Обеспечение безопасности и надежности интеллектуальных розеток для умных домов

Эта статья предоставляет разработчикам рекомендации по защите и компонентам управления с низким энергопотреблением для конструкции розеток, которые предотвращают перегрузку от повреждения чувствительной схемы и максимально повышают эффективность устройства.

Достижения в области беспроводной связи, Интернета и электронных схем позволили разработать интеллектуальные устройства. Благодаря технологии Интернета вещей (IoT) неинтеллектуальные устройства превращаются в интеллектуальные. Умные устройства, обеспечивающие управление питанием, безопасность, контроль окружающей среды и развлечения, становятся обычным явлением в домашних условиях. Примеры неинтеллектуальных устройств управления питанием, которые теперь имеют интеллектуальные версии, включают регуляторы освещенности, розетки и прерыватели цепи замыкания на землю (GFCI) / прерыватели цепи дугового замыкания (AFCI).

В то время как неинтеллектуальное устройство может управляться только вручную или всегда получать питание, интеллектуальные устройства имеют электронику и прошивку, которые позволяют автоматизировать управление и обратную связь по состоянию. Смарт-устройство, составляющее домен Интернета вещей, реагирует на управление с персонального компьютера, планшета, смартфона или виртуального помощника. Эти продукты получают доступ к интеллектуальному устройству с помощью протокола беспроводной связи, такого как сотовая связь, Wi-Fi или Bluetooth.

Проектирование для обеспечения безопасности и надежности

Задача разработчиков - обеспечить безопасность и надежность этих новых интеллектуальных устройств, чтобы потребители могли иметь высокую надежность без риска прерывания обслуживания. Следовательно, устройства нуждаются в защите от перенапряжения и сверхтока для поддержания работы даже при воздействии широкого спектра экологических опасностей, таких как удар молнии, индуцированный скачок мощности, электростатический разряд (ESD) и быстрые электрические переходные процессы. Эта статья предоставляет разработчикам рекомендации по компонентам защиты и управления с низким энергопотреблением, которые предотвращают перегрузку от повреждения чувствительной схемы и максимально повышают эффективность устройства.

Защита интеллектуальных диммеров и розеток

Диммеры и розетки питания подключаются к линии переменного тока и подвержены как перегрузкам по току, так и переходным перенапряжениям, которые могут возникнуть в линии переменного тока. Переходные процессы, такие как удары молнии, колебания напряжения в электросети из-за скачков нагрузки, индуктивные переходные процессы от включения или выключения двигателя, а также электростатический разряд (ESD) могут повредить электронные схемы, управляющие интеллектуальным диммером и интеллектуальной розеткой.

На рисунке 1 показаны компоненты защиты и управления, рекомендованные как для защиты электронных схем, так и для эффективного управления регулятором освещенности и интеллектуальной розеткой.

Рисунок 1. Рекомендуемые компоненты защиты и управления для интеллектуальных диммеров и интеллектуальных розеток.

Компоненты защиты и управления для умного диммера

Диммеры - это обычные предметы для управления освещением осветительной арматуры в доме. Интеллектуальные диммеры позволяют осуществлять точное дистанционное или синхронизированное управление осветительной арматурой или набором источников света. На рисунке 2 показана блок-схема электронного диммерного переключателя и показаны конкретные схемные блоки, в которых используются рекомендуемые компоненты защиты и управления.

Рисунок 2. Блок-схема умного диммера света. Параметры компонентов безопасности и управления, рекомендуемые для схемных блоков, показаны в списке рядом с блок-схемой.

Схема защиты входа переменного тока

Блок схемы защиты входа переменного тока напрямую взаимодействует с линией питания переменного тока и требует защиты как от перегрузки по току, так и от переходных напряжений. Разработчикам следует предохранить блок от перегрузки по току, вызывающей повреждение последующих блоков цепи. Мы рекомендуем плавкий предохранитель с задержкой срабатывания, чтобы избежать нежелательного отключения из-за пусковых токов, например, от импульсного источника питания. Предохранитель должен иметь номинальное напряжение, превышающее номинальное напряжение сети переменного тока.

Критическим параметром предохранителя является его отключающая способность. Убедитесь, что выбранный предохранитель не расплавится и не испарится при большой перегрузке. Оцените максимальную допустимую токовую нагрузку линии электропередачи и выберите предохранитель с номиналом отключения, превышающим вашу оценку потенциально доступного тока. Предохранители могут иметь номиналы прерывания, которые могут составлять от 10 до 100 килоампер (кА).

Чтобы защитить схему защиты входа переменного тока от переходных процессов в линии переменного тока, мы предлагаем использовать металлооксидный варистор (MOV). MOV могут выдерживать максимальное напряжение от переходного процесса и могут поглощать скачок тока из-за переходного напряжения. Мы рекомендуем вам рассмотреть MOV, который поглощает до 10 000 А импульса тока и 400 Дж энергии от переходного процесса. Хорошая практика проектирования заключается в том, чтобы размещать MOV как можно ближе ко входу печатной платы, чтобы предотвратить распространение переходных процессов в схему.

На вторичной стороне схемы защиты входа переменного тока используйте диод подавления переходных напряжений (TVS) для защиты последующих вторичных цепей. Вы можете выбрать либо однонаправленный, либо двунаправленный диод в зависимости от вероятности того, что в цепи могут возникать как положительные, так и отрицательные переходные процессы. TVS-диоды очень быстро реагируют на переходные процессы, менее чем за 1 пс. Они могут поглощать пиковую импульсную мощность 1500 Вт и иметь низкое напряжение ограничения для защиты электронных схем низкого напряжения.

Схема переключателя

Схема переключателя управляет выходной мощностью осветительной арматуры. Сведение к минимуму энергопотребления увеличивает эффективность схемы и сводит к минимуму тепловыделение в диммере. Мы рекомендуем использовать TRIAC (тиристор) с низким током удержания.

Доступны симисторы с токами удержания до 10 мА. Они также могут безопасно работать при температурах перехода выше 100 ° C. Для дальнейшего повышения эффективности рассмотрите возможность использования полевых МОП-транзисторов для управления мощностью TRIAC. Выбирайте силовые полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением RDS (включено) менее 0,5 Ом и быстрым временем переключения, чтобы снизить потери мощности во время переключения устройств и потребление энергии, когда полевой МОП-транзистор находится во включенном состоянии.

Вы можете упростить управление управлением полевыми МОП-транзисторами с помощью однокристального драйвера затвора. Микросхемы драйвера затвора могут содержать два управляющих усилителя для управления полевыми МОП-транзисторами высокой и низкой мощности и максимизировать их скорость переключения. Выберите привод затвора с достаточной текущей мощностью для управления полевыми МОП-транзисторами. Наконец, защитите эту схему от скачков напряжения в сети, которые распространяются на схему переключателя, с помощью MOV, который может выдерживать такие же величины, как и MOV, рекомендованный для схемы защиты входа переменного тока.

Цепь беспроводной связи

Цепь беспроводной связи обменивается данными с ПК, планшетным компьютером или смартфоном, используя протокол беспроводной локальной сети (Wi-Fi) для дистанционного управления диммером. Эта схема взаимодействует с внешней средой и подвержена электростатическому разряду, в первую очередь вызванному пользователем интеллектуального диммера.

Мы рекомендуем либо двунаправленную диодную матрицу TVS (показанную на рисунке 3), либо полимерное устройство защиты от электростатического разряда для защиты цепи беспроводной связи.

Рисунок 3. Двунаправленная диодная матрица TVS с двумя встречными диодами

Оба устройства могут защищать порты ввода-вывода с минимальным влиянием на характеристики схемы благодаря емкости менее 1 пФ. Кроме того, оба компонента имеют корпус для поверхностного монтажа, чтобы сэкономить ограниченное пространство на печатной плате. Кроме того, они потребляют токи утечки менее 1 мкА, что снижает силовую нагрузку цепи. Что наиболее важно, любое устройство выдержит воздействие электростатического разряда ± 12 кВ в соответствии со стандартом IEC 61000-4-2 ESD.

Локальный коммутатор

Локальный переключатель позволяет пользователю вручную управлять выходной мощностью диммера. Как и схема беспроводной связи, эта схема взаимодействует с внешней средой и имеет высокую вероятность поражения электростатическим разрядом. Эта схема требует тех же компонентов защиты, что и схема беспроводной связи. Опять же, выберите либо диодную матрицу, либо полимерное устройство защиты от электростатического разряда.

Компоненты защиты и управления для интеллектуальной розетки

На рисунке 4 показаны блоки схемы интеллектуальной розетки и рекомендуемые компоненты, обеспечивающие защиту и эффективное управление. Подобно интеллектуальному диммерному переключателю, интеллектуальная розетка имеет входные блоки переменного тока, блок питания преобразования переменного тока в постоянный, схему беспроводной связи и схему управления ручным переключателем.

Рисунок 4. Блок-схема интеллектуальной розетки, показывающая, где требуются компоненты защиты и управления. В таблице перечислены рекомендуемые параметры компонентов.

Защита и выпрямление входа переменного тока

Входная цепь переменного тока и цепь защиты подключаются к сети переменного тока и, как и блок защиты входа переменного тока регулятора яркости, подвержены значительным скачкам тока перегрузки и переходным процессам высокого напряжения, которые могут индуцироваться и распространяться по линии электропередачи. Поэтому для входа переменного тока в схему интеллектуальной розетки требуется предохранитель, MOV и TVS-диод с характеристиками, идентичными тем, которые рекомендованы для входной цепи регулятора освещенности.

Блок питания

Соображения относительно места и эффективности интеллектуальной розетки предполагают использование импульсного источника питания для генерации постоянного напряжения, необходимого для схемы управления. Мы рекомендуем максимизировать эффективность за счет высокочастотной конструкции. Рассмотрите возможность использования в схеме выпрямительных диодов Шоттки. Эти устройства имеют низкие падения напряжения в прямом направлении, которые обычно не превышают 0,5 В, и могут работать на высоких частотах переключения, что обеспечивает компактную компактную конструкцию, работающую с высоким КПД.

Беспроводная связь и локальный переключатель включения / выключения

Подобно интеллектуальному диммерному переключателю, цепи беспроводной связи и местного включения / выключения подвергаются воздействию внешней среды и разряду электростатического разряда. Защитите эти цепи от электростатического разряда с помощью диодной матрицы TVS или полимерного подавителя электростатических разрядов.

Защита розеток GFCI, AFCI и розеток питания USB

Розетки GFCI используются с 1970-х годов для защиты людей от влажной среды. Национальный электротехнический кодекс и Электротехнический кодекс Канады требуют наличия AFCI при новом строительстве жилых объектов и домов с 2014 и 2015 годов соответственно. GFCI определяет, когда ток нагрузки, подаваемый на горячую линию, не возвращается на нейтральную линию.

Если дисбаланс тока превышает заранее определенный уровень срабатывания, GFCI отключает питание от розетки, чтобы предотвратить опасность поражения электрическим током. AFCI определяет состояние дуги и отключает питание от розетки, чтобы предотвратить возгорание. На рис. 5 показаны рекомендуемые компоненты защиты и управления для GFCI, AFCI и розетки с портом зарядки USB.

Рисунок 5. Рекомендуемые компоненты защиты и управления для GFCI, AFCI и USB-зарядных розеток.

На рисунке 6 показаны блоки схемы в GFCI и AFCI. GFCI имеет схему обнаружения дисбаланса тока, в то время как AFCI имеет схему обнаружения дуги. Как и в случае с интеллектуальным диммером и интеллектуальной розеткой, эти два устройства подключаются к сети переменного тока и требуют защиты от перегрузки по току и переходных напряжений.

Рисунок 6. Блок-схема GFCI или AFCI. В соседней таблице перечислены рекомендуемые компоненты защиты и управления.

Цепь зажигания

Каждому из этих устройств нужна цепь для управления реле, которое может отключать розетку. Это схема зажигания. Мы рекомендуем вам рассмотреть возможность использования SCR для управления электромеханическим реле. С помощью SCR вы можете разработать простую схему управления, которая будет одновременно эффективной и компактной. SCR - это прочный компонент, который может выдерживать значительные скачки тока до 100 A и может поддерживать более 600 В. ЕСЛИ катушка реле имеет низкое энергопотребление, вы можете использовать версию компонента для поверхностного монтажа.

USB-выход

Разъем USB позволяет легко заряжать портативное устройство или заряжать его с помощью кабеля USB. Пользователь не нуждается в блоке адаптера питания USB, так как розетка обеспечивает зарядный ток постоянного тока. Розетка USB требует того же предохранителя и защиты от переходных напряжений, что и другие интеллектуальные устройства, взаимодействующие с линиями сети переменного тока. На рис. 7 показана блок-схема USB-розетки с USB-портом для зарядки.

Рисунок 7. Блок-схема USB-розетки. Рекомендуемые компоненты защиты и управления показаны в списке рядом.

Схема переключателя в розетке USB обеспечивает выход постоянного тока для розетки. Вы можете максимизировать эффективность этой схемы, используя низкое прямое напряжение, диоды Шоттки и конструкцию высокочастотного переключателя. Кроме того, рассмотрите возможность использования силового полевого МОП-транзистора и встроенного драйвера затвора для дальнейшего повышения эффективности схемы управления мощностью постоянного тока.

Соответствие стандартам безопасности

Поскольку каждая из этих интеллектуальных розеток подключается к сети переменного тока, они должны соответствовать применимым национальным и международным стандартам безопасности, опубликованным Underwriters Laboratories (UL) и Международной электротехнической комиссией (IEC). Стандарты, применимые к различным интеллектуальным розеткам, показаны на рисунке 8 и описаны в таблице 1.

Рисунок 8. Стандарты безопасности и защиты от статического электричества, применимые к регуляторам освещенности и розеткам питания.

Таблица 1. Список применимых национальных и международных стандартов и соответствий для электрических розеток

Мы рекомендуем включить требования этих стандартов в определение продукта, чтобы компоненты защиты можно было с минимальными затратами разработать во время разработки проекта. Выберите признанные UL компоненты защиты, которые находятся на пути линии питания переменного тока. Сочетание проектирования и тестирования на основе стандартных требований и использования признанных UL компонентов сокращает время сертификации и позволяет избежать ошибок сертификации.

Значение компонентов защиты и контроля

Достижения в области технологий Интернета вещей воплощены в новых продуктах, таких как умные розетки, которые обеспечивают повышенную безопасность дома, контроль окружающей среды и удобство. Чтобы гарантировать успешное внедрение этих интеллектуальных продуктов, они должны быть прочными, надежными и безопасными. Разработчики могут обеспечить прочные и безопасные продукты, обеспечив в их конструкциях защиту от перегрузки по току, защиту от перенапряжения и компоненты управления с низким энергопотреблением.

Дизайнеры также могут значительно сэкономить время и усилия, воспользовавшись опытом применения производителей этих компонентов, таких как Littelfuse, которые могут помочь разработчикам рекомендациями по конфигурациям цепей, знанием стандартов безопасности и выбором компонентов. Результатом ваших усилий станет продукт, который заслужит репутацию надежного, безопасного и стабильного продукта.

Дополнительные ресурсы

Дополнительную информацию о решениях для защиты цепей Littelfuse см. В следующих документах:

• Руководство по выбору фузеологии
• Руководство по выбору средств защиты цепей
• Руководство по проектированию подавления электростатического разряда (ESD)

Или свяжитесь с Littelfuse для получения помощи в дизайне от специалистов по применению.

Отраслевые статьи - это форма содержания, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного содержания. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.