tipo d’isolatore a tiristori progettato per applicazioni di controllo dell'alimentazione AC. Conosciuti anche come foto-SCR, forniscono un isolamento completo dal rumore e dalle tensioni transitorie presenti sulla linea di alimentazione AC. Tuttavia sono meno usati dei dispositivi foto-Triac a causa delle loro limitazioni di prestazione dovute al solo funzionamento nella metà positiva del principale ciclo CA.

Foto-Triac

Gli optoisolatori foto-Triac (triodo per corrente alternata) sono, come i foto-SCR, ottimizzati per l'uso in applicazioni in relè a stato solido per controllare i carichi alimentati dalla rete AC. L'optoisolatore Triac può operare da un semplice ingresso DC commutato per gestire in sicurezza un'alimentazione AC ad alta tensione. A differenza dei foto-SCR, un optoisolatore Triac può funzionare durante l'intero ciclo AC con rilevamento dello zero-crossing, il che consente al circuito di trasmettere piena potenza al carico, con una corrente di spunto minima durante la commutazione dei carichi induttivi.

Foto-MOSFET

I relè foto-MOSFET (semiconduttore metallo-ossido transistor ad effetto di campo) sono un tipo meno comune di optoisolatori progettati per applicazioni a commutazione rapida che richiedono elevata affidabilità e un lungo ciclo di vita in condizioni ambientali complesse. Capaci di commutare in modo efficiente 1,5 kV e gestire correnti fino a 5 A senza rimbalzo, questi dispositivi a stato solido sono utilizzati nell'ultima generazione di sistemi di gestione delle batterie per impianti di generazione di energia solare e veicoli elettrici.

Conclusione

Quando si sceglie un isolatore ottico, è importante non limitarsi a una valutazione basata prettamente sul proprio budget e sulla disponibilità del componente presso il proprio fornitore di fiducia. Gli optoisolatori sono disponibili in un'ampia gamma di tipologie diverse ottimizzate per applicazioni specifiche. La selezione deve prendere in considerazione alcuni fattori chiave:

  • Qual è la tensione più alta da cui è necessario proteggersi?
  • Qual è la larghezza di banda del segnale che si sta cercando d’isolare?
  • Si devono isolare DC o AC, o un bus dati ad alta velocità?
  • Com’è alimentata l'uscita e quale carico si sta pilotando?
  • Tenendo in considerazione queste informazioni e le caratteristiche dell'ingresso, qual è il CTR di cui si avrà bisogno?
  • Infine, come verranno incorporati gli optoisolatori nel progetto e quali misure di gestione termica sarà necessario implementare?

La morale di quest'articolo è che non è sufficiente inserire un dispositivo optoisolatore qualsiasi sulla scheda. La sua implementazione va considerata all'interno del processo di progettazione fin dall'inizio per garantire che il circuito funzioni correttamente. Gli optoisolatori sono ottimi per disaccoppiare segnali DC e a bassa frequenza dal resto del circuito, ma richiedono alimentazione esterna e hanno generalmente una risposta scarsa alle alte frequenze. I trasformatori d'isolamento sono eccellenti alle alte frequenze ma non possono gestire i segnali DC. Tuttavia, i calcoli per la gestione dell'induttanza in aggiunta al circuito, così come la necessità di equalizzazione dell'impedenza, possono renderli inadatti per alcune applicazioni. Un altro aspetto da prendere in considerazione è che il chip dell'optoisolatore è significativamente più piccolo di un trasformatore d'isolamento equivalente e molto più semplice da inserire su un circuito. Infine, non dimentichiamo l'importanza degli strumenti di simulazione nel processo di scelta.

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Sull'Autore

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Mark Harris è un ingegnere eccezionale con oltre 12 anni di esperienza diversificata nel settore dell'elettronica, che va dai contratti aerospaziali e di difesa ai prodotti start-up, passatempi, ecc. Prima di trasferirsi nel Regno Unito, Mark ha lavorato per uno dei più grandi istituti di ricerca del Canada. Ogni giorno portava con sé un progetto o una sfida diversa che coinvolgeva l'elettronica, la meccanica e il software. È responsabile della pubblicazione della “Celestial Database Library”, la più grande libreria di componenti di database open source per Altium Designer. Mark è attratto dall'hardware e dal software open source, nonché a trovare soluzioni innovative per le sfide quotidiane di questi progetti. L'elettronica è pura passione: seguire la trasformazione di un'idea in realtà e interagire con il mondo è fonte di infinito piacere.
Puoi contattare Mark direttamente a: mark@originalcircuit.com

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