Projetando segurança e confiabilidade em tomadas elétricas inteligentes para casas inteligentes

Este artigo fornece aos projetistas recomendações para proteção e componentes de controle de baixa potência para projetos de tomadas que evitam que sobrecargas danifiquem circuitos sensíveis e maximizam a eficiência do dispositivo.

Os avanços nas comunicações sem fio, na Internet e nos circuitos eletrônicos possibilitaram o desenvolvimento de dispositivos inteligentes. Usando a tecnologia da Internet das Coisas (IoT), os dispositivos não inteligentes estão evoluindo para dispositivos inteligentes. Dispositivos inteligentes que fornecem controle de energia, segurança, controle ambiental e entretenimento estão se tornando comuns em casa. Exemplos de dispositivos de controle de energia não inteligentes que agora têm versões inteligentes incluem dimmers de luz, tomadas elétricas e interruptores de circuito de falha de aterramento (GFCIs) / interruptores de circuito de falha de arco (AFCIs).

Embora um dispositivo não inteligente só possa ser controlado manualmente ou sempre ligado, os dispositivos inteligentes têm componentes eletrônicos e firmware que permitem controle automatizado e feedback de status. O dispositivo inteligente, um constituinte do domínio IoT, responde ao controle de um computador pessoal, tablet, smartphone ou assistente virtual. Esses produtos acessam o dispositivo inteligente usando um protocolo de comunicação sem fio, como celular, Wi-Fi ou Bluetooth.

Projetando para segurança e confiabilidade

O desafio para os designers é garantir que esses novos dispositivos inteligentes sejam seguros e robustos para que os consumidores possam ter alta confiabilidade sem risco de interrupção do serviço. Portanto, os dispositivos requerem proteção contra sobretensão e proteção contra sobrecorrente para manter a operação, mesmo quando submetidos a uma ampla gama de riscos ambientais, como um surto de raios, sobretensão induzida, descarga eletrostática (ESD) e transientes elétricos rápidos. Este artigo fornece aos projetistas recomendações para proteção e componentes de controle de baixo consumo de energia que evitam que sobrecargas danifiquem circuitos sensíveis e maximizam a eficiência do dispositivo.

Proteção de dimmers de luz inteligentes e tomadas elétricas

Os dimmers de luz e as tomadas elétricas se conectam à linha de alimentação CA e estão sujeitos a condições de sobrecorrente e sobretensão transitória que podem ocorrer em uma linha CA. Transientes como raios, variações de tensão da linha de alimentação devido a picos de carga, transientes indutivos de ativação ou desativação do motor e descarga eletrostática (ESD) podem danificar o circuito eletrônico que controla um dimmer inteligente e uma tomada elétrica inteligente.

A Figura 1 mostra os componentes de proteção e controle recomendados para proteger o circuito eletrônico e controlar de forma eficiente o dimmer de luz e uma tomada elétrica inteligente.

Figura 1. Componentes de proteção e controle recomendados para dimmers de luz inteligentes e tomadas elétricas inteligentes.

Componentes de proteção e controle para um dimmer de luz inteligente

Dimmers de luz são itens comuns para controlar a iluminação de uma luminária em casa. Os dimmers inteligentes permitem o controle remoto preciso ou o controle cronometrado de uma luminária ou conjunto de luzes. A Figura 2 mostra um diagrama de blocos de uma chave de dimmer eletrônico e mostra os blocos de circuitos específicos nos quais os componentes de proteção e controle recomendados são usados.

Figura 2. Diagrama de blocos de um dimmer de luz inteligente. As opções de componentes de segurança e controle recomendadas para os blocos de circuito são mostradas na lista adjacente ao diagrama de blocos.

Circuito de proteção de entrada CA

O bloco do circuito de proteção de entrada CA faz interface diretamente com a linha de alimentação CA e requer proteção contra sobrecorrente e tensão transiente. Os projetistas devem fundir o bloco para proteger contra sobrecorrente, causando danos aos blocos do circuito a jusante. Recomendamos um fusível de queima lenta dimensionado para evitar desligamentos incômodos devido a correntes de pico, como de uma fonte de alimentação comutada. O fusível deve ter uma classificação de tensão que exceda a tensão nominal da linha CA.

Um parâmetro crítico para um fusível é sua classificação de interrupção. Certifique-se de que o fusível selecionado não derreta ou vaporize durante uma grande sobrecarga. Faça uma estimativa da capacidade máxima de corrente da linha de alimentação e selecione um fusível com uma classificação de interrupção que exceda sua estimativa de corrente potencialmente disponível. Os fusíveis podem ter classificações de interrupção que podem ser de 10s a 100s de quiloamps (kA).

Para proteger o circuito de proteção de entrada CA contra transientes na linha CA, sugerimos o uso de um varistor de óxido de metal (MOV). Os MOVs podem suportar a tensão máxima de um transiente e podem absorver o surto de corrente devido à tensão transiente. Recomendamos que você considere um MOV que absorve até um pulso de corrente de 10.000 A e 400 J de energia de um transiente. Uma boa prática de projeto é colocar o MOV o mais próximo possível da entrada da placa do pc para evitar que transientes se propaguem no circuito.

No lado secundário do circuito de proteção de entrada CA, use um diodo de supressão de tensão transiente (TVS) para proteger os circuitos secundários downstream. Você pode selecionar um diodo unidirecional ou bidirecional, dependendo da probabilidade de o circuito estar sujeito a transientes positivos e negativos. Os diodos TVS respondem a transientes extremamente rapidamente, em menos de 1 ps. Eles podem absorver a potência de pulso de pico de 1500 W e têm baixas tensões de fixação para proteger os circuitos eletrônicos de baixa tensão.

Circuito de comutação

O circuito do interruptor controla a saída para a luminária. Minimizar o consumo de energia maximiza a eficiência do circuito e minimiza o acúmulo de calor no dimmer. Recomendamos o uso de um TRIAC (tiristor) com baixa corrente de retenção.

Os TRIACs estão disponíveis com correntes de retenção abaixo de 10 mA. Eles também podem operar com segurança em temperaturas de junção superiores a 100 ° C. Para melhorar ainda mais a eficiência, considere os MOSFETs para controlar a energia do TRIAC. Selecione os MOSFETs de potência com baixas resistências RDS (ligado) de menos de 0,5 Ω e tempos de comutação rápidos para reduzir a perda de energia durante as transições do dispositivo e o consumo de energia quando o MOSFET está no estado ligado.

Você pode simplificar o gerenciamento de MOSFETs de condução com um único driver de chip gate. Os chips de driver de porta podem conter dois amplificadores de unidade para controlar MOSFETs de potência alta e baixa e maximizar sua velocidade de comutação. Selecione uma unidade de portão com capacidade de corrente suficiente para conduzir os MOSFETs. Por fim, proteja este circuito de picos de tensão de linha que se propagaram para o circuito da chave com um MOV que pode suportar quantidades semelhantes às do MOV recomendado para o circuito de proteção de entrada CA.

Circuito de comunicação sem fio

O circuito de comunicação sem fio se comunica com um PC, um tablet ou um smartphone usando um protocolo de LAN sem fio (Wi-Fi) para controle remoto do dimmer. Este circuito faz interface com o ambiente externo e está sujeito à ESD, induzida principalmente pelo usuário do dimmer inteligente.

Recomendamos um arranjo de diodos TVS bidirecional (mostrado na Figura 3) ou um dispositivo de proteção ESD de polímero para proteger o circuito de comunicação sem fio.

Figura 3. Uma matriz de diodos TVS bidirecional com dois diodos back-to-back

Ambos os dispositivos podem proteger portas de E / S com impacto mínimo no desempenho do circuito devido a capacitâncias abaixo de 1 pF. Além disso, ambos os componentes possuem embalagem de montagem em superfície para economizar espaço limitado na placa do pc. Além disso, eles puxam correntes de fuga abaixo de 1 µA, o que reduz a carga de energia do circuito. Mais importante, qualquer um dos dispositivos resistirá a um ataque de ± 12 kV ESD de acordo com o padrão IEC 61000-4-2 ESD.

Comutador local

A chave local permite que um usuário controle manualmente a potência de saída do dimmer. Como o circuito de comunicação sem fio, este circuito faz interface com o ambiente externo e tem uma alta probabilidade de ser submetido a uma descarga de ESD. Este circuito precisa dos mesmos componentes de proteção que o circuito de comunicação sem fio. Novamente, selecione um arranjo de diodos ou um dispositivo de proteção ESD de polímero.

Componentes de proteção e controle para uma tomada inteligente

A Figura 4 ilustra os blocos de circuito em uma tomada inteligente e os componentes recomendados que fornecem proteção e controle eficiente. Como o switch dimmer inteligente, a tomada inteligente tem blocos de entrada AC, um bloco de alimentação de conversão AC-DC, um circuito de comunicação sem fio e um circuito de controle de switch manual.

Figura 4. Diagrama de bloco de saída inteligente mostrando onde os componentes de proteção e controle são necessários. A tabela lista as opções de componentes recomendadas.

Proteção e retificação de entrada CA

A entrada CA e o circuito de proteção se conectam à linha de alimentação CA e, como o bloco de proteção de entrada CA do interruptor dimmer, está sujeito a grandes surtos de sobrecorrente e transientes de alta sobretensão que podem ser induzidos e propagados na linha de alimentação. A entrada CA do circuito de saída inteligente, portanto, requer um fusível, um MOV e um diodo TVS com características idênticas às recomendadas para o circuito de entrada do dimmer de luz.

Fonte de alimentação

As considerações de espaço e eficiência em uma tomada inteligente sugerem que uma fonte de alimentação chaveada seja usada para gerar a tensão DC necessária para o circuito de controle. Recomendamos maximizar a eficiência com um projeto de alta frequência. Considere o uso de diodos retificadores Schottky no circuito. Esses dispositivos têm baixas quedas de tensão direta que são normalmente inferiores a 0,5 V e podem operar em altas frequências de chaveamento, permitindo um design pequeno e com economia de espaço operando com alta eficiência.

Comunicação sem fio e botão liga / desliga local

Como o interruptor do dimmer inteligente, a comunicação sem fio e os circuitos do interruptor liga / desliga locais são expostos ao ambiente externo e sujeitos a ataques de ESD. Proteja esses circuitos de ESD com um conjunto de diodos TVS ou um supressor de ESD de polímero.

Protegendo tomadas GFCI, AFCI e tomadas de energia USB

As tomadas GFCI estão em uso desde 1970 para proteger indivíduos de ambientes úmidos. O Código Elétrico Nacional e o Código Elétrico Canadense exigem AFCIs em novas construções de instalações residenciais e casas desde 2014 e 2015, respectivamente. O GFCI detecta quando a corrente de carga fornecida na linha direta não retorna na linha neutra.

Se o desequilíbrio de corrente exceder um nível de desarme pré-determinado, o GFCI remove a energia da tomada para evitar o risco de choque elétrico. O AFCI detecta uma condição de arco e remove a energia da tomada para evitar um incêndio. A Figura 5 mostra os componentes de proteção e controle recomendados para um GFCI, um AFCI e uma tomada com porta de carregamento USB.

Figura 5. Componentes de proteção e controle recomendados para GFCIs, AFCIs e tomadas de carregamento USB.

A Figura 6 mostra os blocos de circuito em um GFCI e um AFCI. O GFCI tem um circuito de detecção de desequilíbrio de corrente, enquanto um AFCI tem um circuito de detecção de arco. Tal como acontece com o dimmer inteligente e a tomada inteligente, esses dois dispositivos se conectam à linha de alimentação CA e exigem proteção contra sobrecorrente e tensão transiente.

Figura 6. Diagrama de blocos de um GFCI ou AFCI. A tabela adjacente lista os componentes de proteção e controle recomendados.

Circuito de disparo

Cada um desses dispositivos precisa de um circuito para controlar o relé que pode interromper a alimentação da tomada. Esse é o circuito de disparo. Recomendamos que você considere o uso de um SCR para controlar o relé eletromecânico. Com um SCR, você pode projetar um circuito de controle simples que seja eficiente e compacto. O SCR é um componente robusto que pode suportar surtos de corrente substanciais de até 100 A e pode suportar mais de 600 V. SE a bobina do relé tiver um baixo consumo de energia, você pode usar uma versão do componente para montagem em superfície.

Tomada USB

A tomada USB oferece a conveniência de ligar ou recarregar um dispositivo portátil com um cabo USB. O usuário não precisa de um bloco adaptador de alimentação USB, pois a tomada fornece a corrente de carga CC. A tomada USB requer o mesmo fusível e proteção contra tensão transitória que os outros dispositivos inteligentes que fazem interface com as linhas de alimentação CA. A Figura 7 ilustra um diagrama de blocos para uma tomada USB com uma porta de carregamento USB.

Figura 7. Diagrama de blocos de uma tomada USB. Os componentes de proteção e controle recomendados são mostrados na lista adjacente.

O circuito da chave na tomada USB fornece a saída CC para a tomada. Você pode maximizar a eficiência deste circuito usando baixa tensão direta, diodos Schottky e usando um design de switcher de alta frequência. Além disso, considere o uso de um MOSFET de energia e um driver de porta integrado para melhorar ainda mais a eficiência do circuito de controle de energia CC.

Conformidade com os padrões de segurança

Como cada uma dessas tomadas inteligentes se conecta à linha de alimentação CA, elas devem estar em conformidade com os padrões de segurança nacionais e internacionais aplicáveis, promulgados pelo Underwriters Laboratories (UL) e pela International Electrotechnical Commission (IEC). Os padrões aplicáveis ​​às várias tomadas inteligentes são mostrados na Figura 8 e descritos na Tabela 1.

Figura 8. Os padrões de segurança e ESD aplicáveis ​​a dimmers de luz e tomadas elétricas.

Tabela 1. Lista de normas e conformidade nacionais e internacionais aplicáveis ​​para tomadas elétricas





Recomendamos que os requisitos para esses padrões sejam incluídos na definição do produto para que os componentes de proteção possam ser projetados de maneira econômica durante o projeto de design. Selecione os componentes de proteção reconhecidos pela UL que estão no caminho da linha de alimentação CA. A combinação de projeto e teste com base em requisitos padrão e usando componentes reconhecidos pela UL reduz o tempo de certificação e evita falhas de certificação.

O valor dos componentes de proteção e controle

Os avanços na tecnologia de IoT são incorporados em novos produtos, como pontos de venda inteligentes, que proporcionam à casa mais segurança, controle ambiental e conveniência. Para garantir a adoção bem-sucedida desses produtos inteligentes, eles precisam ser robustos, confiáveis ​​e seguros. Os projetistas podem garantir produtos robustos e seguros, garantindo que seus projetos tenham proteção contra sobrecorrente, proteção contra sobretensão e componentes de controle de baixo consumo de energia.

Os projetistas também podem economizar tempo e esforço significativos, aproveitando a experiência de aplicação dos fabricantes desses componentes, como Littelfuse, que pode ajudar os projetistas com recomendações sobre configurações de circuito, conhecimento dos padrões de segurança e seleção de componentes. Seu esforço resultará em um produto que ganhará uma reputação de confiabilidade, segurança e aumento de receita.

Recursos adicionais

Para obter mais informações sobre as soluções de proteção de circuito Littelfuse, consulte os seguintes documentos:

• Guia de seleção de fuselagem
• Guia de seleção de produtos de proteção de circuito
• Guia de design de supressão de descarga eletrostática (ESD)

Ou entre em contato com a Littelfuse para obter assistência de design de especialistas em aplicação.

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