SSRs‏ ננעלים מפשטים תכני מיתוג מגעים של תרמוסטטים, HVAC‏, אבטחה ופאנלי התרעה

יישומים נפוצים כגון תרמוסטטים, מערכות HVAC, פאנלי התרעת אש, מערכות אבטחה, אוטומציה בבניינים ופקדים תעשייתיים דורשים אות פשוט כדי לבקר את זרימת הספק AC‏ או DC‏ במעגל סמוך מפוקח. בעוד שממסרים אלקטרומכניים (EMRs‏) תמכו באופן מסורתי ביישומים אלה, תכנים רבים דורשים יותר ויותר גורמי צורה קטנים יותר, אמינות גבוהה יותר לטווח ארוך, יכולות הגדרת תצורה ופונקציונליות גבוהות יותר, ורעש כולל נמוך יותר. ממסרי מצב-מוצק (SSRs‏) במארזי IC קטנים עונים על צרכים אלה.

מאמר זה בוחן את האתגרים של מיתוג הספק באמצעות ממסרים במגוון יישומים של שניים ושלושה חוטים. לאחר מכן, הוא מציג SSR ננעל של Littelfuse ומראה כיצד ניתן להשתמש בו כדי להתמודד עם אתגרים אלה.

נתחיל עם בעיה שנראית פשוטה

מתכננים מנוסים יודעים שלעתים קרובות הבעיה הבסיסית היא מבין הקשות ביותר לפתרון, בכל הנוגע לפתרון הטכני, מפרט החומרים (BOM), המקום על לוח המעגלים המודפסים (PCB‏), העלות וחוויית המשתמש. דוגמה טובה היא התאמת החיווט המותקן המשמש לסידור שני-חוטים קלאסי בבתים ובסביבות אחרות כדי להפעיל מערכת חימום. זה ידוע בשם "קריאה עבור חום" בתעשיית ה-HVAC.

מבחינה היסטורית, מערכות כגון חימום מבוקר-תרמוסטט היו פשוטות למדי בתכנון וביישום. תרמוסטט, כמו ה-T-86 הקלאסי (איור 1), פשוט סוגר מתג (מתכתי או מורטב-כספית) כאשר הטמפרטורה הנמדדת יורדת מתחת לנקודת ההגדרה. כעדות לאריכות חייו, עשרות מיליונים נמכרו מאז הוצג ב-1953, ורבים עדיין נמצאים בשימוש.

איור 1: מוצג תרמוסטט T-86 קלאסי בעל שני חוטים. (מקור התמונה: Cooper-Hewitt Museum‏)

סגירת מגע זו, הנקראת מגע "יבש", מאפשרת למתח נמוך יותר הנגזר מ-_AC‏V‏ 24‏ מקו ה-AC להפעיל את סליל ה-EMR, אשר לאחר מכן מפעיל את הדוד או מקור חום אחר. התרמוסטט הוא פסיבי לחלוטין, ואינו דורש או מספק הספק חשמלי. הממסר מספק גם בידוד גלווני בין חוג בקרת התרמוסטט של _AC‏V‏ 24‏ לבין קו ה-AC המזין את מערכת החימום. זה פשוט, אמין וקל לפתרון בעיות.

הסדר ארוך שנים זה השתנה עם הגעתם של תרמוסטטים הכוללים הגדרת נקודת התחלה דיגיטלית וקריאת טמפרטורה (איור 2, משמאל). אחריהם הגיעו עד מהרה תרמוסטטים חכמים עם הגדרות יום ושעה מבוקרות-משתמש, ולאחר מכן יחידות אינטרנט של הדברים (IoT) שהוסיפו חיבוריות ותחכום רב יותר (איור 2, מימין). המעבר מתרמוסטטים פסיביים לאקטיביים הציג דרישה חדשה ובלתי צפויה: מקור הספקת-הכוח. מכיוון שלתרמוסטט הפסיבי בסגנון הישן יש רק שני חוטים, אין דרך קלה לספק את ההספק הנדרש.

איור 2: חוג סגירת מתג קלאסי אינו יכול לספק הספק חשמלי לתרמוסטט דיגיטלי בסיסי (משמאל) או לגרסת IoT מחוברת (מימין), מה שמעלה שאלות לגבי אופן הזנת עומסים אלה. (מקורות התמונות: PRO1iaq, Ecobee)

בעיית הספקת-כוח זו אינה ייחודית לתרמוסטטים ומערכות HVAC של דורות-קודמים; היא מופיעה גם במערכות אבטחה, אוטומציה בבניינים, פקדים תעשייתיים, יישומי מדידות, ובכל מקום בו יש סגירת מתג פשוטה המציינת "הפעלה".

ישנם שני פתרונות הספקת-כוח לדילמה זו, לכל אחד מהם כמה חסרונות. אחת מהן היא להשתמש בסוללה ניתנת להחלפה בתרמוסטט, דבר שאינו נוח הן למגורים והן לתעשייה. השני הוא להעביר חוט חדש, שלישי, כדי לספק _AC‏V‏ 24‏ לתרמוסטט. חוט זה נקרא חוט "משותף" (C).

בסביבות רבות בעולם האמיתי, במיוחד בבתים, הוספת חוט חדש מהתרמוסטט למערכת החימום היא מאתגרת, הכוללת הנחת ופיתול חוטים, חיתוך חורים בקירות והתקנת מעצורי אש בחללים בקיר.

ה-SSR פותר את בעיית הסוללה וחוטי C

למרבה המזל, קיים פתרון. ה-CPC1601M‏ (איור 3) הוא SSR עם תכונות שנועדו להתמודד עם המגבלות של מערכת עם שני-חוטים.

איור 3: מוצג ממסר מצב-מוצק ננעל לא-מבודד ‎1-Form-A‏ CPC1601M‏ המוזן על ידי העומס. (מקור התמונה: Littelfuse‏)

ה-CPC1601M הוא ממסר מצב-מוצק ננעל לא-מבודד ‎1-Form-A‏ עם זרם פעולה נמוך המשולב בתוך מארז DFN‏ 3 מ"מ ×‏ 3 מ"מ זעיר עם שמונה מגעים. ה-IC‏ כולל כניסת SET המפעילה את הממסר; פין RESET שכאשר הוא מופעל מכבה את הממסר; וכניסת TOGGLE המפעילה ומכבה לסירוגין את הממסר.

תכונה חדשנית חשובה היא של-IC של ממסר CPC1601M יש שני אופני הספק, ועל ידי ניטור פין _cc‏HV‏ שלו הוא יכול להשיג את הספקת-הכוח הדרושה לו מהעומס במעגל-פתוח או מספק הכוח של המערכת.

אופן הפעולה מוזן-עומס מיושם על מקור AC, כגון שנאי עם מתח צד-שניוני של _AC‏V‏ 24‏. כאשר העומס מספק כוח, הממסר אינו צורך הספק מהספקת המערכת, ובכך מאריך את חיי הסוללה. הממסר נפתח מעת לעת, ומאפשר לו "לקצור" הספק ממתח העומס במעגל הפתוח. ברוב היישומים, הפסקה קצרה זו אינה משפיעה על פעולת המערכת. אין צורך בספק-כוח עזר באופן מוזן-עומס, לכן אין צורך במוליך C של התרמוסטט.

במערכת HVAC טיפוסית, התרמוסטט מפעיל קונטקטור (K1). הקונטקטור הוא בדרך כלל EMR עם זרם גבוה המבקר את עומס ה-HVAC. ממסר K1 מבוקר על ידי הפעלה וכיבוי של ממסר CPC1601M.

כאשר ה-CPC1601M נמצא במצב כבוי, מתח המעגל הפתוח המלא משנאי T1 מופיע על פני פיני יציאת העומס (RLY1 ו-RLY2). מתח AC זה מיושר על ידי דיודות DMOS פנימיות (D1 ו-D2) והדיודות החיצוניות (D3 ו-D4), היוצרות מיישר גל-מלא. היציאה המיושרת מועברת לאחר מכן לקבל מסנן (_FILT‏C‏ המשמש כקבל מאגר כאשר הוא פועל באופן מוזן-עומס.

ה-CPC1601M מוסיף תכונה נוספת הקשורה להספק: הוא מספק יציאת מתח להזנת יחידת המיקרו-בקר (MCU) והמעגלים החיצוניים הקשורים. יתר על כן, אם מתח יציאה זה נמצא בתחום פס המתח של המיקרו-בקר שבחר המשתמש, ייתכן שלא יידרש מייצב נפרד עם מפל-מתח נמוך (LDO‏). כדי להגן על יציאת המתג מפני טרנזיינטיים אחוריים בעת מיתוג עומס אינדוקטיבי, מצב אמיתי ביישומים אלה, ממקמים דיודת שיכוך מתחים טרזיינטיים (TVS‏) על פני RLY1 ו-RLY2‏.

באופן הזנת-מערכת (איור 4), הספקת-הכוח עבור ה-CPC1601M מגיעה מספק הכוח ולא מהעומס. ביישום תרמוסטט טיפוסי, מקור הספקת-הכוח הוא סוללה. צריכת ההספק הנמוכה ביותר של ה-CPC1601M הופכת אותו לבחירה מתאימה עבור יישומים שבהם הארכת חיי הסוללה היא קריטית.

איור 4: ניתן להגדיר את ה-CPC1601M גם להיות מוזן ממקור הספקת-הכוח של המערכת. (מקור התמונה: Littelfuse)

בסידור זה פין _OUT‏P‏/_CCIN‏V‏ של ה-CPC1601M‏ מחובר לסוללת המערכת בעוד שפין _CC‏HV‏ נותר פתוח. כאן, ה-CPC1601M פועל כממסר ננעל פשוט שניתן לבקר אותו באמצעות SET ו-RESET, או באופן TOGGLE.

מה לגבי הבידוד?

למרות שמעגלי CPC1601M הבסיסיים שהוצגו עד כה אינם כוללים בידוד גלווני, בידוד גלווני נדרש לעיתים כדי להבטיח פעולה תקינה של המערכת, כגון במערכות HVAC עם שני שנאים שבהן החזרות השנאים נפרדות ומבודדות זו מזו. ישנן דרכים רבות ליישם בידוד, לכל אחת מהן פשרות משלה.

קל וחסכוני ליישם בידוד עם ה-CPC1601M באמצעות צימוד קיבולי פשוט של אות אפנון רוחב פולס (PWM) (איור 5). מיקרו-בקר המערכת מייצר מספר מחזורים של אות PWM, אשר מצומד קיבולית דרך קבל בידוד (C1). אות PWM זה, בדרך כלל בתדר של 200 קילוהרץ (kHz) עם גל מרובע ויחס-מחזור של 50%, מסונן על ידי R2 ו-C2. פעולה זו מייצרת אות DC המפעיל את כניסת SET של ה-CPC1601M.

איור 5: ניתן ליישם בידוד גלווני על ידי הוספת קבל וכמה רכיבים פסיביים למעגל CPC1601M. (מקור התמונה: Littelfuse)

מבט למפרטים החשמליים העיקריים

בעוד שחשוב לספק פונקציונליות יעילה, התקן בר-קיימא חייב לספק גם את המתח, הזרם ודירוגים ותכונות אחרות הנדרשות על ידי המערכת. לשם כך, ה-CPC1601M כולל:

• הספקת-כוח עבור מתח הספק כניסה של מתחי הספקה של V‏ 3‏ עד V‏ 5.5‏
• זרם אופן-המתנה מוזן-מערכת של פחות מ-µA‏ 1‏
• התנגדות "מצב מופעל" טיפוסית נמוכה של 308 מיליאוהם (mΩ)
• כניסות לוגיקה תואמות TTL/CMOS
• מגעים דו-כיווניים RLY1 ו-RLY2 המחוברים לעומס הניתנים לשימוש עבור פעולת _שיאV‏ 60‏, AC‏ או DC‏
• מגעי RLY1 ו-RLY2 התומכים ביכולת עומס רצוף של A‏ 2‏, AC או DC
• פין הספק קצירת-עומס עבור הזנת מעגלים חיצוניים עד mW‏ 10‏
• זמן ההדלקה לאחר הפעלת פולס SET או TOGGLE הוא µs‏ 1‏ (מקסימום); זמן הכיבוי המשלים לאחר פולס RESET או TOGGLE גם הוא µs‏ 1‏ (מקסימום)
• הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) מופחתות עקב מיתוג בזרם אפס באופן מוזן-עומס
• פעולה שקטה, מכיוון שאין קליקים של ממסרים אלקטרו-מכניים (EMR‏)

סיכום

שדרוג סידורי סגירת מתג מגעים-יבשים, כגון אלה המשמשים בחוגי בקרת תרמוסטטים פסיביים, כך שהם יספקו כוח לתרמוסטטים אקטיביים דרך סוללה מקומית או חוט שלישי, בוא פשוט בעיקרון אך מאתגר בביצוע. SSR כגון ה-CPC1601M של Littelfuse‏ מטפל בבעיות ומעניק תכונות שימושיות נוספות המשפרות את ביצועי המערכת והעקביות.