Diseño de seguridad y confiabilidad en tomas de corriente inteligentes para hogares inteligentes

Este artículo brinda a los diseñadores recomendaciones para la protección y los componentes de control de bajo consumo para el diseño de tomacorrientes que evitan que las sobrecargas dañen los circuitos sensibles y maximizan la eficiencia del dispositivo.

Los avances en las comunicaciones inalámbricas, Internet y los circuitos electrónicos han permitido el desarrollo de dispositivos inteligentes. Al utilizar la tecnología de Internet de las cosas (IoT), los dispositivos no inteligentes se están convirtiendo en dispositivos inteligentes. Los dispositivos inteligentes que brindan control de energía, seguridad, control ambiental y entretenimiento se están volviendo comunes en el hogar. Ejemplos de dispositivos de control de energía no inteligentes que ahora tienen versiones inteligentes incluyen atenuadores de luz, tomacorrientes e interruptores de circuito de falla a tierra (GFCI) / interruptores de circuito de falla de arco (AFCI).

Si bien un dispositivo no inteligente solo se puede controlar manualmente o siempre se puede alimentar, los dispositivos inteligentes tienen componentes electrónicos y firmware que permiten el control automatizado y la retroalimentación del estado. El dispositivo inteligente, un componente del dominio de IoT, responde al control desde una computadora personal, tableta, teléfono inteligente o asistente virtual. Estos productos acceden al dispositivo inteligente mediante un protocolo de comunicación inalámbrica, como celular, Wi-Fi o Bluetooth.

Diseño para la seguridad y la confiabilidad

El desafío para los diseñadores es garantizar que estos nuevos dispositivos inteligentes sean seguros y robustos para que los consumidores puedan tener una alta confiabilidad sin riesgo de una interrupción en el servicio. Por lo tanto, los dispositivos requieren protección contra sobretensión y protección contra sobrecorriente para mantener el funcionamiento incluso cuando están sujetos a una amplia gama de peligros ambientales, como una sobretensión de un rayo, una sobretensión inducida, una descarga electrostática (ESD) y transitorios eléctricos rápidos. Este artículo proporciona a los diseñadores recomendaciones para la protección y los componentes de control de bajo consumo que evitan que las sobrecargas dañen los circuitos sensibles y maximizan la eficiencia del dispositivo.

Protección de atenuadores de luz inteligentes y tomas de corriente

Los atenuadores de luz y las tomas de corriente se conectan a la línea de alimentación de CA y están sujetos a condiciones de sobrecorriente y sobretensión transitoria que pueden ocurrir en una línea de CA. Los transitorios como los rayos, las variaciones de voltaje de la línea eléctrica debido a sobrecargas de carga, los transitorios inductivos del encendido o apagado del motor y las descargas electrostáticas (ESD) pueden dañar los circuitos electrónicos que controlan un atenuador inteligente y una toma de corriente inteligente.

La Figura 1 muestra los componentes de protección y control recomendados tanto para proteger los circuitos electrónicos como para controlar eficientemente el atenuador de luz y una toma de corriente inteligente.

Figura 1. Componentes de protección y control recomendados para atenuadores de luz inteligentes y tomas de corriente inteligentes.

Componentes de protección y control para un atenuador de luz inteligente

Los atenuadores de luz son elementos comunes para controlar la iluminación de un artefacto de iluminación en el hogar. Los atenuadores inteligentes permiten un control remoto preciso o un control cronometrado de una lámpara o un conjunto de luces. La Figura 2 muestra un diagrama de bloques de un interruptor de atenuación electrónico y muestra los bloques de circuitos específicos en los que se utilizan los componentes de protección y control recomendados.

Figura 2. Diagrama de bloques de un atenuador de luz inteligente. Las opciones de componentes de seguridad y control recomendadas para los bloques de circuitos se muestran en la lista adyacente al diagrama de bloques.

Circuito de protección de entrada de CA

El bloque de circuitos de protección de entrada de CA interactúa directamente con la línea de alimentación de CA y requiere protección contra sobrecorriente y voltaje transitorio. Los diseñadores deben fusionar el bloque para protegerlo contra sobrecorriente que cause daños a los bloques de circuitos aguas abajo. Recomendamos un fusible de acción lenta dimensionado para evitar paradas molestas debido a corrientes de entrada, como las de una fuente de alimentación conmutada. El fusible debe tener un voltaje nominal que exceda el voltaje nominal de la línea de CA.

Un parámetro crítico de un fusible es su capacidad de interrupción. Asegúrese de que el fusible seleccionado no se derrita ni se vaporice durante una gran sobrecarga. Calcule la capacidad de corriente máxima de la línea eléctrica y seleccione un fusible con una clasificación de interrupción que exceda su estimación de corriente potencialmente disponible. Los fusibles pueden tener clasificaciones de interrupción que pueden ser de 10 a 100 kiloamperios (kA).

Para proteger el circuito de protección de entrada de CA contra transitorios en la línea de CA, sugerimos usar un varistor de óxido metálico (MOV). Los MOV pueden soportar el voltaje máximo de un transitorio y pueden absorber el aumento de corriente debido al voltaje transitorio. Le recomendamos que considere un MOV que absorba tanto como un pulso de corriente de 10,000 A y 400 J de energía de un transitorio. Una buena práctica de diseño es colocar el MOV lo más cerca posible de la entrada de la placa de circuito impreso para evitar que los transitorios se propaguen al circuito.

En el lado secundario del circuito de protección de entrada de CA, use un diodo de supresión de voltaje transitorio (TVS) para proteger los circuitos secundarios aguas abajo. Puede seleccionar un diodo unidireccional o bidireccional dependiendo de la probabilidad de que el circuito pueda estar sujeto a transitorios tanto positivos como negativos. Los diodos TVS responden a transitorios extremadamente rápido, en menos de 1 ps. Pueden absorber una potencia de pulso máxima de 1500 W y tienen tensiones de sujeción bajas para proteger los circuitos electrónicos de baja tensión.

Circuito de conmutación

El circuito del interruptor controla la salida a la lámpara. Minimizar el consumo de energía maximiza la eficiencia del circuito y minimiza la acumulación de calor en el atenuador. Recomendamos utilizar un TRIAC (tiristor) con una corriente de retención baja.

Los TRIAC están disponibles con corrientes de mantenimiento inferiores a 10 mA. También pueden funcionar de forma segura a temperaturas de unión superiores a 100 ° C. Para mejorar aún más la eficiencia, considere los MOSFET para controlar la alimentación del TRIAC. Seleccione MOSFET de potencia con resistencias bajas de RDS (encendido) de menos de 0,5 Ω y tiempos de conmutación rápidos para reducir la pérdida de energía durante las transiciones del dispositivo y el consumo de energía cuando el MOSFET está encendido.

Puede simplificar la gestión de la conducción de MOSFET con un controlador de puerta de un solo chip. Los chips de controlador de compuerta pueden contener dos amplificadores de unidad para controlar los MOSFET de potencia de lado alto y lado bajo y maximizar su velocidad de conmutación. Seleccione una unidad de puerta con suficiente capacidad de corriente para impulsar los MOSFET. Finalmente, proteja este circuito de las sobretensiones de línea que se han propagado al circuito del interruptor con un MOV que pueda soportar cantidades similares al MOV recomendado para el circuito de protección de entrada de CA.

Circuito de comunicación inalámbrica

El circuito de comunicación inalámbrica se comunica con una PC, una tableta o un teléfono inteligente mediante un protocolo de LAN inalámbrica (Wi-Fi) para el control remoto del atenuador. Este circuito interactúa con el entorno externo y está sujeto a descargas electrostáticas, principalmente inducidas por el usuario del atenuador inteligente.

Recomendamos una matriz de diodos TVS bidireccional (que se muestra en la Figura 3) o un dispositivo de protección ESD de polímero para proteger el circuito de comunicación inalámbrica.

Figura 3. Una matriz de diodos TVS bidireccional con dos diodos adosados ​​

Ambos dispositivos pueden proteger los puertos de E / S con un impacto mínimo en el rendimiento del circuito debido a capacitancias por debajo de 1 pF. Además, ambos componentes tienen un empaque de montaje en superficie para ahorrar espacio limitado en la placa de circuito impreso. Además, extraen corrientes de fuga inferiores a 1 µA, lo que reduce la carga de potencia del circuito. Lo más importante es que cualquiera de los dispositivos resistirá un impacto ESD de ± 12 kV de acuerdo con la norma IEC 61000-4-2 ESD.

Conmutador local

El interruptor local permite al usuario controlar manualmente la potencia de salida del atenuador. Al igual que el circuito de comunicación inalámbrica, este circuito interactúa con el entorno externo y tiene una alta probabilidad de sufrir una descarga de ESD. Este circuito necesita los mismos componentes de protección que el circuito de comunicación inalámbrica. Nuevamente, seleccione una matriz de diodos o un dispositivo de protección ESD de polímero.

Componentes de protección y control para un tomacorriente inteligente

La Figura 4 ilustra los bloques de circuitos en un tomacorriente inteligente y los componentes recomendados que brindan protección y control eficiente. Al igual que el atenuador inteligente, el tomacorriente inteligente tiene bloques de entrada de CA, un bloque de suministro de conversión CA-CC, un circuito de comunicación inalámbrica y un circuito de control de interruptor manual.

Figura 4. Diagrama de bloques de salida inteligente que muestra dónde se requieren componentes de protección y control. La tabla enumera las opciones de componentes recomendadas.

Protección y rectificación de entrada de CA

El circuito de entrada y protección de CA se conecta a la línea principal de CA y, como el bloque de protección de entrada de CA del interruptor de atenuación, está sujeto a grandes sobrecorrientes y transitorios de sobrevoltaje que pueden inducirse y propagarse en la línea de alimentación. La entrada de CA del circuito de salida inteligente, por lo tanto, requiere un fusible, un MOV y un diodo TVS con características idénticas a las recomendadas para el circuito de entrada del atenuador de luz.

Fuente de alimentación

Las consideraciones de espacio y eficiencia en una toma de corriente inteligente sugieren que se utilice una fuente de alimentación conmutada para generar el voltaje de CC necesario para los circuitos de control. Recomendamos maximizar la eficiencia con un diseño de alta frecuencia. Considere usar diodos rectificadores Schottky en el circuito. Estos dispositivos tienen bajas caídas de voltaje directo que suelen ser inferiores a 0,5 V y pueden funcionar a altas frecuencias de conmutación, lo que permite un diseño pequeño que ahorra espacio y funciona con alta eficiencia.

Comunicación inalámbrica y el interruptor de encendido / apagado local

Al igual que el interruptor de atenuación inteligente, la comunicación inalámbrica y los circuitos del interruptor de encendido / apagado local están expuestos al entorno externo y sujetos a descargas ESD. Proteja esos circuitos de ESD con una matriz de diodos TVS o un supresor de ESD de polímero.

Protección de GFCI, tomacorrientes AFCI y tomacorrientes USB

Los tomacorrientes GFCI se han utilizado desde la década de 1970 para proteger a las personas de entornos húmedos. El Código Eléctrico Nacional y el Código Eléctrico Canadiense han requerido ICFA en nuevas construcciones de instalaciones residenciales y hogares desde 2014 y 2015, respectivamente. El GFCI detecta cuando la corriente de carga entregada en la línea caliente no regresa a la línea neutra.

Si el desequilibrio de corriente excede un nivel de disparo predeterminado, el GFCI corta la energía del tomacorriente para evitar un riesgo de descarga eléctrica. El AFCI detecta una condición de arco y corta la energía del tomacorriente para evitar un incendio. La Figura 5 muestra los componentes de protección y control recomendados para un GFCI, un AFCI y una toma de corriente con un puerto de carga USB.

Figura 5. Componentes recomendados de protección y control para GFCI, AFCI y salidas de carga USB.

La Figura 6 muestra los bloques de circuitos en un GFCI y un AFCI. El GFCI tiene un circuito de detección de desequilibrio de corriente mientras que un AFCI tiene un circuito de detección de arco. Al igual que con el atenuador inteligente y la toma de corriente inteligente, estos dos dispositivos se conectan a la línea principal de CA y requieren protección contra sobrecorriente y voltaje transitorio.

Figura 6. Diagrama de bloques de un GFCI o un AFCI. La tabla adyacente enumera los componentes de protección y control recomendados.

Circuito de disparo

Cada uno de estos dispositivos necesita un circuito para controlar el relé que puede interrumpir el suministro eléctrico. Ese es el circuito de disparo. Le recomendamos que considere usar un SCR para controlar el relé electromecánico. Con un SCR, puede diseñar un circuito de control simple que sea eficiente y compacto. El SCR es un componente robusto que puede soportar picos de corriente sustanciales de hasta 100 A y puede soportar más de 600 V. SI la bobina del relé tiene un consumo de energía bajo, entonces puede usar una versión de montaje en superficie del componente.

Salida USB

La salida USB ofrece la conveniencia de alimentar o recargar un dispositivo portátil con un cable USB. El usuario no necesita un bloque adaptador de corriente USB ya que la salida proporciona la corriente de carga de CC. La salida USB requiere la misma protección contra voltaje transitorio y fusibles que los otros dispositivos inteligentes que interactúan con las líneas de alimentación de CA. La Figura 7 ilustra un diagrama de bloques para una toma de corriente USB con un puerto de carga USB.

Figura 7. Diagrama de bloques de una salida USB. Los componentes de protección y control recomendados se muestran en la lista adyacente.

El circuito del interruptor en la salida USB proporciona la salida de CC para la salida. Puede maximizar la eficiencia de este circuito utilizando un voltaje directo bajo, diodos Schottky y un diseño de conmutador de alta frecuencia. Además, considere usar un MOSFET de potencia y un controlador de puerta integrado para mejorar aún más la eficiencia de los circuitos de control de potencia de CC.

Cumplimiento de los estándares de seguridad

Dado que cada uno de estos enchufes inteligentes se conecta a la línea de alimentación de CA, deben cumplir con las normas de seguridad nacionales e internacionales aplicables promulgadas por Underwriters Laboratories (UL) y la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Los estándares aplicables a los distintos enchufes inteligentes se muestran en la Figura 8 y se describen en la Tabla 1.

Figura 8. Los estándares de seguridad y ESD aplicables a atenuadores de luz y tomacorrientes.

Tabla 1. Lista de normas y cumplimientos nacionales e internacionales aplicables para tomas de corriente

Recomendamos que los requisitos para estos estándares se incluyan en la definición del producto para que los componentes de protección puedan diseñarse de manera rentable durante el proyecto de diseño. Seleccione componentes de protección reconocidos por UL que se encuentren en la ruta de la línea de alimentación de CA. La combinación de diseño y prueba basados ​​en requisitos estándar y el uso de componentes reconocidos por UL reduce el tiempo de certificación y evita fallas de certificación.

El valor de los componentes de protección y control

Los avances en la tecnología IoT se incorporan en nuevos productos, como enchufes inteligentes que brindan al hogar más seguridad, control ambiental y conveniencia. Para garantizar la adopción exitosa de estos productos inteligentes, deben ser robustos, confiables y seguros. Los diseñadores pueden garantizar productos robustos y seguros asegurándose de que sus diseños tengan protección contra sobrecorriente, protección contra sobretensión y componentes de control que consuman poca energía.

Los diseñadores también pueden ahorrar mucho tiempo y esfuerzo al aprovechar la experiencia en aplicaciones de los fabricantes de estos componentes, como Littelfuse, que puede ayudar a los diseñadores con recomendaciones sobre configuraciones de circuitos, conocimiento de los estándares de seguridad y selección de componentes. Su esfuerzo dará como resultado un producto que gana reputación por su confiabilidad, seguridad y crecimiento de ingresos.

Recursos adicionales

Para obtener más información sobre las soluciones de protección de circuitos de Littelfuse, consulte los siguientes documentos:

• Guía de selección de fusología
• Guía de selección de productos de protección de circuitos
• Guía de diseño de supresión de descargas electrostáticas (ESD)

O comuníquese con Littelfuse para obtener asistencia en el diseño de parte de especialistas en aplicaciones.

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