ITFI20130242A1 - Un miglioramento dispositivo a relay per apertura e chiusura di un circuito - Google Patents

Description

Descrizione a corredo della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

UN MIGLIORAMENTO DISPOSITIVO A REALY PER APERTURA E

CHIUSURA DI UN CIRCUITO

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda il settore tecnico inerente i dispositivi di controllo per apertura e chiusura di un circuito elettrico.

In particolare l’invenzione si riferisce ad un innovativo dispositivo a relay in cui è eliminata la problematica dello scintillo, consentendo al dispositivo stesso di avere una maggiore durata di vita e riducendo i disturbi elettrici dovuti a passaggi di corrente durante la commutazione del relay.

Brevi cenni alla tecnica nota

E’ noto oramai da tempo l’uso dei relays i quali sono controllabili per aprire e chiudere un circuito. Le loro applicazioni sono molteplici nel campo dell’elettronica e sono di frequente utilizzati sui macchinari che servono per testare elettricamente altri apparati. In tal maniera controllano l’apertura e la chiusura del circuito e consentono o meno, in modo controllato, il passaggio di corrente.

Un relay, strutturalmente, prevede un avvolgimento ove viene fatta passare corrente, per cui generando un campo magnetico. Il campo magnetico generato esercita una forza di attrazione su un braccio metallico interposto nel percorso di circuitazione della corrente. In tal senso, quando il braccio metallico si solleva, questo interrompe il percorso di circuitazione della corrente e dunque il circuito è in configurazione “aperta”. Quando si interrompe il campo magnetico indotto allora il braccio ritorna in posizione iniziale per cui chiudendo il circuito e consentendo il passaggio di corrente.

Un altro tipo di relay, similare al precedente, è quello di tipo a “deviatore” in cui la sua movimentazione in un verso o nel verso opposto apre un circuito e contestualmente ne chiude un secondo e viceversa.

Un noto problema tecnico inerente tali tipologie di relays è il seguente.

In fase di chiusura, durante l’approccio del braccio al rimanente circuito, si ha una fase transitoria che determina la generazione di scintille che ovviamente arrecano un disturbo transitorio sul passaggio di corrente. Lo stesso accade in fase di apertura.

Questo ha un effetto non accettabile in applicazioni su macchinari che servono a testare a loro volta altri componenti elettronici, in quanto è necessario evitare qualsiasi disturbo o interferenza esterna al fine di condurre un test preciso.

Inoltre, non in ultimo, tali scintille contribuiscono ad un rapido deterioramento del braccio metallico il quale si usura e può persino saldarsi definitivamente al resto del circuito, risultando impedito nell’aprirsi nuovamente. Si è statisticamente verificato che tale problematica di scintillio riduce drasticamente la vita del relay stesso, addirittura a valori ben al di sotto del dimezzamento di vita utile. E’ ovvio che tutto ciò innesca problematiche di costi per i ricambi e causa fermi macchina necessari per operare, molto di frequente, le sostituzioni dei relays danneggiati.

Sintesi dell’invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire un innovativo dispositivo (1) di controllo per apertura/chiusura di un circuito di un macchinario da test che risolva i suddetti problemi tecnici.

In particolare è scopo della presente invenzione fornire un innovativo dispositivo (1) che risulti non più soggetto al fenomeno dello scintillio, per cui risultando estremamente più duraturo e atto ad applicazioni in macchinari da test in cui i disturbi elettrici devono essere praticamente annullati.

Questi e altri scopi sono ottenuti con il presente dispositivo di controllo per apertura/chiusura di un circuito di un macchinario da test come da rivendicazione 1.

Tale dispositivo prevede almeno un relay meccanico (10).

In accordo all’invenzione è previsto ulteriormente: − Un dispositivo switch a semiconduttore (10) posto in serie con il relay meccanico (2);

− Un elemento opto-isolato (20) arrangiato in modo tale che, quando attivato, alimenta elettricamente detto dispositivo switch a semiconduttore (10);

− ed in cui è ulteriormente previsto un dispositivo di controllo (30) posto in comunicazione con detto elemento opto-isolato (20) e con il relay meccanico (2) in modo tale da comandare, in modo controllato, la attivazione/disattivazione dell’elemento opto-isolato (20) e del relay meccanico (2).

L’utilizzo del solo relay è ben noto nello stato della tecnica ma ha l’inconveniente tecnico di avere basse durate di vita e problemi di scintillio in fasi di chiusura/apertura.

L’uso alternativo del solo transistor è di per se noto ma ha l’inconveniente tecnico di creare un effetto di Leakage e di una elevata capacità parassita. Anche bassissimi valori di tensione possono consentire un passaggio di corrente che crea un disturbo sul test.

Per capacità parassita si intende come una sorta di capacitore indesiderato in cui si ha un accumulo di cariche il quale può falsare o rendere non possibili alcune misurazioni nel caso di test su componentistica elettronica.

L’uso dunque separato dei due componenti affligge non poco l’esito del test e i costi dello stesso.

Si è dunque sorprendentemente ritrovato che l'inserimento di un relay meccanico 2 in serie con uno switch a semiconduttore 10, attivato/disattivato da un dispositivo opto-isolato, permette di sfruttare i vantaggi di entrambi i componenti.

In particolare si riesce ad avere una capacità parassita e una corrente di leakage molto bassa tipica dei relay meccanici ma allo stesso tempo si riesce ad avere una commutazione sicura del relay evitando la sua commutazione con corrente e quindi il suo degradamento e la sua conseguente rottura.

L'aggiunta dello switch a semiconduttore in serie al relay non ne pregiudica le prestazioni di leakage e capacità parassita per i seguenti motivi:

1) quando il relay è aperto, anche se ha un componente in serie, esso presenta un impedenza da “open” molto elevata e quindi bassissimo leakage;

2) Lo switch a semiconduttore è acceso con un elemento opto-isolato, quindi tutte le capacità parassite dello swicth a semiconduttore "non vedono" alcun punto a bassa impedenza, quindi non hanno alcun effetto.

In tal senso, controllando opportunamente l'accensione/spegnimento dei due componenti in serie (relay e swicth a semiconduttore) attraverso un opportuno dispositivo di controllo, si riesce ad evitare la commutazione del relay con corrente.

In particolare, vantaggiosamente, il relay viene sempre commutato quando lo swicth a semiconduttore è aperto.

Grazie a questa accensione controllata l'utente non dovrà più preoccuparsi della commutazione sicura del relay perché il circuito temporizzatore e lo swicth a semiconduttore si occuperanno di evitare la commutazione con corrente.

Vantaggiosamente il dispositivo di controllo (30) può prevedere a scelta:

− Un Timer;

− Un dispositivo FPGA.

Vantaggiosamente l’elemento opto-isolato (20) comprende un diodo emettitore (50) e mezzi (1, 2) per generare un passaggio di corrente in detto diodo emettitore.

Vantaggiosamente il relay meccanico (2) può essere del tipo “deviatore”.

Vantaggiosamente il dispositivo switch a semiconduttore (10) comprende due diodi di body (11, 12) predisposti in una configurazione contrapposta l’una all’altra.

E’ anche quì descritto un circuito elettrico per un macchinario da test elettrici e comprendente almeno un dispositivo di controllo come descritto.

E’ anche qui descritto un macchinario da test comprendente un circuito come sopra descritto.

E’ anche qui descritto un metodo per controllare l’invio di una corrente ad un dispositivo sotto test attraverso un circuito elettrico (D, C, A, B), detto circuito elettrico comprendendo:

− Un relay meccanico (2);

− Un dispositivo switch a semiconduttore (10) posto in serie con il relay meccanico (2);

− Un elemento opto-isolato (20) arrangiato in modo tale che, quando attivato, alimenta elettricamente detto dispositivo switch a semiconduttore (10);

− un dispositivo di controllo (30) posto in comunicazione con detto elemento opto-isolato (20) e con il relay meccanico (2);

− ed in cui detto metodo prevede una attivazione/disattivazione controllata dell’elemento optoisolato (20) e del relay meccanico (2).

Vantaggiosamente detta attivazione controllata è tale per cui il relay meccanico (2) viene commutato quando il dispositivo switch a semiconduttore (10) è in condizione aperta.

Vantaggiosamente, nella fase di commutazione del relay per isolare elettricamente il dispositivo sotto test, prima si comanda l’apertura dello switch a semiconduttore (10), interrompendo l’alimentazione dell’elemento optoisolato, e poi si comanda l’apertura del relay meccanico (2). Nella fase di commutazione del relay per consentire il passaggio di corrente al dispositivo sotto test è prevista in successione prima la chiusura del relay meccanico (2), con il dispositivo switch a semiconduttore in condizione aperta, e poi la chiusura dello switch a semiconduttore (10) attraverso l’attivazione dell’elemento opto-isolato (20).

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e i vantaggi, secondo l’invenzione, risulteranno più chiaramente con la descrizione che segue di alcune sue forme realizzative, fatte a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, in cui:

− La figura 1 mostra schematicamente un dispositivo 1 in accordo all’invenzione;

− La figura 2 mostra uno schema del dispositivo 20 denominato “floating mosfet driver” il quale consente di annullare l’elevata capacità prodotta dai due transistor; − La figura 3 mostra un esempio di implementazione di tale dispositivo 1 in un macchinario da test.

Descrizione di alcune forme realizzative preferite La figura 1 rappresenta schematicamente il dispositivo 1 oggetto della presente invenzione.

Esso prevede un relay del tipo “deviatore” 2 il quale, come da arte nota, è fornito di un’asta metallica 3 la quale può ruotare intorno al suo fulcro 4. L’asta è ruotabile tra le due posizioni estreme A e B che rappresentano le rispettive posizioni di apertura e chiusura del circuito. In particolare, quando l’asta 3 è nella posizione di figura 1, in chiusura sulla posizione A, allora il circuito è chiuso tra C e A (dunque circuito D-C-A). Quando l’asta 3 ruota invece verso l’estremo B allora il circuito è chiuso tra C e B (dunque circuito D-C-B). Quindi in un caso, chiusura tra A e C, si isola il passaggio di corrente sul dispositivo sotto test mentre nell’altro caso, ovvero chiusura tra B e C, si consente un passaggio di corrente sul dispositivo sotto test.

Con la numerazione 5 e 6 sono dunque rappresentati i terminali di uscita A e B ed in cui B è elettricamente connesso al dispositivo sotto test ed A potrebbe essere elettricamente connesso ad esempio ad altra componentistica esterna.

Con la numerazione 7 e 8 sono invece rappresentati l’alimentazione (+5V) e la massa GND (ovvero la messa a terra - Ground) senza la quale il relay tradizionale non può funzionare. Infatti è noto che per eccitare la bobina del relay essa deve essere collegata tra una tensione e la messa a terra GND.

Il valore di tensione di alimentazione a 5V non è da considerarsi limitativo e, a seconda delle esigenze, potrebbero comunque essere implementati altri valori, quali ad esempio quello di 12V.

Questa tipologia di relay è di per se nota da tempo e, come da preambolo di arte nota, è soggetto ai suddetti problemi tecnici di scintillio e alto rischio di guasto.

Continuando nella descrizione strutturale dell’invenzione è poi previsto un dispositivo transistor 10 (ovvero uno switch a semiconduttore 10) il quale integra in serie due transisotor MOSFET o MOS tra loro contrapposti (back to back). Tale dispositivo 10 è posizionato in linea nel circuito del relay “deviatore” 2.

Il semplice transistor MOS o MOSFET è di per se ben noto nello stato della tecnica e comprende essenzialmente un substrato di materiale semiconduttore drogato, solitamente il silicio, al quale sono applicati tre terminali denominati come “gate”, “source” e “drain”. L'applicazione di una tensione al gate permette di controllare il passaggio di cariche tra il source e il drain, e quindi la corrente elettrica che attraversa il dispositivo. Il passaggio di corrente può essere controllato in quanto, a seconda della tensione applicata ai capi del substrato sotto al Gate, si riesce a modificare la regione di substrato che collega drain e source la quale può essere ricca di lacune, vuota, o ricca di elettroni. In tal maniera è dunque possibile controllare o meno il passaggio di corrente.

Il MOS assolve dunque alla medesima funzione del classico reley ma secondo una modalità di funzionamento ed una struttura diversa. Non essendovi presenti parti meccaniche in movimento, quale l’asta oscillante, di per se il MOS non è soggetto a problematiche di scintillio.

Andando alla figura 1, dunque, con la numerazione 11 e la numerazione 12 sono indicati rispettivamente i due diodi di body i quali rappresentano ogni uno il substrato di un MOS. In accordo all’invenzione lo switch a semiconduttore 10 comprende due transistor MOS contrapposti e collegati in serie. Tale configurazione contrapposta viene indicata in gergo tecnico con il termine “Back to Back”. A loro volta essi sono collegati in serie con il relay. Con la numerazione 13 e 14 sono dunque rappresentati i due N-channel MOS.

Al di sotto di una certa tensione tra Gate e Source il singolo MOS impedisce il passaggio di corrente e sopra un certo valore di tensione si ha passaggio di corrente. In particolare l’applicazione di una tensione tra gate e source superiore ad una certa soglia crea un canale di conduzione tra source e drain facendolo diventare un percorso di corrente.

In generale l’uso del MOS, oltretutto ben noto nello stato della tecnica, non ha il problema tecnico dello scintillio ma crea spesso l’inconveniente di generare una elevata capacità parassita che risulta essere inaccettabile su molti test di circuiti integrati (IC). Inoltre un ulteriore inconveniente tecnico è che si ha comunque un fenomeno noto con il termine di “Leakage”. Tale fenomeno consiste nel fatto che, anche a MOS spento (circuito aperto), un minimo di passaggio di corrente attraverso il MOS avviene comunque. In apparecchiature sensibili, quali i macchinari da test, sia il fenomeno dell’alta capacità parassita che quello del “Leakage” non consentono l’uso del MOS e dunque, generalmente ci si direziona sull’uso del classico relay.

L'inserimento di un relay meccanico 2 in serie con uno switch a semiconduttore 10 permette di sfruttare i vantaggi di entrambi i componenti.

La realizzazione di uno switch a semiconduttore comprendente due diodi di body contrapposti (configurazione back to back) è importante per garantire che non avvenga alcun passaggio di corrente (tranne quella di leakage la quale è insita in questo sistema a semiconduttore) eccetto quando i due MOS non sono volutamente alimentati elettricamente attraverso il Flaiting gate Driver 20, come subito chiarito nel seguito.

Il singolo diodo di body rappresenta infatti un percorso di corrente, per cui una tensione applicata ai capi (ad esempio per alimentare altri componenti o la macchina da test) può causare un passaggio non voluto di corrente anche quando il MOS non è alimentato. L’applicazione di due diodi di body contrapposti ha il vantaggio di evitare tale inconveniente e consentire il passaggio di corrente attraverso il dispositivo switch 10 solo quando volutamente alimentato attraverso il driver 20.

Continuando nella descrizione strutturale dell’invenzione, la figura 2 mostra poi il suddetto dispositivo 20 denominato Floating Gate Driver 20.

Questo dispositivo è un dispositivo opto-isolato ed è in grado di generare la tensione tra gate e source dei MOS e quindi di accenderli e di spegnerli.

L’integrazione di tale ulteriore dispositivo 20 è importante in quanto riesce ad isolare elettricamente il dispositivo 1 dall’esterno ed è proprio questo isolamento che elimina il problema della capacità parassita. Tale dispositivo, di per se noto, è un componente che presenta una altissima impedenza elettrica verso qualsiasi altra alimentazione o massa evitando che le capacità parassite dei MOS abbiano effetto.

A tal scopo il dispositivo 20 comprende sostanzialmente un diodo emettitore che, se stimolato con passaggio di corrente, è in grado di generare una tensione (isolata elettricamente) tra due terminali (gate e source del MOS).

Lo schema di figura 2 mostra dunque una schematizzazione in cui, attraverso un passaggio di corrente nel diodo 50 tra i punti 1 e 2, si genera una tensione tra i punti 3 e 4 la quale tensione è optoisolata dal mondo esterno. In altri termini i terminali 3 e 4 (di conseguenza i gate e source dei due mosfet) sentono un’impedenza molto grande e viene dunque annullato l’effetto della loro elevata capacità parassita.

Come da figura 1 un Timer (ovvero un dispositivo temporizzato) controlla l’attivazione del dispositivo 20 e la commutazione del relay. In particolare tale dispositivo temporizzatore, quando si attiva, consente di applicare/interrompere una tensione opto-isolata ai due capi dei MOS (vedi anche figura 2) oppure applicare/interrompere una tensione di controllo sul relay meccanico (come meglio chiarito subito nel seguito).

Il dispositivo temporizzato Timer può ovviamente essere sostituito in alternativa, ad esempio, con un dispositivo FPGA opportunamente programmato e che invia i segnali di controllo la relay e allo switch a semiconduttore.

In tal senso è stato dunque sorprendentemente ritrovato che la combinazione in serie di due MOS, pilotati con un opportuno mosfet driver (ovvero il dispositivo 20), con un relay ed un dispositivo di controllo risolve i suddetti problemi tecnici.

Il funzionamento è dunque il seguente.

In apertura (commutazione da B ad A-isolamento del dispositivo sotto test):

Sempre con riferimento alla figura 1, in apertura del circuito, prima si comanda l’apertura del MOS (ovvero lo spegnimento del dispositivo a switch 10) e poi quella del relay (ovvero passaggio da B ad A). In sostanza il Timer comanda la disattivazione dell’alimentazione elettrica ai MOS attraverso il dispositivo 20 (ovvero il Floating Gate Driver 20) e poi, successivamente, comanda la commutazione B-A del relay. In questo modo l’apertura del MOS interrompe la corrente nel circuito da test e dunque la successiva commutazione del relay avviene in assenza di corrente, in quanto continua ad essere interposto nel percorso lo switch a semiconduttore in condizione “isolata”. In tal senso la commutazione da B ad A avviene senza passaggio di corrente e dunque non si ha il fenomeno dello scintillio. Non si ha dunque scintillio ne quando l’asta 3 inizia a distaccarsi da B ne quando questa approccia ad A. Il minimo passaggio di corrente che si avrebbe con l’implementazione del solo switch 10 (fenomeno del leakage) è però adesso interrotto dalla successiva apertura del relay che impedisce a detta corrente di raggiungere il dispositivo sotto test. La corrente dovuta al fenomeno del Leakage è talmente bassa da non creare problematiche di scintillio.

In chiusura (commutazione da A ad B):

In chiusura prima si procede alla chiusura del relay e poi alla chiusura dello switch 10. Ovviamente, come nel caso precedente, tali operazioni sono controllate dal temporizzatore Timer. Anche in questo caso la chiusura dello switch è operata attraverso il Timer che comanda la attivazione dell’alimentazione elettrica ai MOS attraverso il dispositivo 20 (ovvero il Floating Gate Driver 20). In questo modo, quando si chiude il relay, il circuito è di fatto ancora aperto in quanto i MOS sono in condizione di apertura (ovvero non alimentati con corrente). In questa maniera si può chiudere il relay senza incorrere nuovamente nell’inconveniente tecnico dello scintillio, in quanto non vi è passaggio di corrente. Solo successivamente si alimenta lo switch 10 in modo tale da andare ad alimentare elettricamente il dispositivo sotto test.

In sostanza si ha dunque un controllo di alimentazione di corrente o tensione allo switch e al relay meccanico in successione.

La figura 3 rappresenta una schematizzazione di un macchinario da test che utilizza il dispositivo 1 come descritto.

E’ dunque visibile un elaboratore 200 che controlla i segnali da test in ingresso ed una uscita 300.

Il macchinario in questione integra 500 dispositivi 1 (relays in combinazione con due MOS) del tipo descritto sopra, mettendo a disposizione dell’utilizzatore un elevato numero di switches per poter connettere risorse di test (strumenti) ad eventuali dispositivi elettronici sotto test.

L’utilizzatore non deve più preoccuparsi di commutare i relays in modo sicuro ( senza passaggio di corrente), perché la struttura descritta sopra ha il meccanismo di commutazione sicura nel suo funzionamento intrinseco.

Sebbene l’invenzione descritta è implementata attraverso l’uso di un relay del tipo “deviatoio”, la presente invenzione potrebbe essere implementata attraverso un normale relay non del tipo deviatoio ma di quelli costituiti dalla sola condizione di circuito aperto (asta ruotata in posizione di apertura) e circuito chiuso (asta ruotata in posizione di chiusura).

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo (1) di controllo per controllare l’apertura/chiusura di un circuito elettrico di un macchinario da test, detto dispositivo (1) comprendendo almeno un relay meccanico (10) e caratterizzato dal fatto che è previsto ulteriormente: − Un dispositivo switch a semiconduttore (10) posto in serie con il relay meccanico (2); − Un elemento opto-isolato (20) arrangiato in modo tale che, quando attivato, alimenta elettricamente detto dispositivo switch a semiconduttore (10); − ed in cui è ulteriormente previsto un dispositivo di controllo (30) posto in comunicazione con detto elemento opto-isolato (20) e con il relay meccanico (2) in modo tale da comandare, in modo controllato, la attivazione/disattivazione dell’elemento opto-isolato (20) e del relay meccanico (2).
2. 2. Un dispositivo (1), secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di controllo (30) è programmato in modo tale da commutare il relay meccanico (2) quando il dispositivo switch a semiconduttore (10) è in condizione aperta.
3. 3. Un dispositivo (1), secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto dispositivo di controllo (30) può prevedere a scelta: − Un Timer; − Un dispositivo FPGA.
4. 4. Un dispositivo (1), secondo una o più rivendicazioni precedenti dalla 1 alla 3, in cui detto elemento optoisolato (20) comprende un diodo emettitore (50) e mezzi (1, 2) per generare un passaggio di corrente in detto diodo emettitore.
5. 5. Un dispositivo (1), secondo una o più rivendicazioni precedenti, in cui detto relay meccanico (2) è del tipo “deviatore”.
6. 6. Un dispositivo (1), secondo una o più rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo switch a semiconduttore (10) comprende due diodi di body (11, 12) predisposti in una configurazione contrapposta l’una all’altra.
7. 7. Un circuito elettrico per un macchinario da test elettrici e comprendente almeno un dispositivo di controllo come da una o più delle precedenti rivendicazioni dalla 1 alla 6.
8. 8. Un metodo per controllare l’invio di una corrente ad un dispositivo sotto test attraverso un circuito elettrico (D, C, A, B), detto circuito elettrico comprendendo: − Un relay meccanico (2); − Un dispositivo switch a semiconduttore (10) posto in serie con il relay meccanico (2); − Un elemento opto-isolato (20) arrangiato in modo tale che, quando attivato, alimenta elettricamente detto dispositivo switch a semiconduttore (10); − un dispositivo di controllo (30) posto in comunicazione con detto elemento opto-isolato (20) e con il relay meccanico (2); − ed in cui detto metodo prevede una attivazione/disattivazione controllata dell’elemento opto-isolato (20) e del relay meccanico (2) attraverso detto dispositivo di controllo.
9. 9. Un metodo, secondo la rivendicazione 8, in cui detta attivazione controllata è tale per cui il relay meccanico (2) viene commutato quando il dispositivo switch a semiconduttore (10) è in condizione aperta.
10. 10. Un metodo, secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui nella fase di commutazione del relay per isolare elettricamente il dispositivo sotto test prima si comanda l’apertura dello switch a semiconduttore (10), interrompendo l’alimentazione dell’elemento optoisolato, e poi si comanda l’apertura del relay meccanico (2) mentre nella fase di commutazione del relay per consentire il passaggio di corrente al dispositivo sotto test è prevista in successione prima la chiusura del relay meccanico (2), con il dispositivo switch a semiconduttore in condizione aperta, e poi la chiusura dello switch a semiconduttore (10) attraverso l’attivazione dell’elemento opto-isolato (20).