Gestaltung von Sicherheit und Zuverlässigkeit in intelligente Steckdosen für Smart Homes

Dieser Artikel bietet Designern Empfehlungen für Schutz- und stromsparende Steuerungskomponenten für das Design von Steckdosen, die sowohl verhindern, dass empfindliche Schaltungen durch Überlastung beschädigt werden, als auch die Geräteeffizienz maximiert werden.

Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation, dem Internet und elektronischen Schaltungen haben die Entwicklung intelligenter Geräte ermöglicht. Mithilfe der Internet of Things (IoT)-Technologie entwickeln sich nicht-intelligente Geräte zu intelligenten Geräten. Intelligente Geräte, die Stromsteuerung, Sicherheit, Umgebungskontrolle und Unterhaltung bieten, werden im Haushalt immer häufiger. Beispiele für nicht-intelligente Leistungssteuerungsgeräte, die jetzt in intelligenten Versionen verfügbar sind, umfassen Lichtdimmer, Steckdosen und Fehlerstromschutzschalter (GFCIs)/Lichtbogenstromkreisunterbrecher (AFCIs).

Während ein nicht-intelligentes Gerät nur manuell gesteuert oder immer mit Strom versorgt werden kann, verfügen intelligente Geräte über Elektronik und Firmware, die eine automatische Steuerung und Statusrückmeldung ermöglichen. Das intelligente Gerät, ein Bestandteil der IoT-Domäne, reagiert auf die Steuerung durch einen PC, ein Tablet, ein Smartphone oder einen virtuellen Assistenten. Diese Produkte greifen über ein drahtloses Kommunikationsprotokoll wie Mobilfunk, Wi-Fi oder Bluetooth auf das Smart-Gerät zu.

Design für Sicherheit und Zuverlässigkeit

Die Herausforderung für Entwickler besteht darin, sicherzustellen, dass diese neuen intelligenten Geräte sicher und robust sind, damit Verbraucher eine hohe Zuverlässigkeit ohne das Risiko einer Dienstunterbrechung haben können. Daher benötigen die Geräte Überspannungsschutz und Überstromschutz, um den Betrieb auch dann aufrechtzuerhalten, wenn sie einer Vielzahl von Umgebungsgefahren wie Blitzschlag, induzierter Überspannung, elektrostatischer Entladung (ESD) und schnellen elektrischen Transienten ausgesetzt sind. Dieser Artikel bietet Designern Empfehlungen für Schutz- und stromsparende Steuerungskomponenten, die sowohl verhindern, dass Überlastungen empfindliche Schaltkreise beschädigen, als auch die Geräteeffizienz maximieren.

Schutz intelligenter Lichtdimmer und Steckdosen

Lichtdimmer und Steckdosen werden an die Wechselstromleitung angeschlossen und unterliegen sowohl Überstrom als auch vorübergehender Überspannung, die in einer Wechselstromleitung auftreten können. Transienten wie Blitzeinschläge, Spannungsschwankungen in der Stromleitung aufgrund von Lastspitzen, induktive Transienten beim Ein- oder Ausschalten des Motors und elektrostatische Entladungen (ESD) können die elektronische Schaltung beschädigen, die einen intelligenten Dimmer und eine intelligente Steckdose steuert.

Abbildung 1 zeigt die empfohlenen Schutz- und Steuerungskomponenten sowohl zum Schutz der elektronischen Schaltung als auch zum effizienten Steuern des Lichtdimmers und einer intelligenten Steckdose.

Abbildung 1. Empfohlene Schutz- und Steuerungskomponenten für intelligente Lichtdimmer und intelligente Steckdosen.

Schutz- und Steuerungskomponenten für einen intelligenten Lichtdimmer

Lichtdimmer sind gängige Elemente zur Steuerung der Beleuchtung einer Leuchte im Haus. Intelligente Dimmer ermöglichen eine präzise Fernbedienung oder eine zeitgesteuerte Steuerung einer Leuchte oder einer Reihe von Leuchten. Abbildung 2 zeigt ein Blockschaltbild eines elektronischen Dimmerschalters und zeigt die spezifischen Schaltungsblöcke, in denen die empfohlenen Schutz- und Steuerkomponenten verwendet werden.

Abbildung 2. Blockschaltbild eines intelligenten Lichtdimmers. Die für die Schaltungsblöcke empfohlenen Sicherheits- und Steuerungskomponentenoptionen sind in der Liste neben dem Blockschaltbild aufgeführt.

AC-Eingangsschutzschaltung

Der Schaltungsblock zum Schutz des AC-Eingangs ist direkt mit der AC-Netzleitung verbunden und erfordert sowohl einen Überstrom- als auch einen Transientenspannungsschutz. Entwickler sollten den Block absichern, um ihn vor Überstrom zu schützen, der Schäden an den nachgeschalteten Schaltungsblöcken verursachen kann. Wir empfehlen eine träge Sicherung, die so dimensioniert ist, dass ein störendes Abschalten aufgrund von Einschaltströmen, wie z. B. von einem Schaltnetzteil, vermieden wird. Die Sicherung sollte eine Nennspannung haben, die die Nenn-AC-Netzspannung überschreitet.

Ein kritischer Parameter für eine Sicherung ist ihre Unterbrechungsleistung. Stellen Sie sicher, dass die ausgewählte Sicherung bei einer großen Überlastung nicht schmilzt oder verdampft. Schätzen Sie die maximale Stromkapazität der Stromleitung ab und wählen Sie eine Sicherung mit einer Unterbrechungsleistung, die Ihre Schätzung des potenziell verfügbaren Stroms übersteigt. Sicherungen können unterbrechende Nennwerte haben, die 10s oder 100s Kiloampere (kA) betragen können.

Um die AC-Eingangsschutzschaltung vor Transienten auf der AC-Leitung zu schützen, empfehlen wir die Verwendung eines Metalloxid-Varistors (MOV). MOVs können der maximalen Spannung eines Transienten standhalten und den Stromstoß aufgrund der Transientenspannung absorbieren. Wir empfehlen Ihnen, einen MOV in Betracht zu ziehen, der bis zu 10.000 A Stromimpuls und 400 J Energie von einem Transienten absorbiert. Eine gute Entwurfspraxis besteht darin, den MOV so nah wie möglich am Eingang der Leiterplatte zu platzieren, um zu verhindern, dass sich Transienten in die Schaltung ausbreiten.

Verwenden Sie auf der Sekundärseite des AC-Eingangsschutzkreises eine Transient Voltage Suppression Diode (TVS), um die nachgeschalteten Sekundärkreise zu schützen. Sie können entweder eine unidirektionale oder eine bidirektionale Diode auswählen, je nachdem, wie wahrscheinlich es ist, dass die Schaltung sowohl positiven als auch negativen Transienten ausgesetzt ist. TVS-Dioden reagieren extrem schnell auf Transienten, in weniger als 1 ps. Sie können eine Spitzenimpulsleistung von 1500 W absorbieren und haben niedrige Klemmspannungen, um elektronische Niederspannungsschaltungen zu schützen.

Schaltkreis

Der Schaltkreis steuert die Ausgabe an die Leuchte. Die Minimierung des Stromverbrauchs maximiert die Effizienz der Schaltung und minimiert die Wärmeentwicklung im Dimmer. Wir empfehlen die Verwendung eines TRIAC (Thyristor) mit niedrigem Haltestrom.

TRIACs sind mit Halteströmen unter 10 mA erhältlich. Sie können auch bei Sperrschichttemperaturen von über 100 °C sicher betrieben werden. Ziehen Sie für eine weitere Verbesserung der Effizienz MOSFETs in Betracht, um die Leistung zum TRIAC zu steuern. Wählen Sie Leistungs-MOSFETs mit niedrigem RDS(on)-Widerstand von unter 0,5 Ω und schnellen Schaltzeiten, um den Leistungsverlust bei Geräteübergängen und den Stromverbrauch zu reduzieren, wenn sich der MOSFET im eingeschalteten Zustand befindet.

Sie können die Verwaltung der Ansteuerung von MOSFETs mit einem einzigen Chip-Gate-Treiber vereinfachen. Gate-Treiberchips können zwei Treiberverstärker enthalten, um High-Side- und Low-Side-Leistungs-MOSFETs zu steuern und ihre Schaltgeschwindigkeit zu maximieren. Wählen Sie einen Gate-Treiber mit ausreichender Stromkapazität, um die MOSFETs anzusteuern. Schützen Sie diesen Stromkreis schließlich mit einem MOV vor Überspannungen in der Leitung, die sich in den Schalterstromkreis ausgebreitet haben, der ähnlichen Werten wie dem für den AC-Eingangsschutzstromkreis empfohlenen MOV standhalten kann.

Drahtlose Kommunikationsschaltung

Die drahtlose Kommunikationsschaltung kommuniziert mit einem PC, einem Tablet-Computer oder einem Smartphone unter Verwendung eines drahtlosen LAN (Wi-Fi)-Protokolls zur Fernbedienung des Dimmers. Dieser Schaltkreis ist mit der externen Umgebung verbunden und unterliegt ESD, die hauptsächlich durch den Benutzer des intelligenten Dimmers verursacht wird.

Wir empfehlen entweder ein bidirektionales TVS-Diodenarray (in Abbildung 3 gezeigt) oder ein Polymer-ESD-Schutzgerät zum Schutz der drahtlosen Kommunikationsschaltung.

Abbildung 3. Ein bidirektionales TVS-Diodenarray mit zwei Back-to-Back-Dioden

Beide Geräte können I/O-Ports mit minimalen Auswirkungen auf die Schaltungsleistung aufgrund von Kapazitäten unter 1 pF schützen. Außerdem verfügen beide Komponenten über eine oberflächenmontierbare Verpackung, um begrenzten Platz auf der Leiterplatte zu sparen. Darüber hinaus ziehen sie Leckströme unter 1 µA, was die Strombelastung der Schaltung reduziert. Am wichtigsten ist, dass jedes Gerät einem ESD-Einschlag von ±12 kV gemäß der ESD-Norm IEC 61000-4-2 standhält.

Lokaler Schalter

Der lokale Schalter ermöglicht es einem Benutzer, die Ausgangsleistung des Dimmers manuell zu steuern. Wie die drahtlose Kommunikationsschaltung ist diese Schaltung mit der äußeren Umgebung verbunden und wird mit hoher Wahrscheinlichkeit einem ESD-Einschlag ausgesetzt. Diese Schaltung benötigt die gleichen Schutzkomponenten wie die drahtlose Kommunikationsschaltung. Wählen Sie erneut entweder ein Diodenarray oder ein Polymer-ESD-Schutzgerät.

Schutz- und Kontrollkomponenten für ein Smart Outlet

Abbildung 4 zeigt die Schaltungsblöcke in einer intelligenten Steckdose und die empfohlenen Komponenten, die Schutz und effiziente Steuerung bieten. Wie der intelligente Dimmerschalter verfügt die intelligente Steckdose über AC-Eingangsblöcke, einen AC-DC-Umwandlungsversorgungsblock, einen drahtlosen Kommunikationskreis und einen manuellen Schaltersteuerkreis.

Abbildung 4. Blockschaltbild der intelligenten Steckdose, das zeigt, wo Schutz- und Steuerungskomponenten erforderlich sind. In der Tabelle sind die empfohlenen Komponentenoptionen aufgeführt.

AC-Eingangsschutz und Gleichrichtung

Der AC-Eingang und die Schutzschaltung werden an die AC-Netzleitung angeschlossen und sind wie der AC-Eingangsschutzblock des Dimmerschalters großen Überstromstößen und hohen Überspannungstransienten ausgesetzt, die induziert und über die Stromleitung übertragen werden können. Der AC-Eingang der intelligenten Steckdosenschaltung erfordert daher eine Sicherung, einen MOV und eine TVS-Diode mit identischen Eigenschaften wie die für die Lichtdimmer-Eingangsschaltung empfohlenen.

Netzteil

Platz- und Effizienzüberlegungen in einer intelligenten Steckdose legen nahe, dass ein Schaltnetzteil verwendet wird, um die für die Steuerschaltung benötigte Gleichspannung zu erzeugen. Wir empfehlen, die Effizienz durch ein Hochfrequenzdesign zu maximieren. Erwägen Sie die Verwendung von Schottky-Gleichrichterdioden in der Schaltung. Diese Geräte haben niedrige Durchlassspannungsabfälle, die typischerweise unter 0,5 V liegen, und sie können mit hohen Schaltfrequenzen betrieben werden, was ein kleines, platzsparendes Design mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.

Drahtlose Kommunikation und der lokale Ein-/Ausschalter

Wie der intelligente Dimmer sind die drahtlose Kommunikation und die lokalen Ein/Aus-Schaltkreise der äußeren Umgebung ausgesetzt und ESD-Einschlägen ausgesetzt. Schützen Sie diese Schaltkreise entweder mit einem TVS-Diodenarray oder einem Polymer-ESD-Unterdrücker vor ESD.

Schutz von GFCI, AFCI-Ausgängen und USB-Steckdosen

FI-Steckdosen werden seit den 1970er Jahren zum Schutz von Personen vor feuchter Umgebung verwendet. Der National Electric Code und der Canadian Electrical Code verlangen seit 2014 bzw. 2015 AFCIs beim Neubau von Wohnanlagen und Eigenheimen. Der GFCI erkennt, wenn der über die Hotline gelieferte Laststrom nicht auf die neutrale Leitung zurückkehrt.

Wenn das Stromungleichgewicht einen vorbestimmten Auslösewert überschreitet, trennt der FI-Schutzschalter die Stromversorgung von der Steckdose, um die Gefahr eines Stromschlags zu vermeiden. Der AFCI erkennt einen Lichtbogenzustand und unterbricht die Stromversorgung von der Steckdose, um einen Brand zu verhindern. Abbildung 5 zeigt die empfohlenen Schutz- und Steuerungskomponenten für einen GFCI, einen AFCI und eine Steckdose mit USB-Ladeanschluss.

Abbildung 5. Empfohlene Schutz- und Kontrollkomponenten für GFCIs, AFCIs und USB-Ladesteckdosen.

Abbildung 6 zeigt die Schaltungsblöcke in einem GFCI und einem AFCI. Der GFCI hat eine Stromungleichgewichtserkennungsschaltung, während ein AFCI eine Lichtbogenerkennungsschaltung hat. Wie beim intelligenten Dimmer und der intelligenten Steckdose werden diese beiden Geräte an das Wechselstromnetz angeschlossen und benötigen einen Überstrom- und Transientenspannungsschutz.

Abbildung 6. Blockschaltbild eines GFCI oder eines AFCI. Die nebenstehende Tabelle listet die empfohlenen Schutz- und Steuerungskomponenten auf.

Feuerkreis

Jedes dieser Geräte benötigt einen Stromkreis, um das Relais zu steuern, das die Ausgangsleistung unterbrechen kann. Das ist der Zündkreis. Wir empfehlen, die Verwendung eines SCR zur Steuerung des elektromechanischen Relais in Betracht zu ziehen. Mit einem SCR können Sie einen einfachen Regelkreis entwerfen, der sowohl effizient als auch kompakt ist. Der SCR ist eine robuste Komponente, die erheblichen Stromstößen von bis zu 100 A standhält und über 600 V unterstützt. WENN die Relaisspule eine geringe Leistungsaufnahme hat, können Sie eine SMD-Version der Komponente verwenden.

USB-Steckdose

Der USB-Ausgang bietet die Möglichkeit, ein tragbares Gerät über ein USB-Kabel mit Strom zu versorgen oder aufzuladen. Der Nutzer benötigt keinen USB-Netzteilblock, da die Steckdose den DC-Ladestrom liefert. Die USB-Steckdose erfordert die gleiche Sicherung und den gleichen Transientenspannungsschutz wie die anderen intelligenten Geräte, die mit den AC-Netzleitungen verbunden sind. Abbildung 7 zeigt ein Blockdiagramm für eine USB-Steckdose mit einem USB-Ladeanschluss.

Abbildung 7. Blockschaltbild einer USB-Steckdose. Die empfohlenen Schutz- und Steuerungskomponenten sind in der nebenstehenden Liste aufgeführt.

Der Schalterstromkreis in der USB-Steckdose stellt den DC-Ausgang für die Steckdose bereit. Sie können die Effizienz dieser Schaltung maximieren, indem Sie eine niedrige Durchlassspannung, Schottky-Dioden und ein Hochfrequenz-Umschalterdesign verwenden. Ziehen Sie außerdem in Betracht, einen Leistungs-MOSFET und einen integrierten Gate-Treiber zu verwenden, um die Effizienz der DC-Leistungssteuerschaltung weiter zu verbessern.

Einhaltung von Sicherheitsstandards

Da jede dieser intelligenten Steckdosen mit dem Wechselstromnetz verbunden ist, müssen sie den geltenden nationalen und internationalen Sicherheitsstandards entsprechen, die von Underwriters Laboratories (UL) und der International Electrotechnical Commission (IEC) veröffentlicht wurden. Die für die verschiedenen Smart Outlets geltenden Normen sind in Abbildung 8 dargestellt und in Tabelle 1 beschrieben.

Abbildung 8. Die für Lichtdimmer und Steckdosen geltenden Sicherheits- und ESD-Normen.

Tabelle 1. Liste der geltenden nationalen und internationalen Standards und Konformitäten für Steckdosen

Wir empfehlen, die Anforderungen an diese Normen in die Produktdefinition aufzunehmen, damit Schutzkomponenten schon während des Konstruktionsprojekts kostengünstig ausgelegt werden können. Wählen Sie UL-anerkannte Schutzkomponenten aus, die sich im Pfad der Wechselstromleitung befinden. Die Kombination aus Design und Prüfung auf der Grundlage von Standardanforderungen und der Verwendung von UL-anerkannten Komponenten verkürzt sowohl die Zertifizierungszeit als auch die Vermeidung von Zertifizierungsfehlern.

Der Wert von Schutz- und Kontrollkomponenten

Fortschritte in der IoT-Technologie fließen in neue Produkte wie intelligente Steckdosen ein, die dem Zuhause mehr Sicherheit, Umgebungskontrolle und Komfort verleihen. Um die erfolgreiche Einführung dieser intelligenten Produkte zu gewährleisten, müssen sie robust, zuverlässig und sicher sein. Designer können robuste und sichere Produkte gewährleisten, indem sie sicherstellen, dass ihre Designs Überstromschutz, Überspannungsschutz und Steuerungskomponenten mit geringem Stromverbrauch aufweisen.

Konstrukteure können außerdem viel Zeit und Mühe sparen, indem sie sich die Anwendungsexpertise von Herstellern dieser Komponenten wie Littelfuse zunutze machen, die Designer mit Empfehlungen zu Schaltungskonfigurationen, Kenntnissen über Sicherheitsstandards und Komponentenauswahl unterstützen können. Ihre Bemühungen werden zu einem Produkt führen, das für Zuverlässigkeit, Sicherheit und Umsatzwachstum bekannt ist.

Zusätzliche Ressourcen

Weitere Informationen zu den Schutzlösungen von Littelfuse finden Sie in den folgenden Dokumenten:

• Fuseologie-Auswahlleitfaden
• Leitfaden zur Auswahl von Stromkreisschutzprodukten
• Entwurfsleitfaden zur Unterdrückung elektrostatischer Entladungen (ESD)

Oder wenden Sie sich an Littelfuse, um Unterstützung bei der Konstruktion von Anwendungsspezialisten zu erhalten.

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