Una scelta intelligente: isolatori digitali per il vostro contatore smart | HYPES  - Electronic components | Scoop.it
Autore dell'articolo: Shashank Sharma

Tutti i principali paesi stanno investendo nelle smart grid e si impegnano a farne un successo. Perché? Poiché la domanda di energia sta aumentando, la distribuzione della rete e dell'energia sarà fondamentale. Con l'aumentare della domanda, aumenta anche il costo dell'energia perché le risorse per generare elettricità sono limitate, determinando un'enorme crescita in questo segmento. Esistono più di 900 milioni di contatori di energia in tutto il mondo, con circa il 65% ancora da implementare.

Per definizione, per smart grid si intende un flusso bidirezionale di energia e comunicazione dalla generazione al consumo (end-to-end). Un contatore intelligente è l'apparecchiatura terminale fondamentale di questa catena, che misura e comunica l'utilizzo di energia e supporta fatturazione automatica, disconnessione remota, modelli di determinazione del prezzo in base alle fasce orarie ecc.

Questo post ha l'obiettivo di spiegare dove è necessario l'isolamento in un'applicazione a contatore intelligente.

Un contatore intelligente include una scheda di comunicazione, la quale può essere dotata di comunicazione cablata o wireless. L'interfaccia di comunicazione cablata più comunemente utilizzata per le applicazioni di lettura dei contatori è la RS-485. In questo caso, l'isolamento è necessario per interrompere la differenza di potenziale tra il contatore di energia e il nodo di lettura del contatore, che potrebbe trovarsi a centinaia di metri di distanza.

Alcuni contatori di energia dispongono di una porta RS-232 per consentire agli operatori umani di collegare le apparecchiature di lettura dei contatori direttamente al contatore. In questi casi, l'isolamento è necessario per evitare scosse elettriche e danni alle apparecchiature di lettura dei contatori causati da picchi di alta tensione che possono verificarsi sulla rete in CA.

Nel caso delle reti elettriche intelligenti polifase, i sensori shunt stanno diventando più popolari rispetto ai trasformatori di corrente (TC) per il rilevamento della corrente di fase. Il vantaggio principale dell'utilizzo di un sensore shunt su un TC è la maggiore immunità della funzione di misurazione alla manomissione magnetica. Pertanto, la tendenza globale punta verso contatori intelligenti polifase basati su shunt.

In un sistema che necessita di campionare tensione e corrente per ogni fase, per preservare l'isolamento fase-fase è possibile utilizzare un microcontrollore per metrologia (MCU) o un convertitore analogico/digitale dedicato (ADC) per ciascuna fase. I parametri della rete vengono trasmessi attraverso la barriera di isolamento all'unità MCU host, che provvede all'aggregazione e alla comunicazione dei dati. Pertanto, è necessario un dispositivo di isolamento tra l'MCU host e le MCU/gli ADC per la metrologia.

Un altro caso d'uso per l'isolamento nei contatori intelligenti è per la verifica dell'accuratezza di energia attiva e reattiva del contatore collegando un contatore di riferimento. Il contatore intelligente emette impulsi a una frequenza proporzionale alla quantità di energia consumata dal carico. Un contatore di riferimento determina l'accuratezza del contatore intelligente calcolando l'errore in base a questi impulsi.

Un dispositivo di isolamento fornisce l'isolamento galvanico tra il contatore intelligente e il contatore di riferimento.

Secondo recenti rapporti di settore, si prevede che le utility di distribuzione a livello mondiale spenderanno circa 378 miliardi di dollari nelle tecnologie smart grid entro il 2030. Indubbiamente, i contatori intelligenti saranno la tendenza del futuro, con la comunicazione bidirezionale che aiuterà i consumatori e le aziende a connettersi tra loro in modo più efficace. Al tempo stesso, tuttavia, verrà posta un'enfasi maggiore su standard di sicurezza più elevati e sull'affidabilità di comunicazione dei dati.

Gli optoaccoppiatori forniscono tradizionalmente isolamento da molti anni, ma con il passaggio del settore verso un'infrastruttura di misurazione avanzata è necessario adottare un rating di isolamento più elevato (4 KVrms o superiore) e il supporto per una maggiore velocità di trasmissione dati con un minore consumo energetico.

Le normative per i contatori di energia in alcuni paesi impongono che lo strumento rimanga in servizio per un periodo di tempo molto più lungo; pertanto, è importante mantenere l'efficacia dell'isolamento per un periodo di 15 anni o più. Gli effetti del deterioramento negli optoaccoppiatori basati su LED (diodi ad emissione di luce) spesso ne limitano la durata a meno di 10 anni. Diventa quindi fondamentale scegliere una barriera di isolamento alternativa che sia più affidabile e che duri per più di 15 anni.

Gli isolatori digitali della serie ISO77xx di TI sono isolatori digitali a 5 KVrms rinforzati ad alte prestazioni. Gli isolatori di TI utilizzano il biossido di silicio (SiO2) come materiale dielettrico, che presenta un'elevata resistenza alla rottura (500-800 V/μm). Questi isolatori capacitivi sono immuni all'umidità e alla temperatura e possono durare per oltre 40 anni, permettono di isolare gli ingressi/le uscite digitali (I/O) CMOS (complementary metal-oxide semiconductor, semiconduttori con ossido di metallo complementare), forniscono un'elevata immunità elettromagnetica, hanno emissioni irradiate molto ridotte e un consumo energetico molto basso.

L'architettura intrinseca degli isolatori ottici limita la velocità dei dati a pochi kilobit al secondo, mentre gli isolatori capacitivi di TI sono in grado di gestire velocità di trasmissione dati fino a 100 Mbps. Sul mercato esistono optoaccoppiatori ad alta velocità, ma il loro costo inizia ad essere elevato a partire da velocità superiori a 1 Mbps. Inoltre sono disponibili pochi optoaccoppiatori ad alta velocità con più di due canali in un singolo package, mentre gli isolatori capacitivi di TI sono disponibili con ben sei canali in un singolo package SOIC (small-outline integrated circuit) da 16 pin. All'aumentare del numero di canali di isolamento in un sistema, il vantaggio della soluzione a basso costo degli optoaccoppiatori inizia a diminuire, poiché un isolatore digitale multicanale integrato richiede meno componenti esterni e occupa molto meno spazio sulla scheda.

Per questi motivi, gli isolatori digitali sono preferibili agli optoaccoppiatori per i contatori di energia intelligenti.