Robuuste circuitbescherming, besturing en sensing ontwerpen voor slimme huissecurity-systemen

Dit artikel onderzoekt de kritische beschermings-, besturings- en sensing-componenten essentieel voor betrouwbare bedrade en draadloze slimme huissecurity-camera's, alsook bedrade deurbelcamera's.

Snelle vooruitgang in IoT transformeert huissecurity. Nieuwe sensing-technologieën en draadloze protocollen – zoals Wi-Fi – maken een wijd scala aan apparaten mogelijk die alles monitoren en besturen, van toegangssystemen tot apparaten, verlichting en entertainment. Figuur 1 toont hoe IoT de breedte van slimme-huismogelijkheden drijft.

Figuur 1. Voordelen van slimme-huis-technologie omvatten besturing van entertainment, apparaten, toegang, stroom en energie alsook beveiliging.

De residentiële security-camera markt groeit snel. Unit-shipments worden verwacht te groeien van 54 miljoen in 2018 tot 120 miljoen in 2023 – een indrukwekkende 17% CAGR (MarketsandMarkets, april 2020). Deze groei creëert een vruchtbare grond voor innovatieve producten die hogere betrouwbaarheid en geavanceerde bescherming bieden.

Betrouwbaarheid is gelijk aan beveiliging

Om marktaandeel te winnen, moeten slimme-huis beveiligingsproducten uitzonderlijke betrouwbaarheid leveren. Naarmate de concurrentie intensifieert en productdifferentiatie smaler wordt, oordelen consumenten kwaliteit steeds meer op robuustheid tegen overbelasting, transients en ESD. De volgende aanbevelingen helpen ontwerpers componenten te selecteren die sleutelcircuits beschermen en besturen in bedrade en draadloze camera's, en in bedrade deurbelcamera's.

• Bedrade en draadloze beveiligingscamera's
• Bedrade deurbelcamera's

Bedrade beveiligingscamera's

Bedrade beveiligingscamera's zijn typisch vastgemonteerde systemen die exterieure of interieure zones monitoren. Ze ontvangen AC-netsspanning en zijn daarom kwetsbaar voor lijn-zijde overbelasting, transients en electrostatische ontlading (ESD). Figuur 2 toont een typische bedrade camera en de kernbeschermingscomponenten.

Ontwerpers moeten de camera's circuitry afschermen tegen deze gevaren. Figuur 3 presenteert een blokdiagram dat aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten integreert voor een robuuste bedrade camera.

Figuur 2. Voorbeeld bedrade beveiligingscamera en aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten

Figuur 3. Bedrade beveiligingscamera blokdiagram met circuits en hun aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten.

Voedingadapter

De voedingadapter overbrugt de AC-netsspanning en de interne circuitry van de camera. Het beschermen ervan tegen stroompieken en spanningspiek is essentieel. Een typische oplossing omvat een trage zekering voor overbelastingsbescherming, een metal-oxide varistor (MOV) om high-energy transients te clampen, en een transient-voltage-suppression (TVS) diode voor snelle spanningsonderdrukking. Het selecteren van de juiste parameters – zoals zekering time-current curve, MOV energie-rating en TVS clamping voltage – zorgt ervoor dat de adapter blikseminslagen, lijn-zijde surges en ESD kan weerstaan zonder storende trips.

Belangrijk selectietips:

• Kies een trage zekering om trippen van supply inrush te voorkomen, toch snel genoeg (binnen seconden) om continue overbelasting te blokkeren.
• Controleer of de zekeringsspanningsrating de maximale lijnspanning overschrijdt, en of de interrupting-rating worst-case overstroom kan aan zonder schade.
• Gebruik UL/IEC-gecertificeerde componenten om compliance te stroomlijnen.
• Plaats de MOV zo dicht mogelijk bij de netssingang; een 10 kA surge en 500 J pulsenergie-rating is typisch voor bliksembescherming.
• Selecteer een TVS-diode met een clamping voltage zo laag als 10 V voor maximale bescherming van downstream elektronica.

DC Input Stage

De DC input stage voedt het besturingsbord, motor-aandrijving en image-sensor interface. Bescherm deze stage met een conventionele zekering of een herstelbare polymere positive-temperature-coefficient (PPTC) zekering, beide beschikbaar in compacte surface-mount packages. Een surface-mount TVS-diode kan transient-bescherming bieden met tot 5 kW piek-pulsvermogen terwijl minimaal bordoppervlak wordt verbruikt.

Besturingsbord

Het besturingsbord bevat de MCU, videogeheugen en de Power-over-Ethernet (PoE) interface. Twee subsystemen – de bedrade interface en het geheugenmodule – vereisen toegewijde bescherming:

• Bedrade interface: Gebruik een conventionele of herstelbare zekering voor stroomoverbelasting en een TVS-diode array voor ESD en high-voltage transients. Figuur 4 toont een bi-directionele diode array met een 30 kV ESD-rating en 1 pF/poort capaciteit.
• Geheugenmodule: Bescherm de SD-kaart met een TVS-diode capabel van 30 kV ESD te weerstaan terwijl lekkage onder 1 µA blijft.

Figuur 4. TVS-diode array ontworpen voor ESD-bescherming van meerdere I/O-poorten

Motor-aandrijving

Pan-en-tilt motoren moeten schoon bestuurd worden om ruis en transients te vermijden. Een optisch geïsoleerde solid-state switch – bij voorkeur met zero-crossing en stroombegrenzingsfeatures – biedt bounce-vrije operatie en beschermt tegen gestolde-motor condities.

Draadloze beveiligingscamera's

Draadloze camera's zijn compacte, gemakkelijk te deployen units die interieure ruimtes monitoren. Figuur 5 presenteert een typische draadloze camera, terwijl Figuur 6 het blokdiagram en aanbevolen beschermingscomponenten toont.

Figuur 5. Voorbeeld draadloze beveiligingscamera met aanbevolen beschermingscomponenten

Figuur 6. Blokdiagram van een draadloze beveiligingscamera en aanbevolen beschermings- en sensing-componenten

Adapter

De USB-adapter voedt de draadloze camera en moet beschermd worden tegen overstroom en spannings transients, net als de voedingadapter van een bedrade camera. Integreer een zekering, MOV en TVS-diode. Als het ontwerp USB Type-C gebruikt, voeg een thermisch-sensing element toe dat kortsluitingscondities detecteert en automatisch reset wanneer de temperatuur normaliseert.

Batterijpakket

Batterijpakketten moeten monitoren op overstroom die kan voortvloeien uit celfouten. Een herstelbare PPTC-zekering (trippend in onder één seconde bij 200% overbelasting) beschermt tegen cascaderende schade. Voor ESD-bescherming bieden multi-layer MOVs met lage clamping-spanning – beschikbaar in 0402 packages – compacte, robuuste afscherming. Wanneer USB Type-C gebruikt wordt, beschermt een thermische sensor identiek aan die in de adapter de USB-socket.

Besturingsbord

Het besturingsbord van de draadloze camera vereist ook robuuste bescherming. Een 30 kV Zener TVS-diode met lekkage onder 0.5 µA en een 0201 surface-mount footprint levert betrouwbare ESD-onderdrukking.

Draadloze Interface

De draadloze interface is blootgesteld aan menselijke contact en omgevings-ESD. Een polymere ESD-suppressor kan 15 kV luchtontladingen en 8 kV van menselijke aanraking aan, met een sub-0.2 pF capaciteit die signaalintegriteit behoudt.

Deurbelcamera's

Bedrade deurbelcamera's zijn steeds populairder voor remote bezoekersmonitoring. Figuur 7 toont een voorbeeldunit, en Figuur 8 presenteert het blokdiagram met aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten.

Figuur 7. Voorbeeld bedrade deurbelcamera en aanbevolen beschermings- en besturingsoplossingen

Figuur 8. Blokdiagram van een bedrade deurbelcamera met de aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten

Voedingseenheid

Zoals andere voedingen, moet de deurbel's power unit een zekering voor overbelastingsbescherming en een TVS-diode capabel van tot 4 kW transient vermogen te absorberen incorporeren. Een optisch geïsoleerde solid-state relay kan downstream circuits verder isoleren van lijn-zijde ruis.

Batterijpakket

Het backup-batterijpakket voor het besturingsbord en de gebruikersinterface profiteert van dezelfde overstroom- en transient-bescherming als gebruikt in draadloze camera's. Voeg een TVS-diode toe en, indien van toepassing, een thermisch-sensing element voor USB Type-C compliance.

Gebruikersinterface

Menselijke interactie introduceert ESD-risico. Bescherm de UI met een TVS-diode. Voor Europese markten kan een solid-state relay de deurbel van de camera scheiden om privacy-regulaties te voldoen en mechanische bounce en EMI te elimineren.

Besturingsbord en Draadloze Interface

Deze subsystemen in de deurbelcamera spiegelen die in de draadloze camera; dezelfde beschermingscomponenten zijn van toepassing.

De COVID-19 Pandemie beïnvloedt het ontwerp van beveiligingscamera's

Fabrikanten integreren nu infrarood thermische sensing om bezoekerstemperaturen discreet te monitoren – een feature waarschijnlijk standaard in toekomstige slimme-huis beveiligingssystemen. Robuuste circuitbescherming is nog kritischer naarmate deze camera's nieuwe gezondheidsveiligheidsfuncties adopteren.

Figuur 9. Beveiligingscamera's voegen thermische scanning toe om lichaamstemperatuur te monitoren post COVID-19

Toepasselijke standaarden voor huissecurity-camera's

Compliance met IEC 62368-1 (audio/video communicatieapparatuur) en IEC 62311-2 (lithium-cel veiligheid) is verplicht. Het niet halen van deze standaarden kan leiden tot kostbare herontwerpen, vertraagde certificering en verhoogde projectkosten.

Tabel 1. Veiligheidsstandaarden voor producten met surveillancescamera's

Waarde in bescherming

Het incorporeren van beschermings- en sensing-componenten vroeg in de ontwerpcursus – en uitlijnen met standaarden – stelt kosteneffectieve ontwikkeling van betrouwbare slimme-huis beveiligingssystemen in staat. Hoewel componentkosten variëren, reduceert een hogere vooraf investering in robuuste bescherming vaak de totale cost of ownership en versnelt marktintrede. Beneficieer van de engineering-expertise van gerenommeerde componentleveranciers; dit partnerschap bespaart tijd en mitigateert risico.

Betrouwbaarheid en efficiëntie bouwen een merkreputatie, wat leidt tot verhoogd marktaandeel, omzet en winstgevendheid.

Voor dieper inzicht in componentselectie, raadpleeg Littelfuse's Circuit Protection Selection Guide en Sensing Products Selection Guide.

Referenties

1. Video Surveillance Market by System. MarketsandMarkets. April 2020.
2. Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification. Revision 2.0. August 2019. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc.
3. Digital Temperature Indicators for USB Type-C cables Design and Installation Guide. Littelfuse Application Guide. April 2019.

Industry Articles zijn een vorm van content die industriële partners in staat stelt nuttig nieuws, berichten en technologie te delen met All About Circuits-lezers op een manier waar redaktionele content niet goed voor geschikt is. Alle Industry Articles zijn onderworpen aan strenge redaktionele richtlijnen met de bedoeling lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De meningen en standpunten die in Industry Articles worden uitgedrukt, zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.