Detecção de passagem por zero: aumente a eficiência e confiabilidade em chaveamentos AC

Detecção de passagem por zero

Neste texto vamos abordar como circuitos implementados para detectar o ponto de passagem por zero da linha AC podem reduzir as perdas de comutação e a corrente de inrush e, assim, aumentar eficiência e confiabilidade em chaveamentos AC em standby. Vamos apresentar algumas soluções utilizando a família LinkSwitch-TNZ da Power Integrations para o desenvolvimento de hardware.

Conhecendo os detalhes do problema e uma proposta de implementação confiável e de baixo custo

Otimizar a performance e o desempenho de dispositivos que ligam e desligam a rede alternada é uma consideração importante para uma variedade crescente de aplicações, incluindo automação residencial / predial, interruptores e plugues inteligentes, dimmers, sensores de ocupação, etc, especialmente em projetos que empregam relés ou triacs para controle de energia. Quando a alimentação AC é ligada ou desligada de forma assíncrona, sem considerar a tensão na qual o chaveamento ocorre, a eficiência e a confiabilidade são prejudicadas e circuitos de proteção passam a ser necessários para proteger a chave de altas correntes transitórias.

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Figura 1: Aplicação típica em automação residencial

Quando a alimentação AC é ligada de forma assíncrona, correntes de surto podem exceder 100 A. A exposição repetitiva a altas correntes de surto degrada a vida útil dos relés e triacs e a confiabilidade das soluções. A expectativa de vida dos contatos elétricos nos relés cai consideravelmente em razão da corrente de surto. Considerando os triacs, a degradação progressiva do gate também pode ocorrer no controle de cargas que apresentam baixa impedância inicial. Em ambos os casos, minimizar ou eliminar as correntes de surto contribui para uma maior expectativa de vida e maior confiabilidade.

Para relés, se o dispositivo for aberto (desligado) quando a onda senoidal da tensão de entrada estiver em um ponto alto do ciclo, um arco pode se desenvolver através dos contatos, o que irá corroer a superfície destes. Com chaves semincondutoras, as perdas de comutação podem ser reduzidas realizando-se o desligamento na passagem do sinal AC em zero. Isso também reduzirá o estresse do dispositivo, eliminando arcos e removendo a necessidade de circuitos de limitação de correntes inrush.

Um circuito discreto pode ser implementado para detectar o ponto de passagem por zero da linha AC para controlar as transições de ativação e desativação do dispositivo, reduzindo assim as perdas de comutação e a corrente de inrush. Essa abordagem funciona bem mas requer componentes extras, ocupa um valioso espaço da placa e ainda apresenta perdas, aumentando significativamente o consumo de energia em standby.

A solução ideal de detecção de passagem por zero

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Figura 2: Família LinkSwitch-TNZ

Para enfrentar esse desafio, a família LinkSwitch-TNZ da Power Integrations combina um MOSFET de 725 V, um controlador AC / DC e um detector de passagem por zero sem perdas (ZCD) em um único dispositivo. O uso da família LinkSwitch-TNZ resulta em fontes de alimentação AC / DC com alta eficiência, baixo consumo de energia em standby, contagem mínima de componentes e detecção de passagem por zero.

Forma

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Figura 3: Esquemático típico utilizando a família LinkSwitch-TNZ

O sub-circuito ZCD (Zero Crossing Detection) do CI LinkSwitch-TNZ produz um sinal de saída que é enviado ao microcontrolador e este controla o relé ou triac, garantindo que o dispositivo possa ser sempre ligado e desligado no ponto de passagem por zero. A lógica do sinal ZCD segue a linha AC e o sinal alterna a cada meio ciclo (Figura 3) no ponto de passagem por zero. Os dispositivos LinkSwitch-TNZ consomem menos de 5 mW para tal, qualificando-os como tendo consumo de energia zero. Isso significa uma grande vantagem em relação às soluções discretas que tipicamente consomem algo entre 50 e 90 mW.

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Figura 4: A lógica do sinal ZCD segue a linha AC e o sinal alterna a cada meio ciclo nas transições de tensão zero.

O LinkSwitch-TNZ em modo buck ou flyback chaveia a 66 kHz, o que reduz o tamanho e o custo dos magnéticos e capacitores de saída e permite, em uma implementação buck, o uso de indutores de baixo custo disponíveis no mercado. Um conjunto completo de recursos de segurança protege o dispositivo e o sistema contra sobretensão de entrada e saída, superaquecimento do dispositivo, perda de regulação e sobrecarga na saída da fonte de alimentação, além de falhas de curto-circuito.

Os CIs LinkSwitch-TNZ podem reduzir o consumo de energia em standby em até 60% e consumir menos de 100 μA, resultando em projetos que podem atender facilmente às regulamentações de consumo em todo o mundo. A lista de materiais (BOM) pode ser reduzida em mais de 40% usando esta família e os projetos ficam mais flexíveis do que com implementações discretas.

A família de dispositivos suporta topologias flyback, buck e buck-boost, e inclui dispositivos com e sem a função de descarga do capacitor X integrada. Quando usado como uma fonte de alimentação auxiliar em sistemas maiores, o recurso de descarga do capacitor X elimina resistores de purga permanentemente conectados na linha, reduzindo ainda mais o consumo de energia no modo de espera. Os dispositivos LinkSwitch-TNZ são adequados para todas as topologias comuns, com ou sem realimentação baseada em optoacoplador.

Conversores Buck não isolados

A Figura 4 mostra a corrente de saída típica para dispositivos LinkSwitch-TNZ em um conversor Buck não isolado, operando no limite da corrente padrão e com dissipação de calor adequados, no intervalo de 63 mA a 575 mA. Os modos de operação são principalmente o modo de condução descontínua (MDCM) e contínua (CCM).

Table

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Figura 5: Nos part numbers, x = 0 para dispositivos apenas com função de cruzamento de zero e x = 1 para dispositivos com funções de detecção de passagem por zero e descarga do capacitor X.

Seleção entre operação MDCM (condução descontínua) e CCM (condução contínua)

Ao escolher entre a operação MDCM e CCM, os projetistas devem escolher o dispositivo LinkSwitch-TNZ, o diodo de roda-livre e o indutor de saída que resultam no menor custo geral da solução, ao mesmo tempo que possam fornecer energia suficiente. Em geral, o MDCM oferece o conversor de menor custo e maior eficiência. Os projetos de CCM requerem um indutor maior e um diodo de roda-livre ultrarrápido (máximo tRR 35 ns) em todos os casos, mas por outro lado fornece mais potência de saída.

Conversores flyback isolados

A máxima potência de saída contínua na prática em um design flyback é mostrada na Figura 5.

Figura 6: Máxima potência contínua que o LinkSwitch-TNZ pode entregar em diferentes condições de linha.

Em designs flyback, o LinkSwitch-TNZ pode fornecer conversão de energia com mais de 80% de eficiência. Além disso, o uso do controle on/off permite um consumo de energia muito baixo em cargas leves e permite que mais funções – como tela, conectividade, sensores etc. – sejam ativadas durante o modo de espera do sistema.

Placas de avaliação para iniciar seus projetos

Para ajudar os projetistas a acelerar os projetos, a Power Integrations oferece uma gama de placas de avaliação para a família LinkSwitch-TNZ, incluindo conversores buck não isolados de 0,5 W e 2,5 W e projetos flyback isolados de 6 W e 10 W. Todos incluem a função Zero Crossing Detection (ZCD) e a placa de avaliação flyback de 10 W também inclui a capacidade de descarga do capacitor X. Exemplos de placas de avaliação disponíveis incluem:

  • 0,5 W, DER-874 – Conversor buck não isolado com saída de 6V, 80 mA; <200 μA de corrente de entrada em espera; <20 mW de potência de entrada sem carga
  • 2,5 W, RDK-866 – Conversor buck não isolado com saída de 5V, 500 mA; otimizado para baixo ruído audível <10 dB; <50 mW de potência de entrada sem carga
Tela de um aparelho eletrônico

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           Figura 7: RDK-866 – 2.5W – 5V, 500 mA
  • 6 W, RDK-877 – Conversor flyback isolado com saída de 12V, 0,5 A; <30 mW de potência de entrada sem carga; a eficiência do modo ativo atende DoE6 e EU CoC v5
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             Figura 8: RDK-877 – 6W – 12V, 500 mA
  • 10 W, DER-879 – Conversor flyback isolado com saídas de 12V, 0,75 A e 5V, 0,2 A; <30 mW de potência de entrada sem carga; atende a todos os padrões de eficiência energética existentes e propostos, incluindo ErP; inclui função de descarga do capacitor X

Cada uma dessas placas de avaliação tem uma faixa de entrada de 90 a 305 Vac e atende aos limites de EMI conduzidos EN55022 e CISPR-22 Classe B.

Conclusão

Ligar e desligar a alimentação AC com eficiência é uma consideração importante em uma gama crescente de aplicações, especialmente em projetos que empregam um relé ou triac para controle de energia. A exposição repetitiva a altas tensões causadas por chaveamento não sincronizado tem um impacto negativo na confiabilidade e na vida útil destes componentes. Em ambos os casos, a detecção de passagem por zero da linha AC pode ser usada para controlar as transições on/off do dispositivo para reduzir tensões operacionais e contribuir para uma expectativa de vida mais longa e maior confiabilidade.

Os projetistas podem selecionar o conversor LinkSwitch-TNZ da Power Integrations para melhorar a confiabilidade e reduzir o consumo de energia em standby em até 60% em aplicações com detecção de passagem por zero e funções de descarga do capacitor X integradas. O uso do LinkSwitch-TNZ pode atender à necessidade de fontes de alimentação AC / CC de 0,5 W a 18 W com excelente eficiência em carga leve, baixo consumo de energia em standby, contagem mínima de componentes e detecção de passagem por zero do sinal AC.

Este texto foi originalmente escrito por Adnaan Lokhandwala, Product Marketing Manager, Power Integrations.

Em caso de quaisquer dúvidas sobre as placas de avaliação ou itens da Power Integrations, você pode obter  suporte local através da BP&M.

(*) este post foi patrocinado pela Power Integrations.

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