Gli SSR bistabili semplificano i progetti con interruttori a contatto per termostati, HVAC, sicurezza e pannelli di allarmi antincendio

Applicazioni comuni come termostati, impianti HVAC, pannelli di allarme antincendio, sistemi di sicurezza, automazione degli edifici e controlli industriali richiedono un semplice segnale per controllare il flusso di corrente c.a. o c.c. in un circuito adiacente supervisionato. Sebbene i relè elettromeccanici (EMR) abbiano tradizionalmente supportato queste applicazioni, sempre più progetti richiedono fattori di forma più compatti, maggiore affidabilità a lungo termine, maggiore configurabilità e funzionalità e minore rumore complessivo. I relè a stato solido (SSR) in piccoli contenitori CI rispondono a queste esigenze.

Questo articolo esplora le sfide della commutazione di potenza mediante relè in una serie di applicazioni a due e tre fili. Presenta quindi un SSR bistabile di Littelfuse e mostra come questo componente possa essere utilizzato per affrontare queste sfide.

Iniziare con un problema apparentemente semplice

I progettisti più esperti sanno che spesso il problema di base è tra i più difficili da risolvere per quanto riguarda la soluzione tecnica, la distinta base, lo spazio sulla scheda a circuiti stampati, il costo e l'esperienza dell'utente. Un esempio di queste sfide è l'adattamento del cablaggio installato nella classica disposizione a due fili nelle abitazioni e in altri ambienti, al fine di attivare un impianto di riscaldamento.

I sistemi di riscaldamento controllati da termostato da sempre sono piuttosto semplici nella progettazione e nell'implementazione. Un termostato, come il classico T-86 (Figura 1), chiude semplicemente un interruttore (metallico o al mercurio) quando la temperatura rilevata scende al di sotto del setpoint. Si tratta di un componente di grande successo, come testimoniano le decine di milioni di unità vendute dalla sua introduzione nel 1953, molte delle quali ancora in uso.

Figura 1: Un classico termostato T-86 a due fili. (Immagine per gentile concessione del Museo Cooper-Hewitt)

Questa chiusura del contatto, detta "a secco", consente con 24 V_c.a. scalati dalla linea c.a. di eccitare la bobina di un relè elettromeccanico (EMR), che attiva la caldaia o un'altra fonte di calore. Il termostato è totalmente passivo e non richiede né fornisce energia. Il relè fornisce anche l'isolamento galvanico tra l'anello di controllo del termostato a 24 V_c.a. e la linea c.a. che alimenta l'impianto di riscaldamento. È semplice e affidabile e gli eventuali malfunzionamenti sono facili da diagnosticare.

Questa configurazione consolidata è cambiata con l'arrivo dei termostati con impostazione digitale del setpoint e visualizzazione della temperatura (Figura 2, a sinistra). A questi sono presto seguiti i termostati intelligenti con impostazioni di giorno e ora controllabili dall'utente e poi le unità di Internet delle cose (IoT) che hanno aggiunto connettività e maggiore sofisticazione (Figura 2, a destra). Il passaggio dai termostati passivi a quelli attivi ha introdotto un nuovo requisito imprevisto: una fonte di alimentazione. Essendo dotato di soli due fili, non esiste un modo semplice per alimentare il termostato passivo di vecchio tipo.

Figura 2: L'anello di chiusura dell'interruttore classico non è in grado di fornire energia a un termostato digitale di base (a sinistra) o a una versione IoT connessa (a destra), il che solleva il problema di come alimentare questi carichi. (Immagini per gentile concessione di PRO1iaq, Ecobee)

Questo problema di alimentazione non riguarda solo i termostati e gli impianti HVAC tradizionali, ma si presenta anche nei sistemi di sicurezza, nell'automazione degli edifici, nei controlli industriali, nelle applicazioni di misurazione e ovunque sia presente un semplice interruttore con indicazione di attivazione.

Per fornire l'alimentazione esistono due soluzioni, ciascuna delle quali presenta degli svantaggi: una è utilizzare una batteria sostituibile nel termostato, soluzione scomoda sia per gli ambienti residenziali che per quelli industriali; l'altra consiste nel far passare un terzo filo per fornire l'alimentazione a 24 V_c.a. al termostato. Questo filo è chiamato filo "comune" (C).

In molti contesti reali, soprattutto nelle abitazioni, l'aggiunta di un nuovo filo dal termostato all'impianto di riscaldamento è un'operazione complessa, che comporta la posa dei cavi, l'esecuzione di fori nelle pareti e l'installazione di tagliafuoco nelle cavità delle pareti.

L'SSR risolve il dilemma della batteria e del cavo C

Fortunatamente è disponibile una soluzione. Il dispositivo CPC1601M (Figura 3) è un SSR con caratteristiche progettate per risolvere i limiti del sistema a due fili.

Figura 3: Il relè a stato solido bistabile 1 Form A non isolato CPC1601M alimentato dal carico. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

CPC1601M è un relè a stato solido bistabile 1 Form A non isolato con bassa corrente di funzionamento integrato in un contenitore DFN miniaturizzato di 3 × 3 mm con otto contatti. Il circuito integrato comprende un ingresso SET che attiva il relè; un pin RESET che, se riceve un impulso, disattiva il relè; e un ingresso TOGGLE che attiva e disattiva alternativamente il relè.

Un'importante caratteristica innovativa è che il CI relè CPC1601M dispone di due modalità di alimentazione e, monitorando il suo pin di ingresso HV_cc, può ottenere la potenza di lavoro necessaria sia dal carico a circuito aperto sia dall'alimentazione del sistema.

La modalità di funzionamento con alimentazione dal carico si applica a una sorgente c.a., come un trasformatore con una tensione sul lato secondario di 24 V_c.a.. Quando il carico fornisce energia, il relè non assorbe energia dall'alimentazione del sistema, prolungando così la durata della batteria. Il relè si apre periodicamente, per "raccogliere" energia dalla tensione di carico a circuito aperto. Nella maggior parte delle applicazioni, questa breve interruzione non influisce sul funzionamento del sistema. In modalità alimentata dal carico non è necessaria alcuna alimentazione ausiliaria, quindi non è necessario un conduttore C per il termostato.

In un tipico impianto HVAC, un termostato pilota un relè a contattore (K1). Il contattore è solitamente un EMR ad alta corrente che controlla il carico HVAC. Il relè K1 viene controllato attivando e disattivando il relè CPC1601M.

Quando CPC1601M è in modalità OFF, la tensione a circuito aperto del trasformatore T1 appare sui pin di uscita del carico (RLY1 e RLY2). Questa tensione c.a. viene raddrizzata dai body diode DMOS interni (D1 e D2) e dai diodi esterni (D3 e D4), formando un raddrizzatore a onda intera. L'uscita raddrizzata viene quindi passata al condensatore di filtro (C_FILT), che funge da condensatore serbatoio quando funziona in modalità alimentata dal carico.

CPC1601M aggiunge un'altra caratteristica relativa all'alimentazione: fornisce un'uscita di tensione per alimentare l'unità microcontroller (MCU) associata e i circuiti esterni. Inoltre, se questa tensione di uscita rientra nell'intervallo del rail di tensione dell'MCU scelto dall'utente, potrebbe non essere necessario un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) separato. Per proteggere l'uscita del commutatore dai transitori inversi durante la commutazione di un carico induttivo, una situazione reale in queste applicazioni, tra RLY1 e RLY2 viene collocato un diodo soppressore di tensioni transitorie (TVS).

In modalità di funzionamento alimentata dal sistema (Figura 4), l'alimentazione per CPC1601M proviene dall'alimentatore e non dal carico. In una tipica applicazione con termostato, la fonte di alimentazione è una batteria. Il consumo di energia estremamente basso di CPC1601M lo rende una scelta appropriata per le applicazioni in cui è fondamentale prolungare la durata della batteria.

Figura 4: CPC1601M può anche essere configurato per funzionare dalla fonte di alimentazione del sistema. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

In questa configurazione, il pin V_CCIN/P_OUT di CPC1601M è collegato alla batteria del sistema, mentre il pin HV_CC viene lasciato aperto. In questo caso, CPC1601M agisce come un semplice relè bistabile che può essere controllato utilizzando SET e RESET o in modalità TOGGLE.

E l'isolamento?

Sebbene i circuiti di base di CPC1601M illustrati finora non includano l'isolamento galvanico, quest'ultimo è talvolta necessario per garantire il corretto funzionamento del sistema, ad esempio negli impianti HVAC a doppio trasformatore, in cui i ritorni dei trasformatori sono separati e isolati l'uno dall'altro. Esistono molti modi per implementare l'isolamento, ognuno con i propri vantaggi e svantaggi.

È facile ed economico implementare l'isolamento con CPC1601M utilizzando un semplice accoppiamento capacitivo di un segnale a modulazione della larghezza di impulso (PWM) (Figura 5). L'MCU del sistema genera più cicli di un segnale PWM, che viene accoppiato in modo capacitivo attraverso un condensatore di isolamento (C1). Questo segnale PWM, tipicamente a 200 kHz con un'onda quadra in modalità ciclo di lavoro 50%, viene filtrato da R2 e C2. Questo genera un segnale c.c. che attiva l'ingresso SET di CPC1601M.

Figura 5: L'isolamento galvanico può essere implementato aggiungendo al circuito di CPC1601M un condensatore e alcuni componenti passivi. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Uno sguardo alle principali specifiche elettriche

Sebbene sia importante fornire una funzionalità efficiente, un dispositivo valido deve anche fornire la tensione, la corrente e altri valori nominali e attributi richiesti dal sistema. A tal fine, CPC1601M offre:

• Tensione di alimentazione in ingresso da 3 V a 5,5 V
• Corrente di standby alimentata dal sistema inferiore a 1 µA
• Bassa resistenza nello stato On tipica di 308 mΩ
• Ingressi logici compatibili TTL/CMOS
• Contatti RLY1 e RLY2 bidirezionali, collegati al carico, utilizzabili per il funzionamento c.a. o c.c. a 60 V_picco
• Contatti RLY1 e RLY2 che supportano una capacità di carico continuo di 2 A, c.a. o c.c.
• Un pin di alimentazione per l'harvesting del carico per alimentare circuiti esterni fino a 10 mW
• Il tempo di accensione dopo l'applicazione dell'impulso SET o TOGGLE è di 1 µs (max); il tempo di spegnimento complementare dopo l'impulso RESET o TOGGLE è anch'esso di 1 µs (max)
• Riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) grazie alla commutazione a corrente zero in modalità alimentata dal carico
• Funzionamento silenzioso, in quanto non c'è il "clic" dell'intervento dell'EMR

Conclusione

L'aggiornamento dei dispositivi di chiusura degli interruttori a contatto secco, come quelli utilizzati nei tradizionali anelli di controllo dei termostati passivi, per fornire ora l'alimentazione ai termostati attivi tramite una batteria locale o un terzo filo, è semplice nel concetto ma impegnativo nella pratica. Un SSR come CPC1601M di Littelfuse risolve questi problemi e fornisce altre utili funzioni che migliorano le prestazioni e la coerenza del sistema.