Aumenta la sicurezza di commutazione con un driver relè zero-crossing

Poiché la maggior parte dei relè viene utilizzato per la gestione di carichi in AC, l’arco e la perdita di potenza extra durante la commutazione possono essere un problema se il relè apre e chiude i contatti mentre il segnale AC è intorno al suo picco. Ciò può essere evitato commutando soltanto quando il segnale AC supera zero volt o al passaggio per lo zero.
Con un circuito integrato GreenPAK ad alta tensione si può prevenire la formazione di archi elettrici e la perdita di potenza in un circuito a relè, sincronizzando la sua commutazione al passaggio per lo zero.

Cos’è un relè?

Un relè è costituito da due circuiti isolati: un circuito “primario” di controllo ed un circuito “secondario” controllato. Il circuito primario coinvolge comunemente un transistor che controlla una bobina elettromagnetica per “tirare” o spingere un’armatura meccanica sul circuito secondario con il suo campo elettromagnetico (Immagine 1).

È spesso alimentato da una fonte di alimentazione di tensione CC più piccola. Il circuito secondario ha il terminale di contatto che viene aperto e chiuso dall’indotto.

Immagine 1: meccanismo del relè.

Commutazione a tensione zero

La commutazione a tensione zero (ZVS) mira a modificare lo stato di un relè o interruttore elettronico nel momento in cui non c’è una tensione significativa, attraverso l’elemento di commutazione. In questo frangente non dovrebbe esserci alcuna corrente significativa. Questo aiuta a ridurre al minimo l’usura del contatto meccanico e inoltre riduce il rischio di picchi induttivi, generati da eventuali carichi induttivi.

In questa applicazione, viene misurato il punto di transizione zero-voltage di una alimentazione AC e il segnale viene convertito in un’onda quadra DC facilmente gestibile. Questa onda quadra in DC segnalerà al circuito integrato di chiudere l’armatura quando si verifica il passaggio per lo zero.

ZVS può anche essere utilizzato per misurare la frequenza o la fase di un segnale AC. Questo aspetto verrà utilizzato per eccitare la bobina solo quando al circuito secondario viene fornita un’alimentazione in AC a 60 Hz, grazie ad un rilevatore di frequenza.

Un circuito rivelatore di tensione zero-crossing (ZCVD) che fornisce ZVS può essere implementato in diversi modi. Questo progetto utilizza uno ZCVD a bassa potenza che consiste in un raddrizzatore a semionda e un fotoaccoppiatore 4N25 (Immagine 2).

Immagine 2: Il circuito del rivelatore di tensione zero-crossing (ZCVD) con un optoisolatore.

Nel fotoaccoppiatore, il segnale AC rettificato fa accendere un LED interno, che emetterà luce con un’intensità proporzionale al segnale di ingresso, al fototransistor altresì presente all’interno del fotoaccoppiatore.
Il fototransistor si “accenderà” quando la luce raggiungerà una certa intensità.

Il relè su PIN7 è collegato al lato bassa tensione di un relè (Immagine 3).


Per l’applicazione presentata in questo articolo, è stato utilizzato un relè G5NB-1A-E DC12.
Quando su RELAY ON è presente un segnale logico ALTO, l’indotto si aprirà e interromperà il collegamento tra la fonte di alimentazione e il carico AC.
Quando invece il segnale RELAY ON diventa BASSO, l’indotto chiuderà il collegamento tra la presa elettrica e il carico AC.

Un diodo 1N4148 è stato posto tra i poli della bobina proteggere il circuito da eventuali back EMF.

Immagine 3: Questo progetto utilizza uno ZCVD a bassa potenza costituito da un raddrizzatore a semionda.

Per alimentare il circuito sono stati utilizzati due alimentatori in DC Agilent, ma è possibile utilizzare qualunque alimentatore da banco che sia in grado di fornire i 12 V e 5 V necessari per la corretta alimentazione del circuito.

Il circuito ZCVD viene aggiunto esternamente tra l’ingresso AC e ZCVD nel PIN3.
L’uscita dell’accoppiatore ottico ha un leggero ritardo rispetto a quello che è l’esatto momento del passaggio della tensione per lo zero. Il ritardo misurato dell’accoppiatore ottico è di 740 µs, che non tiene conto dell’isteresi di ingresso.

I grafici sono stati derivati ​​da un test simulato di un segnale di ingresso a 50 Hz e dell’uscita dell’accoppiatore ottico per stimare questo ritardo (Immagine 4 e 5).
V IHmin = 0.5 × VDD e V ILmax = 0.3 × VDD.
Con una VDD di 3 V, i valori sono VIHmin = 1.5 V e VILmax = 0.9 V.

Immagine 4: Rilevamento del fronte di salita.
Immagine 5:

L’offset che ci interessa maggiormente è il ritardo tra il vero passaggio per lo zero e V IHmin (1.5 V), che risulta essere di circa 550 µs (Immagine 6).

Immagine 6: Il ritardo tra il vero passaggio per lo zero e il VIHmin risulta essere circa 550 µs.

System design

Per questa applicazione è stato scelto di utilizzare il GreenPAK SLG47105, che dispone di quattro uscite ad alta tensione che possono arrivare fino a 13.2 V, rendendo possibile in questo modo il controllo di una bobina da 12 V. HV OUT CTRLo è impostato sulla modalità HV OUT “Half bridge” e la velocità di risposta è impostata sul valore predefinito “slow for motor driver”. Il PIN7 è impostato su “LOW side on” in modo che quando è attivato, collegherà la massa al lato bassa tensione del relè eccitando così il relè (Immagine. 7).

Immagine 7: il circuito è basato su un GreenPAK SLG47105.

La LUTo a 4 bit è collegata all’nRST di DFF3 e all’OE di HV OUT CTRL0. La LUT è configurata per andare a stato logico ALTO quando il relè ARM (PIN2) è ALTO, un segnale con una frequenza superiore a 55 Hz viene inviato a ZCVD IN. La sovracorrente ACMP è al di sotto della soglia e la sottotensione ACMP è al di sopra di soglia.
Quando il LUTo a 4 bit diventa ALTO, attiverà il funzionamento del driver del relè e ACTIVE (PIN17) segnalerà lo stato ALTO.

Gli ingressi OCP e UVP possono essere collegati all’alimentazione o a un altro circuito integrato tramite un partitore resistivo, con le soglie ACMP impostate sul valore corretto. Durante i test, OCP è stato collegato a GND e UVP a VDD per escluderne il funzionamento dal circuito.

Open/Close (PIN14) è collegato alla D di DFF3 e l’ingresso ZCVD IN ritardato è collegato al suo CLK.
L’uscita nQ di DFF3 è collegata a IN0 di HV OUT CTRL0.
Quando il DFF è attivato, verificherà lo stato di Open/Close.
Se è presente uno stato logico ALTO su Open/Close, il circuito segnalerà di chiudere il relè a un futuro passaggio per lo zero della linea CA e uno stato logico BASSO segnalerà di aprire il relè.

Offset totale = periodo fino al prossimo passaggio per lo zero − (tempo di funzionamento − ritardo ZCVD)

Test

Sull’oscilloscopio sono stati impostati i canali come segue:

  • il canale 1 (giallo) collegato allo ZCVD IN dell’SLG47105;
  • il canale 2 (azzurro) all’uscita del driver RELAY ON;
  • il canale 3 (rosa) al segnale di uscita;
  • il canale 4 (blu) al contatto del relè.

Il circuito è stato testato a vuoto con un ritardo di 7.407 ms, ma il relè non ha commutato al vero valore di zero-crossing (quando il segnale della fonte di alimentazione AC è a zero (Immagine 8).

Immagine 8: il circuito è stato testato a vuoto con un ritardo di 7.407 ms, ma come mostrato qui, il relè non è passato al vero zero-crossing quando il segnale di alimentazione è a zero.

Per correggere ciò, il tempo di funzionamento effettivo del relè è stato misurato osservando la distanza tra il segnale RELÈ ON che si abbassa ed il contatto del relè che si assesta sullo stesso valore della fonte di alimentazione AC. Questo è stato misurato in 4.16 ms (Immagine 9).

Immagine 9: il tempo di funzionamento effettivo del relè è stato misurato in 4.16 ms osservando la distanza tra il segnale RELÈ ON che assume uno stato logico basso e il contatto del relè che si stabilizza allo stesso valore del segnale di alimentazione.

Utilizzando la formula dell’offset totale, il ritardo corretto è stato calcolato come 4.793 ms. Il successivo passaggio per lo zero dopo il tempo di funzionamento, è stato il semiperiodo della stessa fonte di alimentazione AC (8.333 ms).
Il valore di ritardo di DLY0 è stato facilmente modificato per riflettere questo in GreenPAK Designer, modificando il valore del contatore.
Quando il circuito è stato ritestato con questo nuovo valore di ritardo, il relè ha commutato al vero zero-crossing in apertura e chiusura (Immagine 10 e 11).

Immagine 10 e 11: queste istantanee mostrano il relè che si chiude al reale punto di passaggio per lo zero con un ritardo di 4.793 ms.
Immagine 11

Conclusione

Con l’ausilio di alcuni circuiti esterni, il circuito è stato in grado di pilotare il relè a 12 V al vero punto di zero-crossing.
Il circuito è stato testato a vuoto, quindi è possibile apportare delle ulteriori regolazioni per adattarne la funzionalità al tipo di carico previsto. Un’ulteriore logica di controllo consente l’integrazione di funzionalità aggiuntive.

Articolo originale: https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21169672/dialog-semiconductor-boost-switching-safety-with-a-zerocrossing-relay-driver

Redazione Fare Elettronica