Merancang Keamanan dan Keandalan ke dalam Stopkontak Cerdas untuk Rumah Pintar
Artikel ini memberikan rekomendasi kepada desainer untuk perlindungan dan komponen kontrol daya rendah untuk desain stopkontak yang mencegah beban berlebih dari merusak sirkuit sensitif dan memaksimalkan efisiensi perangkat.
Kemajuan dalam komunikasi nirkabel, internet, dan sirkuit elektronik telah memungkinkan pengembangan perangkat cerdas. Menggunakan teknologi Internet of Things (IoT), perangkat non-cerdas berkembang menjadi perangkat pintar. Perangkat pintar yang menyediakan kontrol daya, keamanan, kontrol lingkungan, dan hiburan menjadi umum di rumah. Contoh perangkat kontrol daya non-cerdas yang kini memiliki versi cerdas termasuk peredup lampu, stopkontak, dan pemutus sirkuit gangguan tanah (GFCI)/pengganggu sirkuit gangguan busur (AFCI).
Sementara perangkat non-cerdas hanya dapat dikontrol secara manual atau selalu diberi daya, perangkat pintar memiliki elektronik dan firmware yang memungkinkan kontrol otomatis dan umpan balik status. Perangkat pintar, konstituen dari domain IoT, merespons kontrol dari komputer pribadi, tablet, smartphone, atau asisten virtual. Produk ini mengakses perangkat pintar menggunakan protokol komunikasi nirkabel seperti seluler, Wi-Fi, atau Bluetooth.
Merancang untuk Keamanan dan Keandalan
Tantangan bagi desainer adalah untuk memastikan bahwa perangkat pintar baru ini aman dan kuat sehingga konsumen dapat memiliki keandalan yang tinggi tanpa risiko gangguan dalam layanan. Oleh karena itu, perangkat memerlukan proteksi tegangan lebih dan proteksi arus lebih untuk mempertahankan operasi bahkan ketika mengalami berbagai bahaya lingkungan seperti surja petir, surja daya induksi, pelepasan muatan listrik statis (ESD), dan transien cepat listrik. Artikel ini memberikan rekomendasi kepada desainer untuk perlindungan dan komponen kontrol daya rendah yang mencegah kelebihan beban dari merusak sirkuit sensitif dan memaksimalkan efisiensi perangkat.
Melindungi Peredup Cahaya Cerdas dan Stopkontak
Peredup lampu dan stopkontak terhubung ke saluran listrik AC dan tunduk pada kondisi arus lebih dan tegangan lebih transien yang dapat terjadi pada saluran AC. Transien seperti sambaran petir, variasi tegangan saluran listrik karena lonjakan beban, transien induktif dari menghidupkan atau mematikan motor, dan pelepasan muatan listrik statis (ESD) dapat merusak sirkuit elektronik yang mengontrol peredup pintar dan stopkontak listrik pintar.
Gambar 1 menunjukkan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan untuk melindungi sirkuit elektronik dan mengontrol peredup lampu dan stopkontak listrik secara efisien.
Gambar 1. Komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan untuk peredup lampu pintar dan stopkontak listrik pintar.
Komponen Perlindungan dan Kontrol untuk Peredup Cahaya Cerdas
Peredup cahaya adalah item umum untuk mengontrol penerangan lampu di rumah. Peredup pintar memungkinkan kendali jarak jauh yang tepat atau kendali waktu dari perlengkapan lampu atau satu set lampu. Gambar 2 menunjukkan diagram blok sakelar dimmer elektronik dan menunjukkan blok sirkuit khusus di mana komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan digunakan.
Gambar 2. Diagram blok dari peredup cahaya pintar. Opsi komponen keselamatan dan kontrol yang direkomendasikan untuk blok sirkuit ditampilkan dalam daftar yang berdekatan dengan diagram blok.
Sirkuit Proteksi Input AC
Blok sirkuit perlindungan input AC berinteraksi langsung dengan saluran listrik utama AC dan memerlukan perlindungan arus lebih dan tegangan transien. Perancang harus menggabungkan blok untuk melindungi dari arus lebih yang menyebabkan kerusakan pada blok sirkuit hilir. Kami merekomendasikan ukuran sekering pukulan lambat untuk menghindari gangguan shutdown karena arus masuk seperti dari catu daya switching. Sekering harus memiliki peringkat tegangan yang melebihi tegangan saluran AC nominal.
Parameter penting untuk sekering adalah peringkat interupsinya. Pastikan sekering yang dipilih tidak akan meleleh atau menguap selama kelebihan beban yang besar. Perkirakan kapasitas arus maksimum saluran listrik dan pilih sekering dengan peringkat interupsi yang melebihi perkiraan Anda tentang potensi arus yang tersedia. Sekering dapat memiliki peringkat interupsi yang bisa 10 detik dari 100 kiloamps (kA).
Untuk melindungi rangkaian proteksi input AC terhadap transien pada saluran AC, kami sarankan menggunakan varistor oksida logam (MOV). MOV dapat menahan tegangan maksimum dari transien dan dapat menyerap lonjakan arus karena tegangan transien. Kami menyarankan Anda mempertimbangkan MOV yang menyerap sebanyak 10.000 A pulsa arus dan 400 J energi dari transien. Praktik desain yang baik adalah menempatkan MOV sedekat mungkin dengan input papan pc untuk mencegah transien menyebar ke sirkuit.
Di sisi sekunder sirkuit proteksi input AC, gunakan dioda penekan tegangan transien (TVS) untuk melindungi sirkuit sekunder hilir. Anda dapat memilih dioda satu arah atau dua arah tergantung pada kemungkinan bahwa rangkaian dapat mengalami transien positif dan negatif. Dioda TVS merespon transien dengan sangat cepat, di bawah 1 ps. Mereka dapat menyerap daya pulsa puncak 1500 W dan memiliki tegangan penjepit rendah untuk melindungi sirkuit elektronik tegangan rendah.
Switch Sirkuit
Sirkuit sakelar mengontrol output ke lampu. Meminimalkan konsumsi daya memaksimalkan efisiensi sirkuit dan meminimalkan penumpukan panas di peredup. Sebaiknya gunakan TRIAC (thyristor) dengan arus penahan rendah.
TRIAC tersedia dengan arus penahan di bawah 10 mA. Mereka juga dapat beroperasi dengan aman pada suhu persimpangan lebih dari 100 °C. Untuk peningkatan efisiensi lebih lanjut, pertimbangkan MOSFET untuk mengontrol daya ke TRIAC. Pilih MOSFET daya dengan resistansi RDS(on) rendah di bawah 0,5 dan waktu peralihan yang cepat untuk mengurangi kehilangan daya selama transisi perangkat dan konsumsi daya saat MOSFET dalam keadaan aktif.
Anda dapat menyederhanakan pengelolaan mengemudi MOSFET dengan driver gerbang chip tunggal. Chip driver gerbang dapat berisi dua amplifier drive untuk mengontrol MOSFET daya sisi tinggi dan sisi rendah dan memaksimalkan kecepatan peralihannya. Pilih drive gerbang dengan kapasitas arus yang cukup untuk menggerakkan MOSFET. Terakhir, lindungi sirkuit ini dari lonjakan tegangan saluran yang telah merambat ke sirkuit sakelar dengan MOV yang dapat menahan jumlah yang sama dengan MOV yang direkomendasikan untuk sirkuit proteksi input AC.
Sirkuit Komunikasi Nirkabel
Sirkuit komunikasi nirkabel berkomunikasi dengan PC, komputer tablet, atau smartphone menggunakan protokol LAN nirkabel (Wi-Fi) untuk remote control peredup. Sirkuit ini berinteraksi dengan lingkungan eksternal dan tunduk pada ESD, terutama yang disebabkan oleh pengguna peredup pintar.
Kami merekomendasikan array dioda TVS dua arah (ditunjukkan pada Gambar 3) atau perangkat perlindungan ESD polimer untuk melindungi sirkuit komunikasi nirkabel.
Gambar 3. Array dioda TVS dua arah dengan dua dioda saling membelakangi
Kedua perangkat dapat melindungi port I/O dengan dampak minimal pada kinerja sirkuit karena kapasitansi di bawah 1 pF. Selain itu, kedua komponen memiliki kemasan pemasangan di permukaan untuk menghemat ruang papan pc yang terbatas. Selain itu, mereka menarik arus bocor di bawah 1 A yang mengurangi beban daya rangkaian. Yang terpenting, kedua perangkat akan tahan terhadap serangan ESD ±12 kV sesuai dengan standar IEC 61000-4-2 ESD.
Pengalih Lokal
Sakelar lokal memungkinkan pengguna untuk mengontrol daya keluaran peredup secara manual. Seperti sirkuit komunikasi nirkabel, sirkuit ini berinteraksi dengan lingkungan eksternal dan memiliki kemungkinan besar terkena serangan ESD. Sirkuit ini membutuhkan komponen perlindungan yang sama dengan sirkuit komunikasi nirkabel. Sekali lagi, pilih salah satu array dioda atau perangkat perlindungan ESD polimer.
Komponen Perlindungan dan Kontrol untuk Smart Outlet
Gambar 4 mengilustrasikan blok sirkuit di stopkontak cerdas dan komponen yang direkomendasikan yang memberikan perlindungan dan kontrol yang efisien. Seperti sakelar peredup pintar, stopkontak pintar memiliki blok input AC, blok suplai konversi AC-DC, sirkuit komunikasi nirkabel, dan sirkuit kontrol sakelar manual.
Gambar 4. Diagram blok outlet pintar menunjukkan di mana komponen perlindungan dan kontrol diperlukan. Tabel mencantumkan opsi komponen yang direkomendasikan.
Perlindungan dan Perbaikan Input AC
Input AC dan sirkuit perlindungan terhubung ke saluran listrik AC dan, seperti blok perlindungan input AC sakelar dimmer, tunduk pada lonjakan arus lebih yang besar dan transien tegangan lebih tinggi yang dapat diinduksi dan disebarkan pada saluran listrik. Oleh karena itu, input AC rangkaian stopkontak pintar memerlukan sekering, MOV, dan dioda TVS dengan karakteristik yang identik dengan yang direkomendasikan untuk rangkaian input peredup cahaya.
Supply Listrik
Pertimbangan ruang dan efisiensi di stopkontak cerdas menyarankan bahwa catu daya switching digunakan untuk menghasilkan tegangan DC yang diperlukan untuk sirkuit kontrol. Kami merekomendasikan untuk memaksimalkan efisiensi dengan desain frekuensi tinggi. Pertimbangkan untuk menggunakan dioda penyearah Schottky di sirkuit. Perangkat ini memiliki penurunan tegangan maju rendah yang biasanya di bawah 0,5 V, dan dapat beroperasi pada frekuensi peralihan tinggi yang memungkinkan desain kecil yang hemat tempat beroperasi dengan efisiensi tinggi.
Komunikasi Nirkabel dan Saklar On/Off Lokal
Seperti sakelar peredup pintar, komunikasi nirkabel dan sirkuit sakelar hidup/mati lokal terpapar ke lingkungan eksternal dan terkena serangan ESD. Lindungi sirkuit tersebut dari ESD dengan array dioda TVS atau penekan ESD polimer.
Melindungi GFCI, outlet AFCI, dan Stopkontak USB
Gerai GFCI telah digunakan sejak tahun 1970-an untuk melindungi individu dari lingkungan yang lembab. Kode Listrik Nasional dan Kode Kelistrikan Kanada telah mewajibkan AFCI dalam konstruksi baru fasilitas perumahan dan rumah masing-masing sejak 2014 dan 2015. GFCI merasakan ketika arus beban yang dikirimkan pada saluran panas tidak kembali ke saluran netral.
Jika ketidakseimbangan arus melebihi tingkat perjalanan yang telah ditentukan sebelumnya, GFCI menghilangkan daya dari stopkontak untuk mencegah bahaya sengatan listrik. AFCI mendeteksi kondisi busur dan melepaskan daya dari stopkontak untuk mencegah kebakaran. Gambar 5 menunjukkan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan untuk GFCI, AFCI, dan stopkontak dengan port pengisian daya USB.
Gambar 5. Komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan untuk GFCI, AFCI, dan outlet pengisian daya USB.
Gambar 6 menunjukkan blok sirkuit dalam GFCI dan AFCI. GFCI memiliki sirkuit deteksi ketidakseimbangan arus sementara AFCI memiliki sirkuit deteksi busur. Seperti halnya peredup cerdas dan stopkontak cerdas, kedua perangkat ini terhubung ke saluran listrik AC dan memerlukan perlindungan arus lebih dan tegangan transien.
Gambar 6. Blok diagram dari GFCI atau AFCI. Tabel di sebelahnya mencantumkan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan.
Sirkuit Penembakan
Masing-masing perangkat ini membutuhkan rangkaian untuk mengontrol relai yang dapat mengganggu daya outlet. Itu adalah sirkuit penembakan. Kami menyarankan Anda mempertimbangkan untuk menggunakan SCR untuk mengontrol relai elektromekanis. Dengan SCR, Anda dapat merancang rangkaian kontrol sederhana yang efisien dan ringkas. SCR adalah komponen kuat yang dapat menahan lonjakan arus substansial setinggi 100 A dan dapat mendukung lebih dari 600 V. JIKA koil relai memiliki penarikan daya yang rendah, maka Anda dapat menggunakan versi komponen pemasangan permukaan.
Outlet USB
Outlet USB menawarkan kenyamanan untuk menyalakan atau mengisi ulang perangkat portabel dengan kabel USB. Pengguna tidak memerlukan blok adaptor daya USB karena stopkontak menyediakan arus pengisian DC. Stopkontak USB memerlukan perlindungan tegangan sekering dan transien yang sama seperti perangkat cerdas lainnya yang berinteraksi dengan saluran listrik AC. Gambar 7 mengilustrasikan diagram blok untuk stopkontak USB dengan port pengisian daya USB.
Gambar 7. Blok diagram outlet USB. Komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan ditampilkan dalam daftar yang berdekatan.
Sirkuit sakelar di stopkontak USB menyediakan output DC untuk stopkontak. Anda dapat memaksimalkan efisiensi rangkaian ini dengan menggunakan tegangan maju rendah, dioda Schottky, dan dengan menggunakan desain pengalih frekuensi tinggi. Selain itu, pertimbangkan untuk menggunakan MOSFET daya dan driver gerbang terintegrasi untuk lebih meningkatkan efisiensi sirkuit kontrol daya DC.
Kepatuhan dengan Standar Keselamatan
Karena masing-masing outlet pintar ini terhubung ke saluran listrik AC, mereka harus mematuhi standar keselamatan nasional dan internasional yang berlaku yang diumumkan oleh Underwriters Laboratories (UL) dan International Electrotechnical Commission (IEC). Standar yang berlaku untuk berbagai outlet pintar ditunjukkan pada Gambar 8 dan dijelaskan pada Tabel 1.
Gambar 8. Standar keselamatan dan ESD yang berlaku untuk peredup lampu dan stopkontak.
Tabel 1. Daftar Standar dan Kepatuhan Nasional dan Internasional yang Berlaku untuk Stopkontak
Kami merekomendasikan bahwa persyaratan untuk standar ini dimasukkan dalam definisi produk sehingga komponen perlindungan dapat dirancang secara hemat biaya selama proyek desain. Pilih komponen perlindungan yang dikenali UL yang berada di jalur saluran listrik AC. Kombinasi perancangan dan pengujian berdasarkan persyaratan standar dan penggunaan komponen yang diakui UL, keduanya mengurangi waktu sertifikasi dan menghindari kegagalan sertifikasi.
Nilai Komponen Perlindungan dan Kontrol
Kemajuan dalam teknologi IoT tergabung dalam produk-produk baru seperti smart outlets yang memberikan keamanan lebih, kontrol lingkungan, dan kenyamanan bagi rumah. Untuk memastikan keberhasilan adopsi produk cerdas ini, mereka harus kuat, andal, dan aman. Desainer dapat memastikan produk yang kuat dan aman dengan memastikan desain mereka memiliki perlindungan arus berlebih, perlindungan tegangan berlebih, dan komponen kontrol yang mengonsumsi daya rendah.
Perancang juga dapat menghemat waktu dan upaya yang signifikan dengan memanfaatkan keahlian aplikasi dari produsen komponen ini seperti Littelfuse yang dapat membantu perancang dengan rekomendasi tentang konfigurasi sirkuit, pengetahuan tentang standar keselamatan, dan pemilihan komponen. Upaya Anda akan menghasilkan produk yang mendapatkan reputasi keandalan, keamanan, dan pertumbuhan pendapatan.
Sumber Daya Tambahan
Untuk informasi lebih lanjut tentang solusi perlindungan sirkuit Littelfuse, lihat dokumen berikut:
- Panduan Pemilihan Fuseologi
- Panduan Pemilihan Produk Perlindungan Sirkuit
- Panduan Desain Penekan Muatan Listrik Statis (ESD)
Atau hubungi Littelfuse untuk bantuan desain dari spesialis aplikasi.
Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah milik mitra dan belum tentu milik All About Circuits atau penulisnya.
