DigiKey
Avtor: Rolf Horn, inženir za aplikacije pri podjetju DigiKey
V pogostih aplikacijah, kot so termostati, klimatske naprave, centralne enote za požarni alarm, varnostni sistemi, avtomatizacija zgradb in industrijski krmilniki, je potreben preprost signal za krmiljenje izmenične ali enosmerne napetosti v nadzorovanem sosednjem tokokrogu.
Čeprav so te aplikacije tradicionalno delovale z elektromehanskimi releji (EMR), številne zasnove vse bolj zahtevajo manjše dimenzije, večjo dolgoročno zanesljivost, večjo prilagodljivost in funkcionalnost ter manjši skupni šum. Polprevodniški releji (SSR) v majhnih ohišjih izpolnjujejo te potrebe.
V tem članku so obravnavani izzivi pri preklapljanju napajanja z releji v različnih dvo- in tri-žičnih aplikacijah. Nato je predstavljen SSR z zaklepom podjetja Littelfuse [1] in prikazano je, kako ga je mogoče uporabiti za reševanje teh izzivov.
Začnite z navidezno preprostim problemom
Izkušeni načrtovalci naprav vedo, da so prav osnovni problemi pogosto najtežji za rešitev, kar zadeva tehnično rešitev, seznama materialov (BOM), prostora na tiskanem vezju (PCB), stroškov in uporabniško izkušnjo. Dober primer je prilagoditev obstoječega ožičenja, ki se uporablja za klasično dvožično vezavo v stanovanjih in drugih okoljih, za proženje ogrevalnega sistema. V industriji ogrevanja, prezračevanja in klimatizacije (HVAC) se to imenuje »zahteva po ogrevanju«.
V preteklosti so bili sistemi, kot je ogrevanje z termostatom, precej preprosti tako po zasnovi kot po izvedbi. Termostat, kot je klasični model T-86 (slika 1), preprosto zapre stikalo (kovinsko ali z živosrebrnim stikalom), ko zaznana temperatura pade pod nastavljeno vrednost. Kot dokaz njegove dolgoživosti je bilo od uvedbe leta 1953 prodanih več deset milijonov kosov, mnogi pa so še vedno v uporabi.
Ta kontakt, imenovan »suhi« kontakt, omogoča, da 24-voltna izmenična napetost (VAC), ki je znižana iz omrežne napetosti, napaja tuljavo elektromagnetnega releja (EMR), ki nato vklopi bojler ali drug vir toplote. Termostat je popolnoma pasiven in ne potrebuje niti ne dobavlja električne energije. Relé zagotavlja tudi galvansko ločitev med 24 VAC krmilnim krogom termostata in napetostnim vodom, ki napaja ogrevalni sistem. Je preprost, zanesljiv in enostaven za odpravljanje napak.
Ta dolgoletna praksa se je spremenila s prihodom termostatov z digitalnim nastavljanjem želenih vrednosti in prikazom temperature (slika 2, levo). Kmalu so jim sledili pametni termostati z nastavitvami dneva in časa, ki jih je lahko uporabnik sam nadzoroval, nato pa naprave iz področja interneta stvari (IoT), ki so prinesle povezljivost in večjo naprednost (slika 2, desno). Prehod s pasivnih na aktivne termostate je prinesel novo, nepredvideno zahtevo: vir napajanja. Ker ima pasivni termostat starejše vrste le dva žici, ni enostavnega načina za zagotovitev potrebne napetosti.
Ta težava z napajanjem ni značilna le za starejše termostate in sisteme za ogrevanje, prezračevanje in klimatizacijo; pojavlja se tudi v varnostnih sistemih, avtomatizaciji stavb, industrijskih krmilnih sistemih, merilnih napravah in povsod, kjer preprosto sklenjeno stikalo pomeni »vklop«.
Za rešitev tega problema obstajata dve možnosti napajanja, vsaka pa ima svoje slabosti. Ena je uporaba zamenljive baterije v termostatu, kar je nepraktično tako v stanovanjskih kot v industrijskih okoljih. Druga možnost je napeljava novega, tretjega vodnika za dovajanje 24 VAC napetosti v termostat. Ta vodnik se imenuje »skupni« (C) vodnik.
V mnogih praktičnih primerih, zlasti v stanovanjih, je polaganje novega kabelskega voda od termostata do ogrevalnega sistema zahtevno delo, ki vključuje vlečenje in vijačenje kablov, izrezovanje odprtin v stenah ter vgradnjo protipožarnih zapor v stenske votline.
SSR rešuje dilemo glede baterije in dodatnega kabla
Na srečo obstaja rešitev. CPC1601M [2] (slika 3) je SSR, katerega lastnosti so zasnovane tako, da odpravljajo omejitve dvožilnega sistema.
CPC1601M je neizoliran polprevodniški rele z zaklepom tipa 1-Form-A in nizkim delovnim tokom, vgrajen v miniaturno DFN ohišje velikosti 3 × 3 milimetra (mm) z osmimi kontakti. Integrirano vezje vsebuje vhod SET, ki vklopi rele; izhod RESET, ki ob impulzu rele izklopi; ter vhod TOGGLE, ki rele izmenično vklaplja in izklaplja.
Pomembna inovativna lastnost je, da ima integrirano relejsko vezje CPC1601M dva načina napajanja in da lahko s spremljanjem svojega vhodnega pina HVcc potrebno delovno napetost pridobi bodisi iz odprtega tokokroga bodisi iz sistemskega napajalnika.
Način delovanja z napajanjem iz obremenitve se uporablja pri viru izmenične napetosti, na primer pri transformatorju z napetostjo 24 VAC na sekundarni strani. Ko obremenitev zagotavlja napajanje, rele ne črpa energije iz omrežnega napajanja, s čimer podaljšuje življenjsko dobo baterije. Rele se občasno odpre, kar mu omogoča, da »pridobiva« energijo iz napetosti obremenitve v odprtem tokokrogu. V večini primerov ta kratka prekinitev ne vpliva na delovanje sistema. V načinu napajanja iz obremenitve ni potrebno pomožno napajanje, zato C vodnik termostata ni potreben.
V tipičnem sistemu za ogrevanje, prezračevanje in klimatizacijo (HVAC) termostat krmili kontaktor (K1). Kontaktor je običajno visokotokovni elektromagnetni rele, ki krmili obremenitev sistema HVAC. Relé K1 se krmili z vklapljanjem in izklapljanjem releja CPC1601M.
Ko je CPC1601M v izklopljenem načinu, se na izhodnih priključkih obremenitve (RLY1 in RLY2) pojavi polna napetost v odprtem tokokrogu iz transformatorja T1. To izmenično napetost usmerjajo notranji DMOS-diodi (D1 in D2) in zunanji diodi (D3 in D4), ki tvorijo polnovalovni usmernik. Usmerjena napetost se nato vodi na filtrski kondenzator (CFILT), ki deluje kot rezervni kondenzator pri delovanju v načinu napajanja z obremenitvijo.
CPC1601M ponuja še eno funkcijo, povezano z napajanjem: zagotavlja izhodno napetost za napajanje povezanega mikrokontrolerja (MCU) in zunanjih vezij. Poleg tega, če je ta izhodna napetost znotraj območja napetostnega razpona MCU, ki ga izbere uporabnik, ločen regulator z majhnim padcem napetosti (LDO) morda ni potreben. Da bi zaščitili izhod stikala pred povratnimi napetostmi prehodnega pojava pri vklopu induktivne obremenitve – kar je v teh aplikacijah pogosta situacija, je med RLY1 in RLY2 nameščena dioda za omejitev prepetosti (TVS).
V načinu delovanja s sistemskim napajanjem (slika 4) se napajanje za CPC1601M črpa iz napajalnika in ne iz obremenitve. V tipični uporabi termostata je vir napajanja baterija. Zaradi izjemno nizke porabe energije je CPC1601M primerna izbira za aplikacije, v katerih je podaljšanje življenjske dobe baterije ključnega pomena.
V tej konfiguraciji je VCCIN/POUT priključek CPC1601M priključen na sistemsko baterijo, priključek HVCC pa ostane odprt. V tem primeru CPC1601M deluje kot preprost rele z zaklepom, ki ga je mogoče krmiliti s pomočjo signalov SET in RESET ali v načinu TOGGLE.
Kaj pa izolacija?
Čeprav osnovni vezji CPC1601M, ki sta bili doslej prikazani, ne vključujeta galvanske izolacije, je ta včasih potrebna za zagotovitev pravilnega delovanja sistema, na primer v klimatskih sistemih z dvojnim transformatorjem, kjer so povratne veje transformatorjev ločene in med seboj izolirane. Obstaja veliko načinov za izvedbo izolacije, vsak pa ima svoje prednosti in slabosti.
Izolacijo je s pomočjo CPC1601M mogoče enostavno in stroškovno učinkovito izvesti s preprostim kapacitivno sklopljenim signalom s širinsko modulacijo impulzov (PWM) (slika 5). Sistemski mikrokontroler (MCU) generira več ciklov PWM signala, ki je kapacitivno sklopljen prek izolacijskega kondenzatorja (C1). Ta PWM signal, običajno s frekvenco 200 kilohercev (kHz) in pravokotno obliko s 50-odstotnim delovnim ciklom, se filtrira z R2 in C2. To ustvari enosmerno napetost, ki sproži vhod SET na CPC1601M.
Oglejte si ključne električne specifikacije
Čeprav je pomembno zagotoviti učinkovito delovanje, mora delujoča naprava zagotavljati tudi napetost, tok ter druge nazivne vrednosti in lastnosti, ki jih zahteva sistem. V ta namen ima CPC1601M naslednje značilnosti:
Napajalna napetost od 3 do 5,5 voltov
Manj kot 1 mikroamper (µA) porabe v stanju pripravljenosti, napajane iz omrežja
Nizka tipična upornost v stanju »vklopljeno« znaša 308 miliohmov (mΩ)
TTL/CMOS združljivi logični vhodi
Dvosmerna kontakta RLY1 in RLY2, povezana z obremenitvijo, ki se lahko uporabljata za delovanje z izmenično ali enosmerno napetostjo z najvišjo napetostjo 60 voltov (Vpeak)
Kontakta RLY1 in RLY2, ki podpirata neprekinjeno obremenitev 2 A, izmeničnega ali enosmernega toka
Napajalni priključek z zajemanjem obremenitve za napajanje zunanjih vezij z močjo do 10 milivatov (mW)
Čas vklopa po impulzu SET ali TOGGLE znaša največ 1 mikrosekundo (µs); ustrezen čas izklopa po impulzu RESET ali TOGGLE prav tako znaša največ 1 µs
Zmanjšane elektromagnetne motnje (EMI) zaradi preklopa pri prehodu skozi ničlo v načinu napajanja iz obremenitve
Tiho delovanje, saj ni klikanja elektromagnetnega releja
Zaključek
Posodobitev sistemov za zapiranje stikal s suhimi kontakti, kakršni se uporabljajo v tradicionalnih krmilnih vezjih s pasivnimi termostati, da bi zdaj aktivnim termostatom zagotovili napajanje prek lokalne baterije ali tretjega vodnika, je v teoriji preprosta, v praksi pa zahtevna. SSR, kot je Littelfuse CPC1601M, rešuje te težave in ponuja druge koristne funkcije, ki izboljšujejo zmogljivost in zanesljivost sistema.
Viri:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/littelfuse
