Los SSR con enclavamiento simplifican los diseños de conmutación de contactos de termostatos, HVAC, seguridad y paneles de alarma

Aplicaciones comunes como termostatos, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), paneles de alarma contra incendios, sistemas de seguridad, automatización de edificios y controles industriales requieren una señal sencilla para controlar el flujo de corriente alterna o continua en un circuito adyacente supervisado. Aunque los relés electromecánicos (EMR) han soportado tradicionalmente estas aplicaciones, muchos diseños requieren cada vez más factores de forma más pequeños, mayor fiabilidad a largo plazo, mayor configurabilidad y funcionalidad, y menor ruido general. Los relés de estado sólido (SSR) en pequeños paquetes de CI responden a estas necesidades.

Este artículo explora los retos de la conmutación de potencia mediante relés en una serie de aplicaciones de dos y tres hilos. A continuación, presenta un SSR de enclavamiento de Littelfuse y muestra cómo puede utilizarse para hacer frente a estos retos.

Empiece con un problema que parezca sencillo

Los diseñadores experimentados saben que suele ser el problema básico que se encuentra entre los más difíciles de resolver con respecto a la solución técnica, la lista de materiales (BOM), el espacio de la placa de circuito impreso (placa CI), el costo y la experiencia del usuario. Un buen ejemplo es la adaptación del cableado instalado utilizado para la clásica disposición de dos hilos en viviendas y otros entornos para activar un sistema de calefacción. Esto se conoce como "llamada de calor" en la industria de la climatización.

Históricamente, sistemas como la calefacción controlada por termostato han sido bastante sencillos en su diseño e implementación. Un termostato, como el clásico T-86 (figura 1), se limita a cerrar un interruptor (metálico o humedecido con mercurio) cuando la temperatura detectada cae por debajo del valor nominal. Como testimonio de su longevidad, se han vendido decenas de millones desde que se introdujo en 1953, y muchos siguen en uso.

Figura 1: Se muestra un termostato clásico T-86 de dos hilos. (Fuente de la imagen: Museo Cooper-Hewitt)

Este cierre de contacto, denominado contacto "seco", permite que los 24 V_CA que se bajan de la línea de CA energicen la bobina de un EMR, que a su vez activa la caldera u otra fuente de calor. El termostato es totalmente pasivo y ni necesita ni suministra energía. El relé también proporciona aislamiento galvánico entre el bucle de control del termostato de 24 V_CA y la línea de CA que alimenta el sistema de calefacción. Es sencillo, fiable y fácil de solucionar.

Este antiguo sistema cambió con la llegada de los termostatos con ajuste digital de la consigna y lectura de la temperatura (figura 2, izquierda). Pronto les siguieron los termostatos inteligentes con ajustes de día y hora controlados por el usuario y después las unidades del Internet de las cosas (IoT) que añadieron conectividad y mayor sofisticación (Figura 2, derecha). La transición de los termostatos pasivos a los activos introdujo un nuevo requisito imprevisto: una fuente de alimentación. Como el termostato pasivo de estilo antiguo sólo tiene dos cables, no hay forma fácil de suministrar la energía necesaria.

Figura 2: El bucle de cierre de interruptor clásico no puede suministrar energía a un termostato digital básico (izquierda) ni a una versión IoT conectada (derecha), lo que plantea dudas sobre cómo alimentar esas cargas. (Fuentes de las imágenes: PRO1iaq, Ecobee)

Este problema de alimentación no es exclusivo de los termostatos y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado heredados; también aparece en sistemas de seguridad, automatización de edificios, controles industriales, aplicaciones de medición y en cualquier lugar donde haya un simple cierre de interruptor que indique "activación".

Existen dos soluciones de suministro de energía para este dilema, cada una con sus inconvenientes. Una de ellas es utilizar una pila reemplazable en el termostato, lo que resulta inconveniente tanto para entornos residenciales como industriales. La otra es tender un nuevo tercer cable para suministrar alimentación de 24 V_CA al termostato. Este cable se denomina cable "común" (C).

En muchos entornos del mundo real, especialmente en los hogares, añadir un nuevo tendido de cables desde el termostato hasta el sistema de calefacción es todo un desafío, ya que implica tender y serpentear cables, hacer agujeros en las paredes e instalar cortafuegos en las cavidades de las paredes.

El SSR resuelve el dilema de la batería y el cable C

Afortunadamente, existe una solución. El CPC1601M (figura 3) es un SSR con características diseñadas para hacer frente a las limitaciones del sistema de dos hilos.

Figura 3: Se muestra el relé de enclavamiento de estado sólido CPC1601M no aislado de 1-Form-A alimentado por la carga. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

El CPC1601M es un relé de enclavamiento de estado sólido 1-Form-A no aislado con baja corriente de funcionamiento integrado en un paquete DFN miniatura de 3 mm × 3 mm con ocho contactos. El CI incluye una entrada SET que pone el relé en ON; una clavija RESET que, cuando se pulsa, pone el relé en OFF; y una entrada TOGGLE que alternativamente pone el relé en ON y en OFF.

Una característica innovadora importante es que el CI de relé CPC1601M dispone de dos modos de alimentación y, mediante la monitorización de su pin de entrada HV_cc, puede obtener la potencia de funcionamiento necesaria tanto de la carga en circuito abierto como de la fuente de alimentación del sistema.

El modo de funcionamiento alimentado por la carga se aplica a una fuente de CA, como un transformador con una tensión de 24 V_CA en el lado secundario. Cuando la carga suministra energía, el relé no consume energía de la alimentación del sistema, prolongando así la vida útil de la batería. El relé se abre periódicamente, lo que le permite "recolectar" energía de la tensión de carga en circuito abierto. En la mayoría de las aplicaciones, esta breve interrupción no afecta al funcionamiento del sistema. En el modo alimentado por carga no se necesita una fuente de alimentación auxiliar, por lo que no es necesario un cable C del termostato.

En un sistema HVAC típico, un termostato acciona un relé contactor (K1). El contactor suele ser un EMR de alta corriente que controla la carga de HVAC. El relé K1 se controla encendiendo y apagando el relé CPC1601M.

Cuando el CPC1601M está en modo OFF, la tensión de circuito abierto completa del transformador T1 aparece a través de los pines de salida de la carga (RLY1 y RLY2). Esta tensión alterna es rectificada por los diodos de cuerpo DMOS internos (D1 y D2) y los diodos externos (D3 y D4), formando un rectificador de onda completa. La salida rectificada pasa entonces al capacitor de filtro (C_FILT), que sirve como capacitor de reserva cuando funciona en modo alimentado por carga.

El CPC1601M incorpora otra característica relacionada con la alimentación: proporciona una salida de tensión para alimentar la unidad microcontroladora (MCU) asociada y los circuitos externos. Además, si esta tensión de salida se encuentra dentro del rango del carril de tensión de la MCU elegida por el usuario, puede que no sea necesario un regulador de baja caída (LDO) independiente. Para proteger la salida del conmutador contra transitorios inversos al conmutar una carga inductiva, una situación real en estas aplicaciones, se coloca un diodo supresor de transitorios de tensión (TVS) a través de RLY1 y RLY2.

En el modo de funcionamiento de alimentación del sistema (figura 4), la alimentación del CPC1601M procede de la fuente de alimentación y no de la carga. En una aplicación típica de termostato, la fuente de energía es una batería. El consumo de energía extremadamente bajo del CPC1601M lo convierte en una opción adecuada para aplicaciones en las que prolongar la duración de la batería es fundamental.

Figura 4: El CPC1601M también puede configurarse para funcionar con la fuente de alimentación del sistema. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

En esta disposición, el pin V_CCIN/P_OUT del CPC1601M se conecta a la batería del sistema mientras que el pin HV_CC se deja abierto. Aquí, el CPC1601M actúa como un simple relé de enclavamiento que puede controlarse utilizando SET y RESET, o en el modo TOGGLE.

¿Y el aislamiento?

Aunque los circuitos básicos del CPC1601M mostrados hasta ahora no incluyen el aislamiento galvánico, este es a veces necesario para garantizar el correcto funcionamiento del sistema, como en los sistemas HVAC de doble transformador en los que los retornos de los transformadores están separados y aislados entre sí. Hay muchas formas de aplicar el aislamiento, cada una con sus propias ventajas y desventajas.

Es fácil y rentable implementar el aislamiento con el CPC1601M utilizando un simple acoplamiento capacitivo de una señal de modulación por ancho de pulsos (PWM) (figura 5). La MCU del sistema genera múltiples ciclos de una señal PWM, que se acopla capacitivamente a través de un capacitor de aislamiento (C1). Esta señal PWM, normalmente a 200 kilohercios (kHz) con una onda cuadrada de ciclo de trabajo de 50%, es filtrada por R2 y C2. Esto genera una señal de CC que activa la entrada SET del CPC1601M.

Figura 5: El aislamiento galvánico puede implementarse agregando un capacitor y unos pocos componentes pasivos al circuito del CPC1601M. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Información de especificaciones eléctricas clave

Aunque es importante proporcionar una funcionalidad eficiente, un dispositivo viable también debe suministrar la tensión, la corriente y otros valores nominales y atributos requeridos por el sistema. Para ello, el CPC1601M cuenta con:

• Una tensión de alimentación de entrada de 3 V a 5.5 V
• Menos de 1 µA de corriente de espera alimentada por el sistema
• Una baja resistencia típica de "encendido" de 308 miliohmios (mΩ)
• Entradas compatibles con TTL/CMOS
• Contactos RLY1 y RLY2 bidireccionales, conectados a la carga, que pueden utilizarse para un funcionamiento de 60 V_peak en CA o CC
• Contactos RLY1 y RLY2 que soportan una capacidad de carga continua de 2 A, CA o CC
• Un pin de alimentación de recolección de carga para alimentar circuitos externos de hasta 10 mW
• El tiempo de encendido tras la aplicación del pulso SET o TOGGLE es de 1 µs (máximo); el tiempo de apagado complementario tras el pulso RESET o TOGGLE es también de 1 µs (máximo)
• Reducción de las interferencias electromagnéticas (EMI) gracias a la conmutación a corriente cero en modo alimentado por carga
• Funcionamiento silencioso, ya que no se produce ningún chasquido EMR

Conclusión

Actualizar las disposiciones de cierre de los interruptores de contacto seco, como los que se utilizan en los bucles de control de los termostatos pasivos tradicionales, para que ahora proporcionen energía a los termostatos activos a través de una batería local o un tercer cable es sencillo en cuanto al concepto, pero todo un reto en la práctica. Un SSR como el CPC1601M de Littelfuse resuelve estos problemas y proporciona otras funciones útiles que mejoran el rendimiento y la coherencia del sistema.