Veiligheid en betrouwbaarheid ontwerpen in intelligente stopcontacten voor slimme huizen

Dit artikel geeft ontwerpers aanbevelingen voor bescherming en energiezuinige besturingscomponenten voor het ontwerp van stopcontacten die voorkomen dat overbelasting de gevoelige circuits beschadigt en de efficiëntie van het apparaat maximaliseren.

Vooruitgang in draadloze communicatie, internet en elektronische schakelingen hebben de ontwikkeling van intelligente apparaten mogelijk gemaakt. Met behulp van Internet of Things (IoT)-technologie evolueren niet-intelligente apparaten naar slimme apparaten. Slimme apparaten die stroomregeling, beveiliging, omgevingsregeling en entertainment bieden, worden steeds gebruikelijker in huis. Voorbeelden van niet-intelligente apparaten voor stroomregeling die nu slimme versies hebben, zijn onder meer lichtdimmers, stopcontacten en aardlekschakelaars (GFCI's)/boogfoutcircuitonderbrekers (AFCI's).

Terwijl een niet-intelligent apparaat alleen handmatig kan worden bediend of altijd van stroom kan worden voorzien, hebben slimme apparaten elektronica en firmware die geautomatiseerde controle en statusfeedback mogelijk maken. Het slimme apparaat, een onderdeel van het IoT-domein, reageert op besturing vanaf een pc, tablet, smartphone of virtuele assistent. Deze producten hebben toegang tot het smartapparaat via een draadloos communicatieprotocol zoals mobiel, Wi-Fi of Bluetooth.

Ontwerpen voor veiligheid en betrouwbaarheid

De uitdaging voor ontwerpers is ervoor te zorgen dat deze nieuwe slimme apparaten veilig en robuust zijn, zodat consumenten een hoge betrouwbaarheid kunnen hebben zonder het risico van een onderbreking van de service. Daarom hebben de apparaten overspanningsbeveiliging en overstroombeveiliging nodig om de werking te behouden, zelfs wanneer ze worden blootgesteld aan een breed scala aan omgevingsgevaren, zoals blikseminslag, geïnduceerde stroomstoot, elektrostatische ontlading (ESD) en snelle elektrische transiënten. Dit artikel biedt ontwerpers aanbevelingen voor bescherming en componenten voor laag vermogen die zowel voorkomen dat overbelasting gevoelige circuits beschadigt als de efficiëntie van het apparaat maximaliseren.

Intelligente lichtdimmers en stopcontacten beschermen

Lichtdimmers en stopcontacten worden aangesloten op de wisselstroomlijn en zijn onderhevig aan zowel overstroom als voorbijgaande overspanningscondities die kunnen optreden op een wisselstroomlijn. Transiënten zoals blikseminslag, spanningsvariaties in het elektriciteitsnet als gevolg van belastingspieken, inductieve transiënten van het in- of uitschakelen van de motor en elektrostatische ontlading (ESD) kunnen het elektronische circuit beschadigen dat een slimme dimmer en een slim stopcontact aanstuurt.

Afbeelding 1 toont de beveiligings- en besturingscomponenten die worden aanbevolen voor zowel het beschermen van de elektronische schakelingen als het efficiënt regelen van de lichtdimmer en een slim stopcontact.

Figuur 1. Aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten voor slimme lichtdimmers en slimme stopcontacten.

Beschermings- en bedieningscomponenten voor een slimme lichtdimmer

Lichtdimmers zijn veelvoorkomende items voor het regelen van de verlichting van een verlichtingsarmatuur in huis. Slimme dimmers maken een nauwkeurige afstandsbediening of getimede bediening van een lamp of een set lampen mogelijk. Figuur 2 toont een blokschema van een elektronische dimmerschakelaar en toont de specifieke circuitblokken waarin de aanbevolen beveiligings- en besturingscomponenten worden gebruikt.

Figuur 2. Blokschema van een slimme lichtdimmer. De aanbevolen opties voor veiligheids- en besturingscomponenten voor de circuitblokken worden weergegeven in de lijst naast het blokschema.

AC-ingangsbeveiligingscircuit

Het AC-ingangsbeveiligingscircuitblok is rechtstreeks verbonden met de AC-netvoedingslijn en vereist zowel bescherming tegen overstroom als transiënte spanning. Ontwerpers moeten het blok zekeren om te beschermen tegen overstroom die schade aan de stroomafwaartse circuitblokken veroorzaakt. We raden een langzame zekering aan om hinderlijke uitschakeling als gevolg van inschakelstromen, zoals van een schakelende voeding, te voorkomen. De zekering moet een nominale spanning hebben die hoger is dan de nominale netspanning.

Een kritische parameter voor een zekering is de onderbrekende classificatie. Zorg ervoor dat de geselecteerde zekering niet smelt of verdampt tijdens een grote overbelasting. Schat de maximale stroomcapaciteit van de voedingslijn en selecteer een zekering met een onderbrekingswaarde die uw schatting van de mogelijk beschikbare stroom overschrijdt. Zekeringen kunnen onderbrekingsclassificaties hebben die 10s of 100s kiloampère (kA) kunnen zijn.

Om het AC-ingangsbeveiligingscircuit te beschermen tegen transiënten op de AC-lijn, raden we aan een metaaloxidevaristor (MOV) te gebruiken. MOV's zijn bestand tegen de maximale spanning van een transiënt en kunnen de stroomstoot absorberen als gevolg van de transiënte spanning. We raden u aan een MOV te overwegen die maar liefst 10.000 A stroompuls en 400 J energie van een transiënt absorbeert. Een goede ontwerppraktijk is om de MOV zo dicht mogelijk bij de ingang van de printplaat te plaatsen om te voorkomen dat transiënten zich in het circuit voortplanten.

Gebruik aan de secundaire zijde van het AC-ingangsbeveiligingscircuit een transiënte spanningsonderdrukkingsdiode (TVS) om de stroomafwaartse secundaire circuits te beschermen. U kunt een unidirectionele of bidirectionele diode selecteren, afhankelijk van de waarschijnlijkheid dat het circuit onderhevig kan zijn aan zowel positieve als negatieve transiënten. TVS-diodes reageren extreem snel op transiënten, in minder dan 1 ps. Ze kunnen een piekpulsvermogen van 1500 W opnemen en hebben lage klemspanningen om elektronische laagspanningscircuits te beschermen.

Schakelaar

Het schakelcircuit regelt de uitgang naar de verlichtingsarmatuur. Het minimaliseren van het stroomverbruik maximaliseert de efficiëntie van het circuit en minimaliseert de warmteontwikkeling in de dimmer. We raden aan om een ​​TRIAC (thyristor) met een lage houdstroom te gebruiken.

TRIAC's zijn verkrijgbaar met houdstromen onder de 10 mA. Ze kunnen ook veilig werken bij junctietemperaturen van meer dan 100 °C. Voor verdere verbetering van de efficiëntie kunt u MOSFET's overwegen om de stroom naar de TRIAC te regelen. Selecteer vermogens-MOSFET's met lage RDS(aan)-weerstanden van minder dan 0,5 en snelle schakeltijden om stroomverlies tijdens apparaatovergangen en stroomverbruik te verminderen wanneer de MOSFET aan staat.

U kunt het beheer van het aansturen van MOSFET's vereenvoudigen met een enkele chipgate-driver. Gate-driverchips kunnen twee aandrijfversterkers bevatten om high-side, low-side vermogens-MOSFET's te besturen en hun schakelsnelheid te maximaliseren. Selecteer een gate-drive met voldoende stroomcapaciteit om de MOSFET's aan te sturen. Bescherm dit circuit tot slot tegen netspanningspieken die zich in het schakelcircuit hebben voortgeplant met een MOV die bestand is tegen vergelijkbare hoeveelheden als de MOV die wordt aanbevolen voor het AC-ingangsbeveiligingscircuit.

Draadloos communicatiecircuit

Het draadloze communicatiecircuit communiceert met een pc, een tabletcomputer of een smartphone met behulp van een draadloos LAN (Wi-Fi) protocol voor afstandsbediening van de dimmer. Dit circuit staat in verbinding met de externe omgeving en is onderhevig aan ESD, voornamelijk veroorzaakt door de gebruiker van de slimme dimmer.

We raden een bidirectionele TVS-diode-array aan (weergegeven in afbeelding 3) of een polymeer ESD-beveiligingsapparaat om het draadloze communicatiecircuit te beschermen.

Figuur 3. Een bidirectionele TVS-diodearray met twee back-to-back diodes

Beide apparaten kunnen I/O-poorten beschermen met een minimale impact op de circuitprestaties dankzij capaciteiten onder 1 pF. Beide componenten hebben ook een op het oppervlak gemonteerde verpakking om beperkte ruimte op de printplaat te besparen. Bovendien trekken ze lekstromen van minder dan 1 µA, wat de vermogensbelasting van het circuit vermindert. Van het grootste belang is dat beide apparaten bestand zijn tegen een ESD-aanval van ±12 kV in overeenstemming met de IEC 61000-4-2 ESD-norm.

Lokale schakelaar

Met de lokale schakelaar kan een gebruiker het uitgangsvermogen van de dimmer handmatig regelen. Net als het draadloze communicatiecircuit staat dit circuit in verbinding met de externe omgeving en heeft het een grote kans om te worden blootgesteld aan een ESD-aanval. Dit circuit heeft dezelfde beveiligingscomponenten nodig als het draadloze communicatiecircuit. Selecteer opnieuw een diode-array of een polymeer ESD-beveiligingsapparaat.

Beschermings- en bedieningscomponenten voor een slim stopcontact

Afbeelding 4 illustreert de circuitblokken in een smart outlet en de aanbevolen componenten die bescherming en efficiënte controle bieden. Net als de slimme dimmerschakelaar heeft het slimme stopcontact AC-ingangsblokken, een AC-DC-conversievoedingsblok, een draadloos communicatiecircuit en een handmatig schakelbesturingscircuit.

Figuur 4. Blokschema voor slim stopcontact dat laat zien waar beschermings- en besturingscomponenten vereist zijn. In de tabel staan ​​de aanbevolen componentopties.

AC-ingangsbescherming en rectificatie

Het AC-ingangs- en beveiligingscircuit wordt aangesloten op de AC-netlijn en is, net als het AC-ingangsbeschermingsblok van de dimmerschakelaar, onderhevig aan grote overstroompieken en hoge overspanningspieken die kunnen worden geïnduceerd en voortgeplant op de voedingslijn. De AC-ingang van het slimme stopcontactcircuit vereist daarom een ​​zekering, een MOV en een TVS-diode met kenmerken die identiek zijn aan die aanbevolen voor het ingangscircuit van de lichtdimmer.

Voeding

Ruimte- en efficiëntieoverwegingen in een smart outlet suggereren dat een schakelende voeding moet worden gebruikt om de gelijkspanning te genereren die nodig is voor het regelcircuit. We raden aan om de efficiëntie te maximaliseren met een hoogfrequent ontwerp. Overweeg om Schottky-gelijkrichterdiodes in het circuit te gebruiken. Deze apparaten hebben lage voorwaartse spanningsdalingen die doorgaans lager zijn dan 0,5 V, en ze kunnen werken met hoge schakelfrequenties, waardoor een klein, ruimtebesparend ontwerp met een hoog rendement mogelijk is.

Draadloze communicatie en de lokale aan/uit-schakelaar

Net als de slimme dimmerschakelaar zijn de draadloze communicatie en de lokale aan/uit-schakelcircuits blootgesteld aan de externe omgeving en onderhevig aan ESD-aanvallen. Bescherm die circuits tegen ESD met een TVS-diodearray of een polymeer ESD-onderdrukker.

Bescherming van aardlekschakelaars, AFCI-stopcontacten en USB-stopcontacten

GFCI-stopcontacten worden sinds de jaren 70 gebruikt om personen te beschermen tegen vochtige omgevingen. De National Electric Code en de Canadian Electrical Code verplichten sinds 2014 en 2015 AFCI's voor nieuwbouw van woonvoorzieningen en woningen. De GFCI detecteert wanneer de belastingsstroom geleverd op de hotline niet terugkeert op de neutrale lijn.

Als de huidige onbalans een vooraf bepaald uitschakelniveau overschrijdt, haalt de GFCI de stroom uit het stopcontact om gevaar voor elektrische schokken te voorkomen. De AFCI detecteert een boogconditie en haalt de stroom uit het stopcontact om brand te voorkomen. Afbeelding 5 toont de aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten voor een GFCI, een AFCI en een stopcontact met een USB-oplaadpoort.

Figuur 5. Aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten voor GFCI's, AFCI's en USB-oplaadpunten.

Figuur 6 toont de circuitblokken in een GFCI en een AFCI. De GFCI heeft een stroomonbalansdetectiecircuit, terwijl een AFCI een boogdetectiecircuit heeft. Net als bij de slimme dimmer en het slimme stopcontact, worden deze twee apparaten aangesloten op het lichtnet en hebben ze bescherming tegen overstroom en transiënte spanning nodig.

Figuur 6. Blokschema van een GFCI of een AFCI. De tabel hiernaast vermeldt de aanbevolen beschermings- en controlecomponenten.

Vuurcircuit

Elk van deze apparaten heeft een circuit nodig om het relais te besturen dat de stroom naar het stopcontact kan onderbreken. Dat is het ontstekingscircuit. We raden aan om een ​​SCR te gebruiken om het elektromechanische relais aan te sturen. Met een SCR kunt u een eenvoudig regelcircuit ontwerpen dat zowel efficiënt als compact is. De SCR is een robuust onderdeel dat bestand is tegen aanzienlijke stroomstoten tot wel 100 A en meer dan 600 V kan ondersteunen. ALS de relaisspoel een laag stroomverbruik heeft, kunt u een versie voor opbouwmontage van het onderdeel gebruiken.

USB-uitgang

De USB-uitgang biedt het gemak van het voeden of opladen van een draagbaar apparaat met een USB-kabel. De gebruiker heeft geen USB-stroomadapterblok nodig omdat het stopcontact de DC-laadstroom levert. De USB-uitgang vereist dezelfde zekering en bescherming tegen transiënte spanning als de andere intelligente apparaten die worden aangesloten op het lichtnet. Afbeelding 7 illustreert een blokschema voor een USB-stopcontact met een USB-oplaadpoort.

Figuur 7. Blokschema van een USB-uitgang. De aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten worden weergegeven in de lijst hiernaast.

Het schakelcircuit in de USB-uitgang levert de DC-uitgang voor de uitgang. U kunt de efficiëntie van dit circuit maximaliseren door lage voorwaartse spanning, Schottky-diodes te gebruiken en door een hoogfrequent switcherontwerp te gebruiken. Overweeg daarnaast om een ​​vermogens-MOSFET en een geïntegreerde gate-driver te gebruiken om de efficiëntie van de DC-stroomregelingscircuits verder te verbeteren.

Naleving van veiligheidsnormen

Aangezien elk van deze slimme stopcontacten is aangesloten op het lichtnet, moeten ze voldoen aan de toepasselijke nationale en internationale veiligheidsnormen die zijn uitgevaardigd door Underwriters Laboratories (UL) en de International Electrotechnical Commission (IEC). De normen die van toepassing zijn op de verschillende slimme stopcontacten zijn weergegeven in figuur 8 en beschreven in tabel 1.

Figuur 8. De veiligheids- en ESD-normen die van toepassing zijn op lichtdimmers en stopcontacten.

Tabel 1. Lijst met toepasselijke nationale en internationale normen en nalevingen voor stopcontacten

We raden aan om de eisen voor deze normen op te nemen in de productdefinitie, zodat beschermingscomponenten kosteneffectief kunnen worden ontworpen tijdens het ontwerpproject. Selecteer UL-erkende beveiligingscomponenten die zich in het pad van de AC-voedingslijn bevinden. De combinatie van ontwerpen en testen op basis van standaardvereisten en het gebruik van UL-erkende componenten verkort de certificeringstijd en voorkomt certificeringsfouten.

De waarde van beschermings- en controlecomponenten

Vooruitgang in IoT-technologie is verwerkt in nieuwe producten zoals slimme stopcontacten die het huis meer veiligheid, omgevingsbeheersing en gemak bieden. Om de succesvolle acceptatie van deze intelligente producten te garanderen, moeten ze robuust, betrouwbaar en veilig zijn. Ontwerpers kunnen zorgen voor robuuste en veilige producten door ervoor te zorgen dat hun ontwerpen overstroombeveiliging, overspanningsbeveiliging en besturingscomponenten met een laag energieverbruik hebben.

Ontwerpers kunnen ook veel tijd en moeite besparen door gebruik te maken van de toepassingsexpertise van fabrikanten van deze componenten, zoals Littelfuse, die ontwerpers kunnen helpen met aanbevelingen over circuitconfiguraties, kennis van veiligheidsnormen en componentselectie. Uw inspanningen zullen resulteren in een product dat een reputatie krijgt op het gebied van betrouwbaarheid, veiligheid en omzetgroei.

Aanvullende bronnen

Raadpleeg de volgende documenten voor meer informatie over Littelfuse-circuitbeveiligingsoplossingen:

• Fuseology-selectiegids
• Selectiegids voor stroomkringbeveiligingsproducten
• Ontwerphandleiding voor elektrostatische ontlading (ESD)-onderdrukking

Of neem contact op met Littelfuse voor ontwerphulp van toepassingsspecialisten.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.