IT201600102282A1 - Procedimento per trasferire segnali su trasformatori, circuito e dispositivo corrispondenti - Google Patents

Procedimento per trasferire segnali su trasformatori, circuito e dispositivo corrispondenti

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IT201600102282A1
IT201600102282A1 IT102016000102282A IT201600102282A IT201600102282A1 IT 201600102282 A1 IT201600102282 A1 IT 201600102282A1 IT 102016000102282 A IT102016000102282 A IT 102016000102282A IT 201600102282 A IT201600102282 A IT 201600102282A IT 201600102282 A1 IT201600102282 A1 IT 201600102282A1
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Roberto Aletti
Francesco Pulvirenti
Giuseppe Cantone
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St Microelectronics Srl
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Description

“Procedimento per trasferire segnali su trasformatori, circuito e dispositivo corrispondenti”
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo tecnico
La descrizione si riferisce alle tecniche per trasferire segnali elettrici mediante l’utilizzo di trasformatori.
Una o più forme di attuazione possono trovare applicazione ad es. nei dispositivi per il trasferimento di segnale con isolamento galvanico.
Sfondo tecnologico
Le soluzioni tecnologiche basate sull’isolamento galvanico sono oggetto di un interesse crescente, con un numero sempre più elevato di soluzioni in cui, ad es. si desidera poter isolare elettricamente una sezione di potenza, a tensione elevata, da una sezione ove si hanno segnali di controllo, a tensione più bassa.
Queste applicazioni possono permettere, ad es. di proteggere sia le apparecchiature di controllo, sia le persone, in presenza di tensioni molto elevate.
In particolare risulta possibile avere dispositivi per il trasferimento di segnali galvanicamente isolati tramite trasformatore integrato in un chip a semiconduttore.
In contesti di questa natura è auspicabile poter realizzare dispositivi tali da permettere la comunicazione tra due “mondi” isolati fino a 10kV, ed oltre.
Le tecnologie attualmente disponibili ed in grado di soddisfare tale esigenza sono piuttosto complesse e costose, mentre è possibile realizzare con relativa facilità trasformatori integrati con isolamento galvanico fino a circa 6kV. Di conseguenza, utilizzando la serie (cascata) di due o più trasformatori integrati, è possibile raggiungere e anche superare il livello di isolamento di 10kV.
Scopo e sintesi
Una o più forme di attuazione si prefiggono lo scopo di fornire soluzioni utilizzabili per realizzare in modo semplice ed affidabile il trasferimento di segnali su due (o più) trasformatori posti in cascata fra loro.
In una o più forme di attuazione, tale scopo può essere raggiunto grazie ad un procedimento avente le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono.
Una o più forme di attuazione possono riferirsi ad un corrispondente circuito nonché ad un corrispondente dispositivo.
Le rivendicazioni formano parte integrante dell'insegnamento tecnico qui somministrato in relazione alle forme di attuazione.
Una o più forme di attuazione possono pertanto riferirsi al trasferimento di segnali (digitali) su una serie o cascata di due o più trasformatori.
Una o più forme di attuazione possono prevedere una serie o cascata di due o più trasformatori (ad es. del tipo senza nucleo o coreless), realizzabili ad es. su chip diversi con la capacità di fornire un isolamento galvanico, per es. sino a 10 kV.
Una o più forme di attuazione possono prevedere, ad es. l’impiego di un trasmettitore in grado di generare un segnale triangolare di corrente così da ottenere all’uscita della cascata di due trasformatori un segnale di corrente simile a quello ottenibile con un solo trasformatore.
Breve descrizione delle figure
Una o più forme di attuazione saranno ora descritte, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle figure annesse, in cui:
- la Figura 1 è uno schema a blocchi illustrativo del trasferimento di segnali elettrici attraverso un trasformatore,
- la Figura 2 è un cronogramma rappresentativo del possibile andamento temporale di vari segnali in uno schema come esemplificato nella Figura 1,
- la Figura 3 è uno schema a blocchi esemplificativo di una o più forme di attuazione, e
- la Figura 4 è un cronogramma rappresentativo del possibile andamento temporale di vari segnali in uno schema come esemplificato nella Figura 3.
Descrizione particolareggiata
Nella seguente trattazione sono illustrati vari dettagli specifici finalizzati ad una approfondita comprensione di esempi di forme di attuazione della presente descrizione. Una o più forme di attuazione possono essere realizzate senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri metodi, componenti, materiali ecc.
In altri casi, strutture, materiali o operazioni noti non sono mostrati o descritti in dettaglio per evitare di rendere oscuri vari aspetti delle forme di attuazione. Il riferimento ad “una forma di attuazione” nell’ambito di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura o caratteristica descritta in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, frasi come “in una forma di attuazione”, eventualmente presenti in diversi luoghi di questa descrizione, non sono necessariamente riferite alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinati in un modo adeguato in una o più forme di attuazione.
I riferimenti qui utilizzati sono soltanto per comodità e non definiscono dunque l’ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione.
La Figura 1 è uno schema a blocchi illustrativo del trasferimento di segnali elettrici attraverso un (singolo) trasformatore T.
Nello schema della Figura 1 il riferimento 10 indica un circuito di elaborazione (controller) di un trasmettitore 12 che applica un segnale (di corrente) all’avvolgimento primario del trasformatore T il cui avvolgimento secondario a sua volta pilota un ricevitore (ad es. un trasformatore di transimpedenza o TIA) 14.
Il cronogramma della Figura 2 esemplifica, procedendo dall’alto verso il basso, un possibile andamento temporale dei seguenti segnali:
- IN: segnale (digitale) di ingresso al circuito di elaborazione 10;
- TX out: segnale di trasmissione (in corrente) in uscita del trasmettitore 12;
- TIA in: segnale (in corrente) di ingresso al ricevitore 14; e
- OUT: segnale d’uscita del ricevitore 14.
La corrispondenza fra il segnale IN ed il segnale OUT esemplifica la possibilità, in tale sistema a singolo trasformatore, di realizzare le celle di trasmettitore e di ricevitore 14 in modo tale da ottenere una corretta trasmissione e ricezione del segnale, ossia con la possibilità di ricostruire come segnale d’uscita OUT il segnale (digitale) d’ingresso IN.
Come si può vedere dalla Figura 2, un singolo trasformatore quale il trasformatore T si comporta in pratica come un derivatore nei confronti della forma d’onda di corrente che riceve in ingresso, ossia:
TIA in = ∂(TX out)/∂t
Nell’ottica di ottenere in uscita un segnale di facile lettura (TIA in >>>> OUT), in una soluzione a singolo trasformatore come esemplificata nella Figura 1 si può pensare di pilotare il trasformatore T mediante il trasmettitore 12 con un segnale di trasmissione che può essere visto, almeno in modo approssimato, come un segnale ad onda quadra quale appunto il segnale indicato con TX out nella Figura 2.
Per poter utilizzare una soluzione con due o più trasformatori in serie (in cascata, ossia con l’avvolgimento secondario di un trasformatore “a monte” che pilota l’avvolgimento primario di un trasformatore “a valle”), così da poter aumentare la tenuta in tensione dell’isolamento, una o più forme di attuazione possono prevedere di attuare (ad esempio nel trasmettitore 12) una pre-distorsione del segnale di trasmissione TX out applicato al primo trasformatore (T1 nella Figura 3) finalizzata ad ottenere, in ingresso all’ultimo trasformatore della serie o cascata (Tn nella Figura 3), un segnale sostanzialmente analogo al segnale che verrebbe applicato a tale trasformatore Tn qualora esso fosse l’unico trasformatore interposto fra il trasmettitore 12 (pilotato ad es. con un segnale di tipo onda quadra) ed il ricevitore 14.
In particolare, ricordando che ciascun trasformatore in una cascata di n trasformatori T1, …, Tk, … Tn (vedere sempre la Figura 3) si comporta come un elemento derivatore, in una o più forme di attuazione al segnale TX out può essere applicata una predistorsione sintetizzabile nella formula:
ove:
- ψ(t) è la forma d’onda (ad es. virtualmente quadra) che permette una soddisfacente lettura (TIA in >>>> OUT), e - n è il numero di trasformatori (ad es. integrati) che vengono utilizzati.
Una tale predistorsione è realizzabile – in modo di per sé noto - ad esempio in un blocco o modulo 12a, rappresentato per chiarezza come un blocco distinto cooperante con il trasmettitore 12.
Beninteso, tale rappresentazione ha carattere puramente esemplicativo, vuoi perché il blocco di predistorsione può essere a tutti gli effetti incorporato nel trasmettitore 12, vuoi perché, almeno in linea di principio, in una o più forme di attuazione si può prevedere di associare la funzione di predistorsione al modulo di elaborazione o controller 10.
Quali che siano le specifiche modalità adottate riguardo a quanto detto sopra, in una o più forme di attuazione, il segnale (in corrente) TX out da fornire alla cascata di n trasformatori in serie può essere ottenuto integrando n-1 volte il segnale di corrente (ad es. virtualmente ad onda quadra) che si desidera poter ricevere in ingresso all’ultimo trasformatore Tn della cascata.
Prendendo in considerazione, per esempio, il caso semplice di due trasformatori (ossia T1 e Tn con n=2 nello schema esemplificativo della Figura 3), in una o più forme di attuazione, la legge di predistorsione sopra riportata può far sì che, a fronte di un segnale IN ad onda quadra così come rappresentato in alto nel diagramma nella Figura 4, il segnale (di corrente) TX out fornito al trasformatore T1 in ingresso alla serie dei due trasformatori T1, T2 può essere un’onda – per es. almeno approssimativamente triangolare, così come rappresentato nel diagramma nella Figura 4, essendo un’onda triangolare espressione dell’integrale del primo ordine di un’onda quadra.
Il terzo diagramma nella Figura 4 è esemplificativo di un possibile andamento del segnale (in corrente) CT1 out suscettibile di essere presente all’uscita (avvolgimento secondario) di un (primo) trasformatore T1 al cui avvolgimento primario è applicato un segnale ad onda triangolare quale il segnale TX out rappresentato nel secondo diagramma della Figura 4.
Il quarto diagramma nella Figura 4 è esemplificativo di un possibile andamento del segnale (in corrente) TIA in, suscettibile di essere presente all’uscita (avvolgimento secondario) di un (secondo) trasformatore T2 al cui avvolgimento primario è applicato un segnale (in corrente) quale il segnale CT1 out all’uscita del primo trasformatore T1 rappresentato nel terzo diagramma della Figura 4.
Cosi facendo, in una o più forme di attuazione, in uscita dalla serie dei due trasformatori T1, T2 è così possibile ottenere un segnale TIA in di facile lettura (TIA in >>>> OUT), molto simile a quello ottenuto dalla struttura a singolo trasformatore: vedere a titolo di confronto i due ultimi diagrammi delle Figure 2 e 4.
Lo schema a blocchi della Figura 3 è esemplificativo di un dispositivo nel complesso riconducibile – salvo per la presenza di due o più trasformatori – allo schema generale della Figura 1, e dunque tale da comprendere, ad es. un circuito di elaborazione 10 di un trasmettitore 12 che alimenta l’avvolgimento primario del primo trasformatore T1 con un segnale (di corrente) in trasmissione sottoposto a predistorsione (blocco 12a) secondo i criteri discussi in precedenza
Il tutto con l’avvolgimento secondario dell’ultimo trasformatore Tn della serie (ad es. il secondo trasformatore T2, nel caso di una serie o cascata di due trasformatori, come nell’esempio cui si riferiscono i diagrammi della Figura 4) che a sua volta pilota un ricevitore 14 (ad es. un trasformatore di transimpedenza o TIA), cui possono eventualmente seguire ad es. un amplificatore di tensione 16, un comparatore 18 per lo svolgimento della funzione di lettura o demodulazione e/o uno o più stadi di trattamento 20 (ad es. re-shaping o simili) per l’ottenimento del segnale OUT a partire dal segnale TIA in ricevuto sul secondario dell’ultimo trasformatore della cascata (Tn, ossia T2 nel caso in cui la cascata comprenda due trasformatori T1 e T2).
Un dispositivo come esemplificato nella Figura 3, implementabile a livello di circuito integrato (IC), può essere utilizzato, ad esempio, per funzioni di controllo motori(Motion Control) e/o per applicazioni industriali varie, quale ad es. circuiti a commutazione (switching, IPS ecc.).
Un dispositivo come esemplificato nella Figura 3, può permettere di raggiungere un isolamento galvanico complessivo di 10kV con prestazioni paragonabili alla soluzione a singolo trasformatore.
Una o più forme di attuazione possono pertanto prevedere un procedimento comprendente:
- provvedere una serie (ad es. T1, ..., Tk, ..., Tn) di n trasformatori in cascata comprendente un primo trasformatore (ad es. T1) ed un ultimo trasformatore (ad es. Tn) nella serie,
- fornire (ad es. 10, 12, 12a) all'avvolgimento primario del primo trasformatore in detta serie di trasformatori in cascata un segnale di trasmissione (ad es. TX out) in funzione di un segnale d'ingresso (ad es. IN), - ricevere in corrispondenza dell'avvolgimento secondario dell'ultimo trasformatore in detta serie di trasformatori in cascata un segnale di ricezione (ad es. TIA in) trasmesso su detta serie di trasformatori in cascata,
in cui il procedimento comprende applicare una predistorsione a detto segnale di trasmissione (ad es. TX out), detta predistorsione comprendendo un'integrazione di ordine n-1, ove n è il numero di trasformatori in detta serie di trasformatori in cascata, ossia integrando altrettante volte il segnale che si sarebbe fornito in ingresso all’unico trasformatore presente in una soluzione a singolo trasformatore.
Una o più forme di attuazione possono prevedere di ricostruire (ad es. 16, 18, 20, OUT) detto segnale d'ingresso a partire da detto segnale di ricezione (ad es. TIA in) trasmesso su detta serie di trasformatori in cascata.
In una o più forme di attuazione, detta serie di trasformatori in cascata può comprendere un primo trasformatore ed un secondo trasformatore, detto secondo trasformatore essendo l'ultimo trasformatore nella serie, e detta predistorsione può comprendere una singola integrazione.
In una o più forme di attuazione, detta serie di trasformatori in cascata può comprendere un primo trasformatore ed un secondo trasformatore, detto secondo trasformatore essendo l'ultimo trasformatore nella serie, il procedimento può comprendere generare detto segnale di trasmissione (TX out) come segnale sostanzialmente ad onda triangolare.
Una o più forme di attuazione possono provvedere un circuito comprendente:
- una serie di n trasformatori in cascata comprendente un primo trasformatore ed un ultimo trasformatore nella serie,
- un trasmettitore accoppiato all'avvolgimento primario del primo trasformatore in detta serie di trasformatori in cascata, detto trasmettitore configurato per fornire a detto avvolgimento primario un segnale di trasmissione (ad es. TX out) in funzione di un segnale di ingresso,
- un ricevitore accoppiato all'avvolgimento secondario dell'ultimo trasformatore in detta serie di trasformatori in cascata, detto ricevitore configurato per ricevere in corrispondenza di detto avvolgimento secondario un segnale di ricezione trasmesso su detta serie di trasformatori in cascata, e
- un modulo di predistorsione (ad es. 12a) configurato per applicare una predistorsione a detto segnale di trasmissione (ad es. TX out), detta predistorsione comprendendo un'integrazione di ordine n-1, ove n è il numero di trasformatori in detta serie di n trasformatori in cascata.
In una o più forme di attuazione, detta serie di trasformatori in cascata può comprendere un primo trasformatore ed un secondo trasformatore, detto secondo trasformatore essendo l'ultimo trasformatore nella serie, e detta predistorsione può comprendere una singola integrazione.
In una o più forme di attuazione:
- detta serie di trasformatori in cascata può comprendere un primo trasformatore ed un secondo trasformatore, detto secondo trasformatore essendo l'ultimo trasformatore nella serie, ed in cui:
- detto modulo di predistorsione può essere configurato per generare detto segnale di trasmissione (TX out) come segnale sostanzialmente ad onda triangolare.
In una o più forme di attuazione detta serie di trasformatori in cascata può comprendere una serie di trasformatori integrati e/o coreless.
In una o più forme di attuazione, un dispositivo (ad isolamento galvanico, ad es. per funzioni di controllo motori e/o per applicazioni industriali varie, quale ad es. circuiti a commutazione) può comprendere:
- un circuito secondo una o più forme di attuazione qualsiasi,
- un controller (ad es. 10) per detto trasmettitore, detto controller essendo configurato per ricevere, quale detto d'ingresso, un segnale digitale (ad es. IN),
- un demodulatore (ad es. 16, 18, 20) accoppiato a detto ricevitore, detto demodulatore configurato per ricostruire (ad es. OUT) detto segnale di ingresso digitale a partire detto segnale di ricezione trasmesso su detta serie di trasformatori in cascata.
Fermi restando i principi di fondo, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno variare, anche in modo significativo, rispetto a quanto qui illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione.
Tale ambito di protezione è definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento comprendente: - provvedere una serie (T1, ..., Tk, ..., Tn) di n trasformatori in cascata comprendente un primo trasformatore (T1) ed un ultimo trasformatore (Tn) nella serie, - fornire (10, 12, 12a) all'avvolgimento primario del primo trasformatore (T1) in detta serie di trasformatori in cascata (T1, ..., Tk, ..., Tn) un segnale di trasmissione (TX out) in funzione di un segnale d'ingresso (IN), - ricevere in corrispondenza dell'avvolgimento secondario dell'ultimo trasformatore (Tn) in detta serie di trasformatori in cascata (T1, ..., Tk, ..., Tn) un segnale di ricezione (TIA in) trasmesso su detta serie di trasformatori in cascata (T1, ..., Tk, ..., Tn), in cui il procedimento comprende applicare una predistorsione a detto segnale di trasmissione (TX out), detta predistorsione comprendendo un'integrazione di ordine n-1, ove n è il numero di trasformatori in detta serie (T1, ..., Tk, ..., Tn) di trasformatori in cascata.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, comprendente ricostruire (16, 18, 20, OUT) detto segnale d'ingresso (IN) a partire da detto segnale di ricezione (TIA in) trasmesso su detta serie di trasformatori in cascata (T1, ..., Tk, ..., Tn).
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui detta serie di trasformatori in cascata comprende un primo trasformatore (T1) ed un secondo trasformatore (T2), detto secondo trasformatore essendo l'ultimo trasformatore nella serie, ed in cui detta predistorsione comprende una singola integrazione.
  4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, in cui detta serie di trasformatori in cascata comprende un primo trasformatore (T1) ed un secondo trasformatore (T2), detto secondo trasformatore essendo l'ultimo trasformatore nella serie, il procedimento comprendendo generare detto segnale di trasmissione (TX out) come segnale sostanzialmente ad onda triangolare.
  5. 5. Circuito comprendente: - una serie (T1, ..., Tk, ..., Tn) di n trasformatori in cascata comprendente un primo trasformatore (T1) ed un ultimo trasformatore (Tn) nella serie, - un trasmettitore (12, 12a) accoppiato all'avvolgimento primario del primo trasformatore (T1) in detta serie di trasformatori in cascata (T1, ..., Tk, ..., Tn), detto trasmettitore configurato per fornire a detto avvolgimento primario un segnale di trasmissione (TX out) in funzione di un segnale di ingresso (IN), - un ricevitore (14) accoppiato all'avvolgimento secondario dell'ultimo trasformatore (Tn) in detta serie di trasformatori in cascata (T1, ..., Tk, ..., Tn), detto ricevitore configurato per ricevere in corrispondenza di detto avvolgimento secondario un segnale di ricezione (TIA in) trasmesso su detta serie di trasformatori in cascata (T1, ..., Tk, ..., Tn), e - un modulo di predistorsione (12a) configurato per applicare una predistorsione a detto segnale di trasmissione (TX out), detta predistorsione comprendendo un'integrazione di ordine n-1, ove n è il numero di trasformatori in detta serie (T1, ..., Tk, ..., Tn) di n trasformatori in cascata.
  6. 6. Circuito secondo la rivendicazione 5, in cui detta serie di trasformatori in cascata comprende un primo trasformatore (T1) ed un secondo trasformatore (T2), detto secondo trasformatore essendo l'ultimo trasformatore nella serie, ed in cui detta predistorsione comprende una singola integrazione.
  7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 5 o la rivendicazione 6, in cui: - detta serie di trasformatori in cascata comprende un primo trasformatore (T1) ed un secondo trasformatore (T2), detto secondo trasformatore essendo l'ultimo trasformatore nella serie, ed in cui: - detto modulo di predistorsione (12a) è configurato per generare detto segnale di trasmissione (TX out) come segnale sostanzialmente ad onda triangolare.
  8. 8. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 a 7, in cui detta serie di trasformatori in cascata comprende una serie di trasformatori integrati e/o coreless (T1, ..., Tk, ..., Tn).
  9. 9. Dispositivo comprendente: - un circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 a 8, - un controller (10) per detto trasmettitore (12, 12a), detto controller essendo configurato per ricevere, quale detto d'ingresso, un segnale digitale (IN), - un demodulatore (16, 18, 20) accoppiato a detto ricevitore (14), detto demodulatore configurato per ricostruire (OUT) detto segnale di ingresso digitale (IN) a partire detto segnale di ricezione (TIA in) trasmesso su detta serie di trasformatori in cascata (T1, ..., Tk, ..., Tn).
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