Ontwerpen van Robuuste Bewegingssensoren: Een Betrouwbare, Laag-Onderdelen Infrarood Oplossing

Dit artikel bespreekt concepten voor het waarborgen van robuuste bewegingsdetector ontwerpen door een infrarood detector samenstel te presenteren dat het aantal onderdelen significant kan verminderen en productprestaties en betrouwbaarheid verbetert.

Slimme huizen en gebouwen profiteren van intelligente technologieën die ze comfortabeler, veiliger en energiezuiniger maken. Figuur 1 toont het brede aanbod producten voor zowel huizen als gebouwen. Deze producten kunnen automatisch worden bewaakt en bestuurd door consumenten in hun huizen en gebouwbeheerders.

Eén product dat comfort, veiligheid en energiebesparing combineert is een infrarood bewegingsdetector. Een infrarood bewegingsdetector waarneemt bezetting in een gebied en kan vervolgens verlichting, het HVAC-systeem of een alarm activeren. Als de bewegingsdetector een beveiligingsfunctie vervult, moet deze betrouwbaar 24 uur per dag, 7 dagen per week werken.

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

Passieve infrarood technologie is de toonaangevende technologie voor bewegingszensing door een combinatie van betrouwbare prestaties en lage kosten. De markt ervaart een gezond samengestelde jaarlijkse groei van meer dan 13% en wordt verwacht $3,5 miljard te overschrijden in 2025. Factoren die groei drijven zijn:

• Residentiële vraag naar beveiliging met surveillancesystemen
• Verminderde installatiekosten met draadloze connectiviteit en IoT-netwerken
• Regeeringsinitiatieven voor energiebesparing die worden aangenomen in publieke en commerciële sectoren
• Een groeiende markt biedt kansen voor nieuwe, innovatieve ontwerpen

Beschermings-, Bestuur- en Sensorcomponenten

Omdat passieve infrarood bewegingsdetectoren worden gebruikt voor zowel interieurbewaking als buitenaf, moeten deze producten robuust zijn tegen omgevingsstoringen. Als de detectoren gevoed worden door het net, moeten ze in staat zijn stroomoverbelasting en spanningspieken te weerstaan die zich op de netspanning kunnen voordoen. Naast schakelbescherming zijn efficiënte controle en betrouwbare sensorprestaties essentieel voor een kwaliteitsproduct.

Figuur 2 toont een voorbeeld infrarood bewegingsdetector en geeft aanbevolen beschermings-, controle- en sensorcomponenten die productbetrouwbaarheid en -prestaties verbeteren.

Figuur 2. Een voorbeeld passieve infrarood bewegingsdetector met aanbevolen beschermings-, controle- en sensorcomponenten

In Figuur 3 tonen we een blokdiagram van een passieve infrarood bewegingsdetector, en we tonen in welke schakelingen de aanbevolen beschermings-, sensor- en controlecomponenten geplaatst moeten worden. We bespreken elk blok waarin componenten worden aanbevolen.

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

AC/DC Voedingstraps

De AC/DC voedingstraps levert de DC-voeding voor de andere schakelblokken. Deze schakeling interfaceert met de netspanning en onderworpen aan stroompieken en spanningsoverlast. Spanningspieken en stroomoverlast kunnen voortkomen uit bliksemslagen, inductieve pieken van motor in- en uitschakelen, en transiënten van netspanningsvariaties.

Tegen deze potentiële storingen raden we een metalen oxide varistor (MOV) aan als eerste verdedigingslijn voor de AC/DC voedingstraps print. Plaats de MOV zo dicht mogelijk bij de ingang van de netspanning op de print om het propagatiepad voor nettransiënten op de print te minimaliseren. Selecteer een MOV met deze kenmerken:

• Veilige absorptie van tot 10 kA piekstroom of 150 J pulsenergie om downstream schakelingen te beschermen tegen bliksemslag
• Lage clamping spanning die downstream schakelingen niet beschadigt
• Een werkingtemperatuurgebied om te waarborgen dat het component functioneert over het gespecificeerde omgevingsbereik van de detector (versies van MOV's met fenolcoating kunnen veilig tot 125 °C werken)
• UL- of IEC-erkend om kwalificatietijd te verminderen door een nationaal erkend standaardlab

Op de uitgang van de AC/DC Voedingstraps raden we een transiënt suppressor (TVS) diode aan voor verdere bescherming van alle belastingsschakelingen op de voeding. De TVS-diode zal transiënte stress op de stroomcomponenten in de verschillende belastingsschakelingen minimaliseren. De TVS-diode biedt deze voordelen voor schakelbescherming:

• Absorptie van maximaal 600 W piekpulsvermogen of 100 A piekstroom
• ESD-bescherming die zo hoog kan zijn als 30 kV, hetzij door door-de-lucht-slagen of direct contact
• Ultra-snelle respons, onder 1 ps, op een transiënt
• Versies met clamping spanningen zo laag als 10 V
• UL of IEC componentherkenning

Zoals getoond in Figuur 4, kunnen TVS-dioden bidirectioneel zijn, twee serie dioden in een behuizing, of unidirectioneel, een enkele diode. Naast hun beschermingskenmerken consumeren TVS-dioden een kleine hoeveelheid stroom. In normale, storingsvrije werking trekt het component minder dan 1 µA. Ten slotte zijn surface mount versies van TVS-dioden beschikbaar voor het besparen van printplaatoppervlak.

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

Bewegingsensor en MCU

De primaire elementen van de passieve infrarood detector zijn de infrarood stralingssensor en de microcontroller unit. Wees ervan bewust dat complete pakketten beschikbaar zijn die een sensor, een lens en een microcontroller unit bevatten (zie Figuur 5). Een compleet pakket biedt:

• Vermindering van de ontwerp's stuklijst omdat de sensor direct verbindt met de microcontroller chip.
• Een microcontroller die alle schakelingen bevat die nodig zijn voor een compleet ontwerp voor de detectie- en verwerkings-elektronica. De microcontroller bevat de CPU, RAM, timers, vergelijkers, A/D-converter, communicatie-interface, en de firmware voor de sensor.
• Een twee-element of vier-element sensor die, gecombineerd met een lens, talloze opties voor verschillende zichtvelden kan bieden.
• Ontwerpen die het gebruik van goedkopere en kleinere keramische condensatoren toestaan vergeleken met typisch gebruik van electrolytische condensatoren die hogere lekkage en kortere productlevensduur hebben
• Geavanceerde bewegingsdetector algoritmen die gevoeligheid, bereik en detectieveld management bieden
• Flexibiliteit in de microcontroller om gebruikersgedefinieerde applicatiefuncties te implementeren

Voor stroombesparing, zoek naar een samenstel dat een laag-vermogen modus heeft wanneer geen beweging wordt gedetecteerd. Figuur 6 toont een voorbeeld infrarood bewegingsdetector pakket. De combinatie van een geïntegreerd pakket met minder componenten en geen electrolytische condensatoren verbetert de algehele productbetrouwbaarheid, bespaart printplaatruimte en verlaagt kosten.

Figuur 5. Blokdiagram van een combinatie lens, sensor en microcontroller samenstel

Figuur 6. Een voorbeeld lens-sensor-microcontroller infrarood bewegingsdetector samenstel. Dit samenstel is van Zilog. De lens en sensor zijn bovenop de print. De microcontroller zit onder de sensor.

Alarm

Het alarmcircuit activeert wanneer de infrarood sensor een passende hoeveelheid beweging detecteert. Het circuit zal typisch een knipperende LED-lamp of een combinatie van een LED-lamp en een spreker aansturen. Het alarmcircuit heeft een bestuurcomponent nodig om het externe apparaat te energiseren. Overweeg of een reed relay of een solid-state relay, beide bieden galvanische isolatie van de hoge-vermogen aansturing van de laag-vermogen logica schakeling. Een solid-state relay biedt langere levensduur voor de uitgangscontacten, terwijl een reed relay lager stroomverbruik biedt.

Reed relays zijn beschikbaar in compacte single-in-line behuizingen. Je kunt ook reed relays krijgen met ingebouwde back-EMF suppressor diodes om de spoelaansturing te beschermen en met magnetische schildopties om spoel EMI uit de besturingselektronica te houden. Bovendien hebben reed relay contacten een langere levensduur dan conventionele elektromechanische relays, en zijn ze relatief immuun voor brede bereiken van omgevingstemperaturen.

Solid state relays koppelen optisch controle tussen een input LED en een output fotodetector transistor. Solid-state relays kunnen zoveel als 1500 Vrms isolatie tussen in- en uitgang hebben. Velen zijn ontworpen om EMI/RF generatie te elimineren met logica die schakeling op nulspanningsdoorpassing initieert. Versies van solid-state relays kunnen lage off-state uitgangslekstroom van onder 1 µA hebben om stroomverbruik te minimaliseren. Ze zijn beschikbaar in ruimtebesparende, surface-mount pakketten.

Je keuze van aansturingscomponent hangt af van het waarborgen dat de contacten of de uitgang voldoende aansturingscapaciteit hebben voor de typen uitgangen die gebruikt zullen worden. Grootte, stroomverbruik en kosten zullen andere factoren zijn die je in je keuze van aansturingscomponent wilt meewogen.

Veiligheidsstandaarden voor Passieve Infrarood Bewegingssensoren

Tabel 1 liest kritieke standaarden waar je ontwerp aan moet voldoen zodat het gecertificeerd kan worden en marktacceptatie krijgt. Het naleven van deze standaarden als onderdeel van het ontwikkelproject zal certificeringskosten en -tijd verminderen. Het voldoen aan de IEC-standaarden zal verkoop van je product in alle wereldwijde regio's toestaan.

Tabel 1. Standaarden die Veiligheid en Minimale Operationele Eisen voor Passieve Infrarood Bewegingssensoren Regeren

Robuuste, Betrouwbare Ontwerpen Kunnen Een Laag Aantal Componenten en Lage Ontwikkelingskosten Hebben

Voor een infrarood detector ontwerp vereist een robuust ontwerp slechts een paar beschermingscomponenten. Je kunt profiteren van een lens/sensor/microcontroller pakket om het aantal onderdelen te verminderen en de productbetrouwbaarheid te maximaliseren. Zorg ervoor dat je standaardsnaleving als belangrijk element van het ontwikkelproject opneemt om certificeringstijd en -kosten te besparen. We raden aan om gebruik te maken van een fabrikant's applicatie-expertise om tijd te besparen bij selectie van beschermings- en controlecomponenten en significatieve ontwerptijd te besparen. De fabrikant kan ook begeleiden welke standaarden van toepassing zijn op het ontwerp en begeleiding geven over hoe naleving te waarborgen. Deze aanbevelingen helpen je een robuust, betrouwbaar ontwerp te bereiken dat zal leiden tot minder veldfouten en een meer kosteneffectief en winstgevend product.

Referenties

1.) Occupancy Sensor Market. Markets and Markets. Juli 2020.

Referentie Literatuur

Om meer te leren, download de Building Automation Application Guide en Circuit Protection Selection Guide, courtoisie van Littelfuse, Inc.

Industry Articles zijn een vorm van content die industriepartners in staat stelt nuttig nieuws, berichten en technologie met All About Circuits lezers te delen op een manier waar editorial content niet goed bij past. Alle Industry Articles onderworpen aan strikte editoriële richtlijnen met de bedoeling lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De meningen en opinies uitgedrukt in Industry Articles zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.