Concevoir la sécurité et la fiabilité dans des prises de courant intelligentes pour les maisons intelligentes

Cet article fournit aux concepteurs des recommandations pour la protection et les composants de contrôle à faible consommation pour la conception de prises de courant qui empêchent les surcharges d'endommager les circuits sensibles et maximisent l'efficacité de l'appareil.

Les progrès des communications sans fil, d'Internet et des circuits électroniques ont permis le développement d'appareils intelligents. Grâce à la technologie Internet des objets (IoT), les appareils non intelligents évoluent vers des appareils intelligents. Les appareils intelligents qui assurent le contrôle de l'alimentation, la sécurité, le contrôle de l'environnement et le divertissement sont de plus en plus courants dans la maison. Des exemples de dispositifs de contrôle de l'alimentation non intelligents qui ont maintenant des versions intelligentes incluent les gradateurs de lumière, les prises de courant et les disjoncteurs de fuite à la terre (GFCI)/interrupteurs de circuit de défaut d'arc (AFCI).

Alors qu'un appareil non intelligent ne peut être contrôlé que manuellement ou toujours alimenté, les appareils intelligents disposent d'une électronique et d'un micrologiciel qui permettent un contrôle automatisé et un retour d'état. L'appareil intelligent, un constituant du domaine IoT, répond au contrôle à partir d'un ordinateur personnel, d'une tablette, d'un smartphone ou d'un assistant virtuel. Ces produits accèdent à l'appareil intelligent à l'aide d'un protocole de communication sans fil tel que cellulaire, Wi-Fi ou Bluetooth.

Concevoir pour la sécurité et la fiabilité

Le défi pour les concepteurs est de s'assurer que ces nouveaux appareils intelligents sont sûrs et robustes afin que les consommateurs puissent bénéficier d'une fiabilité élevée sans risque d'interruption de service. Par conséquent, les appareils nécessitent une protection contre les surtensions et les surintensités pour maintenir leur fonctionnement même lorsqu'ils sont soumis à un large éventail de risques environnementaux tels que la foudre, les surtensions induites, les décharges électrostatiques (ESD) et les transitoires électriques rapides. Cet article fournit aux concepteurs des recommandations pour les composants de protection et de contrôle à faible consommation qui empêchent les surcharges d'endommager les circuits sensibles et maximisent l'efficacité de l'appareil.

Protéger les variateurs de lumière intelligents et les prises de courant

Les gradateurs de lumière et les prises de courant se connectent à la ligne électrique CA et sont soumis à des conditions de surintensité et de surtension transitoire qui peuvent se produire sur une ligne CA. Les transitoires tels que les coups de foudre, les variations de tension de la ligne électrique dues aux surtensions de charge, les transitoires inductifs dus à la mise en marche ou à l'arrêt du moteur et les décharges électrostatiques (ESD) peuvent endommager les circuits électroniques contrôlant un gradateur intelligent et une prise de courant intelligente.

La figure 1 montre les composants de protection et de contrôle recommandés pour à la fois protéger les circuits électroniques et contrôler efficacement le gradateur de lumière et une prise de courant intelligente.

Figure 1. Composants de protection et de contrôle recommandés pour les variateurs de lumière intelligents et les prises de courant intelligentes.

Composants de protection et de contrôle pour un variateur de lumière intelligent

Les gradateurs de lumière sont des éléments courants pour contrôler l'éclairage d'un appareil d'éclairage dans la maison. Les gradateurs intelligents permettent un contrôle à distance précis ou un contrôle minuté d'un luminaire ou d'un ensemble de lumières. La figure 2 montre un schéma fonctionnel d'un gradateur électronique et montre les blocs de circuit spécifiques dans lesquels les composants de protection et de contrôle recommandés sont utilisés.

Figure 2. Schéma fonctionnel d'un variateur de lumière intelligent. Les options de composants de sécurité et de contrôle recommandées pour les blocs de circuits sont indiquées dans la liste adjacente au schéma fonctionnel.

Circuit de protection d'entrée CA

Le bloc de circuit de protection d'entrée CA s'interface directement avec la ligne d'alimentation secteur CA et nécessite à la fois une protection contre les surintensités et les tensions transitoires. Les concepteurs doivent fusionner le bloc pour le protéger contre les surintensités causant des dommages aux blocs de circuit en aval. Nous recommandons un fusible à fusion lente dimensionné pour éviter les arrêts intempestifs dus aux courants d'appel tels que ceux provenant d'une alimentation à découpage. Le fusible doit avoir une tension nominale supérieure à la tension nominale de la ligne CA.

Un paramètre critique pour un fusible est son pouvoir de coupure. Assurez-vous que le fusible sélectionné ne fondra pas ou ne se vaporisera pas lors d'une surcharge importante. Estimez la capacité de courant maximale de la ligne électrique et sélectionnez un fusible avec un pouvoir de coupure qui dépasse votre estimation du courant potentiellement disponible. Les fusibles peuvent avoir des valeurs nominales d'interruption qui peuvent être de 10s à 100s de kiloampères (kA).

Pour protéger le circuit de protection d'entrée CA contre les transitoires sur la ligne CA, nous suggérons d'utiliser une varistance à oxyde métallique (MOV). Les MOV peuvent supporter la tension maximale d'un transitoire et peuvent absorber la surtension de courant due à la tension transitoire. Nous vous recommandons d'envisager un MOV qui absorbe jusqu'à 10 000 A d'impulsion de courant et 400 J d'énergie à partir d'un transitoire. Une bonne pratique de conception consiste à placer le MOV aussi près que possible de l'entrée de la carte de circuit imprimé pour empêcher les transitoires de se propager dans le circuit.

Du côté secondaire du circuit de protection d'entrée CA, utilisez une diode de suppression de tension transitoire (TVS) pour protéger les circuits secondaires en aval. Vous pouvez sélectionner une diode unidirectionnelle ou bidirectionnelle en fonction de la probabilité que le circuit puisse être soumis à des transitoires positifs et négatifs. Les diodes TVS répondent aux transitoires extrêmement rapidement, en moins de 1 ps. Ils peuvent absorber une puissance d'impulsion de crête de 1500 W et ont de faibles tensions de blocage pour protéger les circuits électroniques basse tension.

Circuit de commutation

Le circuit de commutation contrôle la sortie vers le luminaire. La réduction de la consommation électrique maximise l'efficacité du circuit et minimise l'accumulation de chaleur dans le gradateur. Nous vous recommandons d'utiliser un TRIAC (thyristor) avec un faible courant de maintien.

Les TRIAC sont disponibles avec des courants de maintien inférieurs à 10 mA. Ils peuvent également fonctionner en toute sécurité à des températures de jonction supérieures à 100 °C. Pour une amélioration supplémentaire de l'efficacité, envisagez les MOSFET pour contrôler la puissance du TRIAC. Sélectionnez des MOSFET de puissance avec de faibles résistances RDS(on) inférieures à 0,5 Ω et des temps de commutation rapides pour réduire les pertes de puissance pendant les transitions de l'appareil et la consommation d'énergie lorsque le MOSFET est dans son état allumé.

Vous pouvez simplifier la gestion du pilotage des MOSFET avec un pilote de grille à puce unique. Les puces de commande de grille peuvent contenir deux amplificateurs de commande pour contrôler les MOSFET de puissance côté haut et côté bas et maximiser leur vitesse de commutation. Sélectionnez un lecteur de grille avec une capacité de courant suffisante pour piloter les MOSFET. Enfin, protégez ce circuit des surtensions de ligne qui se sont propagées dans le circuit de commutation avec un MOV qui peut supporter des quantités similaires à celles du MOV recommandé pour le circuit de protection d'entrée CA.

Circuit de communication sans fil

Le circuit de communication sans fil communique avec un PC, une tablette ou un smartphone à l'aide d'un protocole LAN sans fil (Wi-Fi) pour le contrôle à distance du gradateur. Ce circuit s'interface avec l'environnement extérieur et est soumis aux décharges électrostatiques, principalement induites par l'utilisateur du gradateur intelligent.

Nous recommandons soit un réseau de diodes TVS bidirectionnel (illustré à la Figure 3), soit un dispositif de protection ESD en polymère pour protéger le circuit de communication sans fil.

Figure 3. Un réseau de diodes TVS bidirectionnel avec deux diodes dos à dos

Les deux appareils peuvent protéger les ports d'E/S avec un impact minimal sur les performances du circuit en raison de capacités inférieures à 1 pF. De plus, les deux composants ont un emballage à montage en surface pour économiser un espace limité sur la carte de circuit imprimé. De plus, ils consomment des courants de fuite inférieurs à 1 µA, ce qui réduit la charge électrique du circuit. De la plus grande importance, l'un ou l'autre appareil résistera à un choc ESD de ±12 kV conformément à la norme IEC 61000-4-2 ESD.

Commutateur local

L'interrupteur local permet à un utilisateur de contrôler manuellement la puissance de sortie du gradateur. Comme le circuit de communication sans fil, ce circuit s'interface avec l'environnement extérieur et a une forte probabilité d'être soumis à un impact ESD. Ce circuit a besoin des mêmes composants de protection que le circuit de communication sans fil. Encore une fois, sélectionnez soit un réseau de diodes, soit un dispositif de protection ESD en polymère.

Composants de protection et de contrôle pour une prise intelligente

La figure 4 illustre les blocs de circuits dans une prise intelligente et les composants recommandés qui assurent une protection et un contrôle efficace. Comme le gradateur intelligent, la prise intelligente possède des blocs d'entrée CA, un bloc d'alimentation de conversion CA-CC, un circuit de communication sans fil et un circuit de commande de commutateur manuel.

Figure 4. Schéma fonctionnel de la prise intelligente montrant où les composants de protection et de contrôle sont requis. Le tableau répertorie les options de composants recommandées.

Protection et rectification d'entrée CA

L'entrée CA et le circuit de protection se connectent à la ligne secteur CA et, comme le bloc de protection d'entrée CA du gradateur, sont soumis à d'importantes surintensités et à des surtensions transitoires élevées qui peuvent être induites et propagées sur la ligne électrique. L'entrée CA du circuit de prise intelligente nécessite donc un fusible, un MOV et une diode TVS avec des caractéristiques identiques à celles recommandées pour le circuit d'entrée du variateur de lumière.

Alimentation

Les considérations d'espace et d'efficacité dans une prise intelligente suggèrent qu'une alimentation à découpage soit utilisée pour générer la tension continue nécessaire aux circuits de commande. Nous recommandons de maximiser l'efficacité avec une conception à haute fréquence. Envisagez d'utiliser des diodes de redressement Schottky dans le circuit. Ces appareils ont de faibles chutes de tension directe qui sont généralement inférieures à 0,5 V, et ils peuvent fonctionner à des fréquences de commutation élevées, ce qui permet une conception compacte et peu encombrante fonctionnant à haute efficacité.

Communication sans fil et interrupteur marche/arrêt local

Comme le gradateur intelligent, la communication sans fil et les circuits d'interrupteurs marche/arrêt locaux sont exposés à l'environnement extérieur et sujets aux chocs ESD. Protégez ces circuits contre les décharges électrostatiques avec un réseau de diodes TVS ou un suppresseur de décharge électrostatique en polymère.

Protection du GFCI, des prises AFCI et des prises de courant USB

Les prises GFCI sont utilisées depuis les années 1970 pour protéger les individus des environnements humides. Le Code national de l'électricité et le Code canadien de l'électricité exigent des AFCI dans les nouvelles constructions d'installations résidentielles et de maisons depuis 2014 et 2015, respectivement. Le GFCI détecte lorsque le courant de charge délivré sur la ligne directe ne revient pas sur la ligne neutre.

Si le déséquilibre de courant dépasse un niveau de déclenchement prédéterminé, le GFCI coupe l'alimentation de la prise pour éviter un risque de choc électrique. L'AFCI détecte une condition d'arc et coupe l'alimentation de la prise pour éviter un incendie. La figure 5 montre les composants de protection et de contrôle recommandés pour un GFCI, un AFCI et une prise de courant avec un port de chargement USB.

Figure 5. Composants de protection et de contrôle recommandés pour les GFCI, les AFCI et les prises de charge USB.

La figure 6 montre les blocs de circuit dans un GFCI et un AFCI. Le GFCI a un circuit de détection de déséquilibre de courant tandis qu'un AFCI a un circuit de détection d'arc. Comme pour le gradateur intelligent et la prise intelligente, ces deux appareils se connectent à la ligne secteur et nécessitent une protection contre les surintensités et les tensions transitoires.

Figure 6. Schéma fonctionnel d'un GFCI ou d'un AFCI. Le tableau ci-contre répertorie les composants de protection et de contrôle recommandés.

Circuit de tir

Chacun de ces appareils a besoin d'un circuit pour contrôler le relais qui peut interrompre l'alimentation de la prise. C'est le circuit de tir. Nous vous recommandons d'envisager l'utilisation d'un SCR pour contrôler le relais électromécanique. Avec un SCR, vous pouvez concevoir un circuit de commande simple qui est à la fois efficace et compact. Le SCR est un composant robuste qui peut supporter des surtensions importantes pouvant atteindre 100 A et peut supporter plus de 600 V. SI la bobine du relais a une faible consommation d'énergie, vous pouvez utiliser une version à montage en surface du composant.

Prise USB

La prise USB offre la commodité d'alimenter ou de recharger un appareil portable avec un câble USB. L'utilisateur n'a pas besoin d'un bloc adaptateur d'alimentation USB puisque la prise fournit le courant de charge CC. La prise USB nécessite le même fusible et la même protection contre les tensions transitoires que les autres appareils intelligents qui s'interfacent avec les lignes secteur CA. La figure 7 illustre un schéma fonctionnel pour une prise de courant USB avec un port de chargement USB.

Figure 7. Schéma fonctionnel d'une prise USB. Les composants de protection et de contrôle recommandés sont indiqués dans la liste adjacente.

Le circuit de commutation dans la prise USB fournit la sortie CC pour la prise. Vous pouvez maximiser l'efficacité de ce circuit en utilisant une faible tension directe, des diodes Schottky et en utilisant une conception de commutateur haute fréquence. En outre, envisagez d'utiliser un MOSFET de puissance et un pilote de grille intégré pour améliorer encore l'efficacité des circuits de commande de puissance CC.

Conformité aux normes de sécurité

Étant donné que chacune de ces prises intelligentes se connecte à la ligne électrique CA, elles doivent être conformes aux normes de sécurité nationales et internationales applicables promulguées par Underwriters Laboratories (UL) et la Commission électrotechnique internationale (IEC). Les normes applicables aux différentes prises intelligentes sont présentées dans la figure 8 et décrites dans le tableau 1.

Figure 8. Les normes de sécurité et ESD applicables aux variateurs de lumière et aux prises de courant.

Tableau 1. Liste des normes et conformités nationales et internationales applicables pour les prises de courant

Nous recommandons que les exigences de ces normes soient incluses dans la définition du produit afin que les composants de protection puissent être conçus de manière rentable pendant le projet de conception. Sélectionnez les composants de protection reconnus UL qui se trouvent sur le chemin de la ligne d'alimentation CA. La combinaison de la conception et des tests basés sur les exigences standard et l'utilisation de composants reconnus UL à la fois réduit le temps de certification et évite les échecs de certification.

La valeur des composants de protection et de contrôle

Les progrès de la technologie IoT sont intégrés dans de nouveaux produits tels que les prises intelligentes qui offrent à la maison plus de sécurité, de contrôle de l'environnement et de commodité. Pour garantir l'adoption réussie de ces produits intelligents, ils doivent être robustes, fiables et sûrs. Les concepteurs peuvent garantir des produits robustes et sûrs en s'assurant que leurs conceptions disposent d'une protection contre les surintensités, d'une protection contre les surtensions et de composants de commande à faible consommation d'énergie.

Les concepteurs peuvent également économiser beaucoup de temps et d'efforts en tirant parti de l'expertise des fabricants de ces composants, tels que Littelfuse, qui peut aider les concepteurs à formuler des recommandations sur les configurations de circuits, la connaissance des normes de sécurité et la sélection des composants. Vos efforts se traduiront par un produit qui acquiert une réputation de fiabilité, de sécurité et de croissance des revenus.

Ressources supplémentaires

Pour plus d'informations sur les solutions de protection des circuits Littelfuse, reportez-vous aux documents suivants :

• Guide de sélection de la fuséologie
• Guide de sélection des produits de protection des circuits
• Guide de conception de suppression des décharges électrostatiques (ESD)

Ou contactez Littelfuse pour une assistance à la conception par des spécialistes des applications.

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