Het ontwikkelen van robuuste bewegingsdetectoren hoeft geen bewegend doelwit te zijn

In dit artikel worden enkele concepten besproken om ervoor te zorgen dat ontwerpen van bewegingsdetectoren bestand zijn tegen externe storingen door een infrarooddetector te presenteren die het aantal onderdelen aanzienlijk kan verminderen en verbeteren productprestaties en betrouwbaarheid.

Slimme huizen en gebouwen profiteren van intelligente technologieën waardoor ze handiger, veiliger en energiezuiniger kunnen zijn. Figuur 1 toont het brede scala aan producten dat beschikbaar is voor zowel woningen als gebouwen. Deze producten kunnen automatisch worden gecontroleerd en bestuurd door consumenten in hun huizen en personeel van het gebouwbeheer.

Een product dat gemak, veiligheid en energiebesparing combineert, is een infrarood bewegingsdetector. Een infrarood bewegingsdetector detecteert de aanwezigheid in een gebied en kan vervolgens de verlichting, het HVAC-systeem of een alarm activeren. Als de bewegingsmelder een beveiligingsfunctie heeft, dan moet deze 24 uur per dag, 7 dagen per week betrouwbaar werken.

Figuur 1. Intelligente apparaten die beveiliging, gemak, veiligheid en efficiënt energiebeheer in huizen en gebouwen mogelijk maken

Passieve infraroodtechnologie is de toonaangevende technologie voor bewegingsdetectie dankzij een combinatie van betrouwbare prestaties en lage kosten. De markt kent een gezonde samengestelde jaarlijkse groei van meer dan 13% en zal naar verwachting meer dan $ 3,5 miljard bedragen in 2025 ¹ . Factoren die groei stimuleren zijn onder meer:​​

• Inwonersvraag naar beveiliging door middel van bewaking
• Verlaagde installatiekosten met draadloze connectiviteit en IoT-netwerken
• Overheidsinitiatieven voor energiebesparing die worden aangenomen in de publieke en commerciële sector
• Een groeiende markt biedt kansen voor nieuwe, innovatieve ontwerpen
  

Beschermings-, controle- en detectiecomponenten

Aangezien passieve infrarood bewegingsdetectoren worden gebruikt voor zowel binnenbewaking als buitenbewaking, moeten deze producten bestand zijn tegen omgevingsstoringen. Als de detectoren worden gevoed door de AC-lijn, moeten ze bestand zijn tegen stroomoverbelastingen en spanningspieken die zich op de AC-stroomlijn kunnen voortplanten. Naast circuitbeveiliging zijn efficiënte controle en betrouwbare detectieprestaties essentieel voor het hebben van een kwaliteitsproduct.

Afbeelding 2 toont een voorbeeld van een infrarood bewegingsdetector en geeft de aanbevolen beschermings-, controle- en detectiecomponenten aan die de betrouwbaarheid en prestaties van het product verbeteren.

Figuur 2. Een voorbeeld van een passieve infrarood bewegingsdetector met aanbevolen beschermings-, controle- en detectiecomponenten

In figuur 3 laten we een blokschema zien van een passieve infrarood bewegingsdetector, en laten we zien in welke circuits de aanbevolen beschermings-, detectie- en besturingscomponenten moeten worden geplaatst. We zullen elk blok bespreken waarin componenten worden aanbevolen.

Figuur 3. Blokdiagram van een passieve infrarood bewegingsdetector met de circuits waar de aanbevolen componenten zich bevinden

AC/DC-vermogenstrap

De AC/DC-vermogenstrap levert de gelijkstroom voor de andere schakelblokken. Dit circuit staat in verbinding met de wisselstroomleiding en is onderhevig aan overstroompieken en overspanningspieken. Overspanningspieken en stroompieken kunnen het gevolg zijn van blikseminslag, inductieve pieken van het in- en uitschakelen van de motor en transiënten van variaties in de netspanning.

Tegen deze mogelijke storingen raden we een metaaloxidevaristor (MOV) aan als eerste verdedigingslinie voor het AC/DC-vermogensbord. Plaats de MOV zo dicht mogelijk bij de ingang van de AC-spanning op het circuit om het voortplantingspad voor AC-lijntransiënten op de printplaat te minimaliseren. Selecteer een MOV met deze kenmerken:

• Veilige absorptie van maximaal 10 kA piekstootstroom of 150 J pulsenergie om stroomafwaartse circuits te beschermen tegen blikseminslag
• Lage klemspanning die de stroomafwaartse circuits niet beschadigt
• Een bedrijfstemperatuurbereik om ervoor te zorgen dat het onderdeel functioneert binnen het gespecificeerde omgevingsbereik van de detector (versies van MOV's met fenolcoating kunnen veilig werken tot 125 °C)
• UL- of IEC-erkend om de kwalificatietijd te verkorten door een nationaal erkend standaardlaboratorium

Aan de uitgang van de AC/DC Power Stage raden we u aan een transient suppressor (TVS) diode te gebruiken voor verdere bescherming van alle belastingscircuits op de voeding. De TVS-diode minimaliseert tijdelijke spanning op de vermogenscomponenten in de verschillende belastingcircuits. De TVS-diode biedt deze voordelen voor circuitbeveiliging:

• Absorptie tot wel 600 W piekpulsvermogen of 100 A piekstootstroom
• ESD-bescherming die kan oplopen tot 30 kV, hetzij door luchtaanvallen of direct contact
• Ultrasnelle reactie, minder dan 1 ps, op een voorbijgaande
• Versies met klemspanningen van slechts 10 V
• UL- of IEC-componentherkenning

Zoals weergegeven in figuur 4, kunnen TVS-diodes bidirectioneel zijn, twee seriediodes in een pakket, of unidirectioneel, een enkele diode. Naast hun beveiligingsfuncties verbruiken TVS-diodes een kleine hoeveelheid stroom. Bij normaal, storingsvrij bedrijf trekt het onderdeel minder dan 1 µA. Ten slotte zijn er op het oppervlak gemonteerde versies van TVS-diodes beschikbaar voor het besparen van onroerend goed op de printplaat.

Figuur 4. Bidirectionele en unidirectionele TVS-diodes voor bescherming tegen ESD en andere elektrische transiënten

Bewegingssensor en MCU

De belangrijkste elementen van de passieve infrarooddetector zijn de infraroodstralingssensor en de microcontrollereenheid. Houd er rekening mee dat er complete pakketten beschikbaar zijn die een sensor, een lens en een microcontrollereenheid bevatten (zie afbeelding 5). Een compleet pakket biedt:

• Verlaging van de materiaallijst van het ontwerp, omdat de sensor rechtstreeks wordt aangesloten op de microcontroller-chip.
• Een microcontroller die alle schakelingen bevat die nodig zijn voor een compleet ontwerp voor de detectie- en verwerkingselektronica. De microcontroller bevat de CPU, RAM, timers, comparators, A/D-converter, communicatie-interface en de firmware voor de sensor.
• Een sensor met twee of vier elementen die, in combinatie met een lens, talloze opties kan bieden voor verschillende gezichtsvelden.
• Ontwerpen die het gebruik van goedkopere en kleinere keramische condensatoren mogelijk maken in vergelijking met het typische gebruik van elektrolytische condensatoren met een hogere lekkage en een kortere levensduur van het product
• Geavanceerde bewegingsdetectoralgoritmen die gevoeligheid, bereik en detectiegebied bieden
• Flexibiliteit in de microcontroller om implementatie van door de gebruiker gedefinieerde applicatiefuncties mogelijk te maken

Zoek voor energiebesparing naar een assemblage met een energiebesparende modus wanneer er geen beweging wordt gedetecteerd. Afbeelding 6 toont een voorbeeld van een infrarood bewegingsdetectorpakket. De combinatie van een geïntegreerd pakket met minder componenten en geen elektrolytische condensatoren verbetert de algehele productbetrouwbaarheid, bespaart printplaatruimte en verlaagt de kosten.

Figuur 5. Blokschema van een combinatie van lens, sensor en microcontroller

Figuur 6. Een voorbeeld van een lens-sensor-microcontroller infrarood bewegingsdetector. Deze montage is van Zilog. De lens en sensor zitten bovenop het bord. De microcontroller bevindt zich onder de sensor.

Alarm

Het alarmcircuit wordt geactiveerd wanneer de infraroodsensor een geschikte hoeveelheid beweging detecteert. Het circuit zal meestal een knipperend LED-lampje of een combinatie van een LED-lampje en een luidspreker aansturen. Het alarmcircuit heeft een besturingscomponent nodig om het externe apparaat van stroom te voorzien. Overweeg een reed-relais of een solid-state-relais, die beide galvanische scheiding van de krachtige aandrijving van de logische schakelingen met laag vermogen zullen bieden. Een solid-state relais biedt een langere levensduur van de output drive-contacten, terwijl een reed-relais een lager stroomverbruik biedt.

Reed-relais zijn verkrijgbaar in compacte single-in-line pakketten. U kunt ook reed-relais krijgen met ingebouwde EMF-onderdrukkersdiodes om het spoelaandrijfcircuit te beschermen en met magnetische afschermingsopties om te voorkomen dat de spoel-EMI het regelcircuit binnendringt. Bovendien hebben reed-relaiscontacten een langere levensduur dan conventionele elektromechanische relais en zijn ze relatief ongevoelig voor een groot aantal omgevingstemperaturen.

Halfgeleiderrelais koppelen optisch de besturing tussen een ingangs-LED en een uitgangsfotodetectortransistor. Solid-state relais kunnen een isolatie van maximaal 1500 Vrms hebben tussen ingang en uitgang. Velen zijn ontworpen om EMI/RF-opwekking te elimineren met logica die het schakelen initieert bij nulspanningsovergangen. Versies van solid-state relais kunnen een lage uitgangslekstroom hebben van minder dan 1 µA om het stroomverbruik te minimaliseren. Ze zijn verkrijgbaar in ruimtebesparende pakketten voor opbouwmontage.

Uw keuze voor een aandrijfcomponent hangt af van het verzekeren dat de contacten of de uitgang voldoende aandrijfcapaciteit hebben voor de soorten uitgangen die zullen worden gebruikt. Grootte, stroomverbruik en kosten zijn andere factoren waarmee u rekening wilt houden bij de keuze van uw aandrijfcomponent.

Veiligheidsnormen voor passieve infrarood bewegingsdetectoren

Tabel 1 geeft een overzicht van de kritische normen waaraan uw ontwerp moet voldoen, zodat het kan worden gecertificeerd en door de markt kan worden geaccepteerd. Het naleven van deze normen als onderdeel van het ontwikkelingsproject zal de certificeringskosten verlagen en de certificeringstijd verkorten. Als u voldoet aan de IEC-normen, kan uw product in alle regio's over de hele wereld worden verkocht.

Tabel 1. Normen voor veiligheid en minimale operationele vereisten voor passieve infrarood bewegingsdetectoren

Robuuste, betrouwbare ontwerpen kunnen een laag aantal componenten en lage ontwikkelingskosten hebben

Voor een ontwerp van een infrarooddetector vereist een robuust ontwerp slechts enkele beschermingscomponenten. U kunt profiteren van een lens/sensor/microcontroller-pakket om het aantal onderdelen te verminderen en de productbetrouwbaarheid te maximaliseren. Zorg ervoor dat u de naleving van normen als een belangrijk onderdeel van het ontwikkelingsproject opneemt om certificeringstijd en -kosten te besparen. We raden u aan gebruik te maken van de applicatie-expertise van een fabrikant om tijd te besparen bij de selectie van beschermings- en besturingscomponenten en om aanzienlijke ontwerptijd te besparen. De fabrikant kan ook advies geven over welke normen van toepassing zijn op het ontwerp en advies geven over hoe de naleving kan worden gegarandeerd. Deze aanbevelingen zullen u helpen een robuust, betrouwbaar ontwerp te bereiken dat zal resulteren in minder veldstoringen en een kosteneffectiever en winstgevender product.

Referenties

1.) Bezettingssensormarkt. Markten en Markten. Juli 2020.

Referentieliteratuur

Download voor meer informatie de Building Automation Application Guide en Circuit Protection Selection Guide, met dank aan Littelfuse, Inc.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.