Overwegingen voor circuitbescherming, controle en detectie voor Smart Home Security-toepassingen

Dit artikel onderzoekt componenten die hun circuits beschermen en besturen in slimme huisbeveiligingstoepassingen, met name componenten voor de bescherming van bedrade en draadloze beveiligingscamera's en bedrade deurbelcamera's.

Vooruitgang in IoT-technologie maakt de ontwikkeling mogelijk van slimme huisbeveiligingssystemen die consumenten veiligheid, gemak en energie-efficiëntie bieden. Nieuwe detectietechnologie en draadloze protocollen zoals draadloos LAN (Wi-Fi) hebben geleid tot een breed scala aan apparaten die beveiligingsapparatuur, toegangscontroleapparatuur, apparaten, energiebeheerapparatuur, stopcontacten, verlichting en entertainmentsystemen kunnen bewaken en besturen. Afbeelding 1 illustreert de breedte van de IoT-technologie die het slimme huis mogelijk maakt.

Figuur 1. Voordelen van slimme huistechnologie zijn onder meer controle over entertainment, apparaten, toegang, stroom en energie, evenals beveiliging.

De markt voor slimme woningbeveiliging is een dynamische markt. Het aantal verzendingen van residentiële beveiligingscamera's zal naar verwachting groeien van 54 miljoen eenheden in 2018 tot 120 miljoen eenheden in 2023. Dat vertegenwoordigt een aanzienlijk samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 17%. Er is een aanzienlijke kans voor innovatie en nieuwe producten in deze markt.

Betrouwbaarheid is gelijk aan veiligheid

Slimme huisbeveiligingsproducten moeten zeer betrouwbaar zijn om marktaandeel te winnen. Naarmate er meer leveranciers op de markt komen en de productdifferentiatie kleiner wordt, zal de productkwaliteit een grotere beslissende factor worden voor consumenten. Producten moeten dus bestand zijn tegen overbelasting en transiënten. In de volgende paragrafen zullen ontwerpers van huisbeveiligingssystemen aanbevelingen doen voor het gebruik en selecteren van componenten die hun circuits beschermen en besturen. Componenten voor de bescherming van de volgende producten worden gepresenteerd:

• Bekabelde en draadloze beveiligingscamera's
• Bekabelde deurbelcamera's
  

Bekabelde beveiligingscamera's

Bekabelde beveiligingscamerasystemen zijn doorgaans vast gemonteerde beveiligingssystemen voor het bewaken van gebieden rondom een ​​woning. Afbeelding 2 toont een bekabelde beveiligingscamera en aanbevolen componenten voor het beschermen en besturen van de camera. Deze camera's worden gevoed door een wisselstroomlijn en zijn onderhevig aan overbelastingen en transiënten die zich op de wisselstroomlijn voortplanten. Bovendien zijn alle verbindingen met de externe omgeving onderhevig aan elektrostatische ontlading (ESD).

Ontwerpers moeten hun cameracircuits beschermen tegen schade als gevolg van deze gevaarlijke omstandigheden. Afbeelding 3 toont een blokschema van een bekabelde beveiligingscamera en de aanbevolen beschermings- en controlecomponenten om een ​​robuust product te garanderen.

Figuur 2. Voorbeeld bekabelde beveiligingscamera en aanbevolen beschermings- en bedieningscomponenten

Figuur 3. Blokschema voor bedrade beveiligingscamera's met de circuits en hun aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten.

Voedingsadapter

De voedingsadapter is verbonden met de AC-voedingslijn en moet worden beschermd tegen stroompieken en spanningspieken. We raden zekeringen aan voor overbelastingsbeveiliging, een metaaloxidevaristor (MOV) voor bescherming tegen tijdelijke stroompieken en een transiënte spanningsonderdrukker (TVS)-diode voor bescherming tegen spanningspieken. Deze drie componenten, met parameters die zijn geselecteerd voor de specifieke kenmerken van uw ontwerp, zorgen ervoor dat de voedingsadapter bestand is tegen overbelasting en transiënten.

Kies een trage zekering om hinderlijke openingen van de zekering als gevolg van schakelende inschakelstroom te voorkomen. Om schade aan het circuit van de voedingsadapter te voorkomen, kiest u echter een zekering die snel reageert op een continue overbelasting, zoals binnen een paar seconden op een overbelasting van 200%. Let bij het selecteren van een zekering niet op andere belangrijke parameters. Controleer of de nominale spanning van de zekering hoger is dan de maximale lijnspanning die de voeding zal zien. Zorg er ook voor dat de onderbrekingsclassificatie hoger is dan de stroomoverbelasting in het slechtste geval die het circuit zou kunnen tegenkomen.

Een geschikte onderbrekende classificatie voorkomt fysieke schade aan de zekering als gevolg van een grote tijdelijke overbelasting van de AC-lijn. Aangezien ruimte schaars is in de voeding, moet u op zoek naar kleine zekeringen die aan de vereisten voldoen. Gebruik ten slotte een zekering met UL/IEC-certificeringen om de kwalificatie van productveiligheid te vereenvoudigen en te versnellen.

Voor grote, hoge energiepieken die bijvoorbeeld worden veroorzaakt door bliksem, moet u de voeding beveiligen met een metaaloxidevaristor (MOV) die zich zo dicht mogelijk bij de ingang van de voeding bevindt. MOV's kunnen piekstromen tot 10 kA absorberen, en ze kunnen meer dan 500 J piekpulsenergie absorberen. Gebruik een UL/IEC-gecertificeerd onderdeel, aangezien de MOV in contact staat met het elektriciteitsnet.

Het derde beschermingselement dat u wilt overwegen, is een transiënte spanningsonderdrukker (TVS) diode om stroomafwaartse circuits te beschermen tegen spanningspieken. TVS-diodes reageren extreem snel op transiënten, in minder dan 1 ps. Bij het onderdrukken van een transiënt klemt de TVS-diode zijn uitgang op een lage spanning om gevoelige circuits te beschermen. TVS-diodes zijn verkrijgbaar in unidirectionele of bidirectionele versies en hebben een breed scala aan klemspanningen die tot 10 V kunnen bedragen.

DC-ingangstrap

De DC-ingangstrap levert DC-spanning om de besturingskaart, de motoraandrijving en de beeldsensorinterface van stroom te voorzien. We raden zowel huidige overbelastingsbeveiliging als transiënte spanningsbeveiliging aan voor dit circuit. Ofwel een conventionele zekering of een resetbare polymere positieve temperatuurcoëfficiënt (PPTC) zekering zijn opties. Opbouwversies van beide soorten zekeringen zijn beschikbaar, dus verbruiken een minimum aan PCB-ruimte. TVS-diodes zijn ook verkrijgbaar in ruimtebesparende, op het oppervlak gemonteerde pakketten en zijn bestand tegen transiënten met maximaal 5000 W piekpulsvermogen.

Besturingskaart

De besturingskaart bevat de intelligentie voor het cameracircuit. De besturingskaart bevat de MCU, de videogeheugenopslag en het bekabelde interfacecircuit dat informatie over de wisselstroomlijn verzendt met behulp van het PoE-protocol. Twee van de circuits van de besturingskaart moeten beveiligingscomponenten hebben. Die twee circuits zijn de bekabelde interface en het geheugencircuit.

De bekabelde interface maakt verbinding met de externe omgeving en moet overstroombeveiliging en tijdelijke spanningsbeveiliging hebben. Selecteer, net als de DC-ingangstrap, een conventionele zekering of een resetbare zekering voor de huidige overbelastingsbeveiliging. Voor bescherming tegen spanningspieken adviseren wij een speciale component, een TVS-diodearray. De TVS-diode-array beschermt de PoE I/O-lijnen tegen ESD en andere hoogspanningstransiënten.

Afbeelding 4 toont een reeks bidirectionele diodes gecombineerd met een zenerdiode om een ​​ESD-aanval van ± 30 kV te weerstaan. Deze diodes hebben een lage capaciteit van 1 pF/poort, wat hun impact op de transmissie- en ontvangstsignalen van het POE-protocol minimaliseert. Diode-arrayconfiguraties zoals weergegeven in figuur 4 zijn beschikbaar in opbouwpakketten, die de minste hoeveelheid PCB-ruimte in beslag nemen.

Figuur 4. Een TVS-diodearray ontworpen voor ESD-bescherming van meerdere I/O-poorten

De SD-kaart bevat de gegevens die door de camera zijn verkregen. We raden een TVS-diode aan om dit belangrijke circuit te beschermen tegen maximaal ±30 kV ESD. TVS-diodes hebben lage lekstromen van minder dan 1 µA om het stroomverbruik te verminderen.

Motoraandrijving

Het motoraandrijfblok heeft een pan- en tiltmotorcircuit dat de camera positioneert om beweging te volgen. Voor deze schakeling adviseren wij een besturingscomponent, een optisch geïsoleerde halfgeleiderschakelaar. De optische isolatie voorkomt dat motorruis en transiënten terugkoppelen in het pan- en tilt-besturingscircuit. Solid-state-switching zorgt voor bounce-free schakelen voor een soepelere besturing van de motor. Zoek naar solid-state schakelaars met nuldoorgangsschakeling om de opstarttransiënten van de motor te minimaliseren. Zoek ook naar schakelaars met stroombegrenzing om te beschermen tegen een vastgelopen motor.

Draadloze beveiligingscamera's

Voor het bewaken van interne ruimtes zijn draadloze beveiligingscamera's klein en kunnen ze gemakkelijk overal worden geplaatst. Zie Afbeelding 5 voor een voorbeeld van een draadloze camera. Afbeelding 6 toont een blokschema voor de draadloze camera en de aanbevolen beschermings- en besturingscomponenten voor dit apparaat.

Figuur 5. Voorbeeld draadloze beveiligingscamera met aanbevolen beschermingscomponenten

Figuur 6. Blokschema van een draadloze beveiligingscamera en aanbevolen beschermings- en detectiecomponenten

Adapter

De USB-adapter is de voeding voor de draadloze beveiligingscamera. Omdat hij wordt aangesloten op het lichtnet, moet de USB-adapter worden beschermd tegen stroomoverbelastingen en spanningspieken. Net als de voedingsadapter die een bedrade beveiligingscamera van stroom voorziet, moet de USB-adapter een zekering hebben voor overstroombeveiliging, een MOV voor blikseminslag en een TVS-diode voor ESD-beveiliging.

Als het ontwerp een USB Type-C-protocol gebruikt, hebben de USB Type-C-connectoren met hoge dichtheid thermische detectie nodig om een ​​kortsluiting tussen de connectorpinnen te detecteren. Een thermisch sensorelement dat is ontworpen om te voldoen aan USB Type-C-ontwerpen, voorkomt schade aan kabels en connectoren als stof of vuil de aangrenzende connectorpinnen kortsluiten. Raadpleeg de USB Type-C-standaard. ² Het sensorelement reset zichzelf met een lage weerstand wanneer het probleem dat de temperatuurstijging veroorzaakt, is verholpen.

Batterijpakket

Het batterijpakket moet worden gecontroleerd op overstroom als een batterijcel uitvalt in een kortgesloten toestand en oververhit raakt. Ook kunnen de batterijbeheereenheid en de USB onderhevig zijn aan ESD. We raden een resetbare zekering aan, een PPTC-zekering voor opbouwmontage, om te beschermen tegen overstroom als gevolg van een storing in de batterijcel. Een PPTC-zekering schakelt in minder dan één seconde uit tot een overbelasting van 200% om te voorkomen dat één kortgesloten batterij schade aan meerdere batterijen veroorzaakt.

De batterijbeheereenheid en het USB-circuit moeten ESD-bescherming hebben. We raden meerlaagse metaaloxidevaristors aan met lage klemspanningen om halfgeleidercomponenten te beschermen. Wanneer het besparen van PCB-ruimte een belangrijke overweging is, kunnen versies van meerlaagse MOV's in ruimtebesparende 0402 opbouwpakketten worden ingezet.

Als het USB-circuit voldoet aan het USB Type-C-protocol, moet een thermisch sensorelement worden gebruikt dat identiek is aan het element dat wordt aanbevolen voor de USB-adapter om de bijpassende USB-aansluiting in het USB-circuit te beschermen. Meer details over het ontwerpen van een thermische detectie-indicator in een USB Type-C-circuit staan ​​in onze ontwerp- en installatiehandleiding. ³

Besturingskaart

De besturingskaart bevat digitale elektronica die de camera aanstuurt en de videogegevens opslaat. De besturingskaart heeft bescherming nodig tegen transiënten en ESD. Voor deze schakeling raden we een Zener TVS-diode aan die bestand is tegen een inslag van ± 30 kV. De TVS-diode, met een lekstroom van minder dan 0,5 µA, onttrekt een minimum aan stroom uit het circuit. De diode neemt ook een kleine hoeveelheid PCB-ruimte in beslag en kan worden ondergebracht in 0201-opbouwpakketten.

Draadloze interface

De draadloze interface communiceert met externe draadloze apparaten zoals computers, smartphones en mobiele tabletcomputers. Aangezien dit circuit wordt blootgesteld aan de interne omgeving, is het circuit gevoelig voor ESD. Overweeg in dit geval een polymeer ESD-onderdrukker. Een ESD-onderdrukker van polymeer beschermt een circuit tegen ESD-aanvallen tot ± 15 kV door de lucht en ± 8 kV tegen menselijk contact. Bovendien verslechtert de lage capaciteit van minder dan 0,2 pF de signaaloverdracht of -ontvangst niet.

Deurbelcamera's

De bedrade deurbelcamera is een zeer populair product geworden voor het op afstand bekijken van bezoekers. Afbeelding 7 toont een voorbeeld van een deurbelcamera en Afbeelding 8 toont een blokschema met aanbevolen beschermings- en bedieningscomponenten.

Figuur 7. Voorbeeld bedrade deurbelcamera en aanbevolen beveiligings- en bedieningsoplossingen

Figuur 8. Blokschema van een bedrade deurbelcamera met de aanbevolen beschermings- en bedieningscomponenten

Voedingseenheid

De voedingseenheid is gekoppeld aan een verlaagde wisselspanning van de wisselstroomleiding en kan worden blootgesteld aan stroomoverbelastingen en spanningspieken zoals stroomstoten veroorzaakt door bliksem. Net als bij de andere voedingscircuits, zal een zekering beschermen tegen huidige overbelasting. Om te beschermen tegen de spanningspieken op de AC-lijn, selecteert u een TVS-diode die een stroomstoot kan absorberen met een vermogen tot 4 kW. Overweeg het gebruik van een optisch geïsoleerd solid-state relais om de stroom naar de andere circuits te regelen en om te voorkomen dat ruis en transiënten van de voedingslijn zich verspreiden naar de stroomafwaartse circuits.

Batterijpakket

Het batterijpakket levert back-upstroom aan de besturingskaart en de gebruikersinterface. Het batterijpakket en zijn subeenheden, de batterijbeheereenheid en het USB-circuit moeten worden beschermd tegen overstroom en transiënten met behulp van vergelijkbare componenten die worden aanbevolen voor hetzelfde circuit in de draadloze camera. Het toevoegen van een TVS-diode zorgt voor onderdrukking van spanningspieken en ESD-aanvallen. Net als bij de batterij in de draadloze camera, raden we thermische detectie aan voor het USB-circuit als het USB Type-C-protocol een ontwerpvereiste is.

Gebruikersinterface

De gebruikersinterface is onderhevig aan ESD door menselijk contact. Gebruik een TVS-diode om de gebruikersinterface te beschermen tegen ESD. Als de deurbelcamera in Europa op de markt komt, moet je een schakelaar opnemen tussen het activeren van de deurbel en de camera om te voldoen aan de Europese privacyregelgeving. Overweeg het gebruik van een solid-state relais om het stuiteren van mechanische relaiscontacten en het genereren van elektromagnetische interferentie (EMI) te elimineren.

Besturingskaart en draadloze interface

De besturingskaart en de draadloze interfacecircuits werken voor de deurbelcamera zoals ze doen voor de draadloze camera. De beveiligingscomponenten die voor deze circuits in de draadloze camera worden aanbevolen, zijn van toepassing op dezelfde circuits in de deurbelcamera.

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

Sommige fabrikanten van beveiligingscamera's passen zich aan aan het "nieuwe normaal" van het leven als gevolg van de COVID-19-pandemie. Ze voegen infrarood thermische detectietechnologie toe aan de camera's, zodat de temperatuur van bezoekers aan huis of bedrijf discreet kan worden gecontroleerd. Temperatuurmeting zou een standaardfunctie kunnen worden in toekomstige slimme beveiligingssystemen voor thuis. Naarmate beveiligingscamera's steeds geavanceerder worden om dit aspect van gezondheidsveiligheid op te nemen, helpt het opnemen van de juiste circuitbeveiliging bij het ontwikkelen van betrouwbaardere en robuustere apparaten.

Figuur 9. Beveiligingscamera's voegen thermisch scannen toe om de lichaamstemperatuur na COVID-19 te bewaken

Toepasselijke normen voor huisbeveiligingscamera's

Twee veiligheidsnormen, weergegeven in tabel 1, definiëren vereisten voor apparatuur voor audio-/videocommunicatietechnologie en voor batterijen zoals lithiumbatterijen. IEC 62368-1 behandelt veiligheidseisen voor bewakingsapparatuur; en de tweede norm, IEC 62311-2, dicteert vereisten voor het waarborgen van de veiligheid van lithiumcellen en batterijen. Onjuiste montage en bediening van lithiumbatterijen kan leiden tot brand; daarom is het monitoren van dit soort batterijen essentieel. Het niet naleven van deze normen zal resulteren in herontwerp en een tweede indiening voor certificering bij een normalisatie-instelling. De projectkosten zullen stijgen en de introductie van het product kan vertraging oplopen.

Tabel 1. Veiligheidsnormen voor producten met bewakingscamera's

Waarde in bescherming

Door beschermings- en detectiecomponenten als een ontwerpdoelstelling op te nemen en de naleving van normen al vroeg in het project op te nemen, kunt u op kosteneffectieve wijze een robuust en betrouwbaar slim huisbeveiligingssysteem ontwikkelen. Uw ontwerp is natuurlijk altijd een afweging tussen prestaties en totale eigendomskosten. Hoewel sommige technologieën meer kunnen kosten dan andere, kunnen aanvullende factoren aantonen dat de laagste totale eigendomskosten een duurdere componenttechnologie vereisen. Profiteer van de technische expertise van de fabrikant van componenten bij het selecteren van componenten voor bescherming, controle en detectie. Het gebruik van een betrouwbare leverancier bespaart u tijd en middelen.

Betrouwbaarheid en efficiëntie verbeteren de reputatie van uw slimme huisbeveiligingssysteem. Een reputatie van hoge kwaliteit kan leiden tot marktaandeelgroei en omzetgroei. Dat leidt tot verbeterde winstgevendheid.

Voor meer informatie over circuitbeveiliging, sensorapparatuur en selectiecriteria voor componenten, zie de Circuit Protection Selection Guide en de Sensing Products Selection Guide met dank aan Littelfuse.

Referenties

1. Videobewakingsmarkt per systeem. Markten en Markten. april 2020.
2. Universele seriële bus Type-C kabel en connectorspecificatie. Revisie 2.0. Augustus 2019. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc.
3. Digitale temperatuurindicatoren voor USB Type-C-kabels Ontwerp- en installatiehandleiding. Littelfuse-toepassingsgids. april 2019.

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.