Intelligente circuitbeveiliging en detectieontwerp voor Smart Home-sloten en toegangscontroles

Dit artikel geeft een overzicht van de toegangscontrole-topologie in slimme woningen en industriële gebouwen door de verschillende beveiligings- en detectieoplossingen te behandelen die ingenieurs in hun ontwerpen kunnen gebruiken.

De combinatie van smartphone-, netwerk- en internet-of-things (IoT)-technologieën heeft de ontwikkeling mogelijk gemaakt van zowel het slimme huis als geavanceerde gebouwautomatisering. Deze technologieën zorgen voor meer automatisering, controle en beveiliging, waardoor de huiseigenaar of de bewoner van het kantoor meer gemak en het geruststellende gevoel van meer veiligheid krijgt. Waar de huiseigenaar of de bewoner van het kantoor ook is, ze kunnen de status van hun deurslot en hun ramen en deuren bekijken.

Ingenieurs die beveiligingsproducten voor woningen en gebouwen ontwerpen, zoals slimme sloten en raam- en deursensoren, moeten ervoor zorgen dat hun apparaten geen vals gevoel van veiligheid creëren voor hun klanten. Ontwerpers moeten de beschermings- en detectiecomponenten begrijpen die nodig zijn om te voldoen aan de toepasselijke veiligheidsnormen en om veilige, robuuste en betrouwbare producten te garanderen.

Alleen al de markt voor slimme sloten is een sterk groeiende markt en is opportunistisch voor innovatie. De wereldwijde groei voor slimme sloten zal naar verwachting een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 25 procent hebben, waarbij de groei van het aantal eenheden zal toenemen van ongeveer zeven miljoen eenheden in 2019 tot ongeveer 23 miljoen eenheden in 20241. De residentiële markt zal het grootste deel van de groei vertegenwoordigen , wat ongeveer 70 procent zal zijn.

Net als bij slimme sloten zal het toegenomen bewustzijn van persoonlijke beveiliging de wereldwijde groei van raam- en deursensoren stimuleren, vooral in opkomende economieën. De verzendingen zullen naar verwachting toenemen van ongeveer 300 miljoen eenheden in 2019 tot ongeveer 465 miljoen eenheden in 20242. Deze groei bedraagt ​​een CAGR van ongeveer negen procent. De markt voor slimme huisbeveiligingsproducten is een gezonde, aantrekkelijke markt.

Smart Lock-ontwerpen beschermen

Een smart lock bestaat uit een toetsenbord voor handmatige toegang, een draadloze protocolkoppeling voor smartphonetoegang via een softwaretoepassing, een sensor om de positie van de deurkruk te bewaken, actuatoren om de deur te vergrendelen of ontgrendelen en detectie om een ​​poging tot ontwijking te detecteren het slot. Afbeelding 1 toont een voorbeeld van een slim deurslot met voorgestelde beschermings- en detectiecomponenten om een ​​betrouwbare werking te garanderen. Figuur 2 geeft een gedetailleerd blokschema van een slim slot; en het diagram toont de aanbevolen plaatsing voor de voorgestelde beschermings- en detectiecomponenten.

Elektrostatische ontlading (ESD) is het grootste gevaar voor smart lock-elektronica. Zowel de gebruikersinterface als de draadloze interface zijn gevoelig voor ESD van de gebruiker.

De gebruikersinterface bevat het toetsenbord waarmee een persoon contact opneemt om de voorgeprogrammeerde toegangscode in te voeren. Een individu is een bron van ESD, vooral in een droge omgeving. Ontwerpers moeten het circuitblok van de gebruikersinterface beschermen tegen ESD om schade aan gevoelige elektronica te voorkomen.

Figuur 1. Een slim slot met aanbevolen beschermings- en detectieoplossingen

Figuur 2. Smart lock-blokdiagram met de circuitblokken waar beschermings- en detectiecomponenten worden aanbevolen

Voor ESD-bescherming moeten ontwerpers een transiënte spanningsonderdrukker (TVS)-diode of een diodearray overwegen. TVS-diodes zijn Zener-diodes gebouwd met een siliciumlawinetechnologie en kunnen een minimaal beveiligingsniveau van ±15 kV ESD-spanning bieden. Een TVS-diodearray kan zes zenerdiodes bevatten om vijf signaallijnen te beschermen en een aardingsreferentie te bieden. Zie afbeelding 3. Het voordeel van een array is dat één ruimtebesparend onderdeel in een 0402 opbouwpakket tot vijf lijnen kan beschermen.

De impact op het schakelblok is minimaal; een TVS-diodearray kan een lekstroom hebben van slechts 1 µA. Als een hoger niveau van ESD-bescherming gewenst is, kan een individuele diode ESD-bescherming bieden voor elke signaallijn. Een enkele TVS-diode, weergegeven in figuur 4, kan tot ±30 kV weerstaan. Welke configuratie ook wordt gebruikt, plaats de TVS-diodes zo dicht mogelijk bij de ingang van het circuit om te voorkomen dat een ESD-transiënt in het circuit dringt.

Figuur 3. Voorbeeld 5-lijns TVS-diodearray

Figuur 4. Een enkele TVS-diode

De draadloze interface maakt verbinding met het mobiele netwerk of een draadloos LAN, een WiFi-netwerk, om te communiceren met een smartphone of een ander netwerkapparaat. Aangezien het is blootgesteld aan de externe omgeving, moet de draadloze interface ESD-bescherming hebben. Het aanbevolen onderdeel is een ESD-onderdrukker van polymeer.

De waarde van een ESD-onderdrukker van polymeer is zijn vermogen om te reageren op ESD-transiënten en deze te absorberen, terwijl het een verwaarloosbare invloed heeft op de karakteristieke impedantie van de output van de draadloze interface. Polymeer ESD-onderdrukkers zijn bestand tegen een ESD van ±8 kV direct contact en een luchtaanval van ±15 kV. Typische capaciteit voor de component is een lage 0,06 pF. De responstijd op een transiënt is extreem snel, minder dan 1 ns. Plaatsing moet zo dicht mogelijk bij de ingangsantenneconnector zijn. Afbeelding 5 toont twee configuraties voor polymere ESD-onderdrukkers, bidirectionele componenten.

Figuur 5. Configuraties voor polymere ESD-onderdrukkers, bidirectionele componenten

Aanbevelingen voor het detecteren van slimme sloten

Detectie om ervoor te zorgen dat de deur volledig in het deurkozijn zit, vereist een sensor. Een reed-schakelaar met een magnetische actuator is een energiezuinige sensoroplossing voor een op batterijen werkend slim slot. Reed-schakelaars hebben geen aandrijfvermogen nodig en zijn hermetisch afgesloten voor een lange levensduur in elke omgeving. Versies kunnen 10 W schakelen met nominale waarden tot 0,5 A of tot 200 V. De schakelaars zijn zeer geschikt voor gebruik in laagspanningscontrollercircuits. Daarnaast zijn er opbouwversies beschikbaar voor geautomatiseerde printplaatmontage.

Ontwerpers zouden een cilindrische magnetische actuator moeten overwegen die is ontworpen voor montage op een frame zoals een deurframe. Een AlNiCo-magneet is het aanbevolen materiaal; en het formaat kan zo klein zijn als 5 mm x 25 mm.

Het circuitblok Sabotagedetectie vereist ook een sensor om de gebruiker te waarschuwen als het slot is gecompromitteerd en de deur is geopend. Nogmaals, een reed-schakelaar en een actuator worden aanbevolen. De reed-schakelaar-actuatorcombinatie verbruikt een minimale hoeveelheid stroom om de levensduur van de batterij te maximaliseren. Ontwerpers kunnen een reed-schakelaar-actuatorpaar overwegen met instelbare gevoeligheid om een ​​snelle reactie op een sabotageslot te garanderen.

Er zijn slechts vier componenten nodig om zowel bescherming als detectie te bieden voor een slim slot. Deze componenten verbruiken een minimum aan printplaatruimte en zorgen voor een veilig en betrouwbaar product.

Bescherming van draadloze deur- en raamsensorontwerpen

Draadloze deur- en raamsensoren geven informatie over de staat van ramen en deuren. De gebruiker kan vanaf elke locatie informatie krijgen of ramen en deuren open of gesloten zijn. Afbeelding 6 toont een hardwareconfiguratie voor zowel een draadloze deursensor als een draadloze raamsensor. De afbeelding toont ook de aanbevolen beschermings- en detectiecomponenten voor elk van de hardware-elementen.

Figuur 6. Draadloos raam- en deurdetectiesysteem met aanbevolen bescherming en weergegeven detectiecomponenten

Figuur 7 toont het blokschema van de twee belangrijkste elementen van het systeem. Het sensorcircuit detecteert de positie van het raam of de deur en rapporteert de informatie aan een controller die ook de interface is voor de gebruiker en de zender van informatie naar elke locatie. Het sensorcircuit bevindt zich op de deur en het raam en moet beweging mogelijk maken; dus moet de schakeling op batterijen werken. De gebruikersinterfacecontroller met het toetsenbord bevindt zich op een vaste locatie, zodat deze op wisselstroom kan worden aangesloten. Wisselstroomvoeding is een typische toepassing voor commerciële installaties.

Figuur 7. Blokschema van een raam- en deursensorsysteem met de circuitblokken en de aanbevolen beschermings- en detectiecomponenten

Net als bij het slimme slot, moeten ontwerpers een reed-schakelaar-magnetische actuator overwegen voor naderingsdetectie. Omdat er geen activeringsvermogen nodig is, verlengt de reed-schakelaar de levensduur van de batterij van het sensorsysteem. De circuitblokken van de draadloze interface in de sensor en de gebruikersinterfacecontroller kunnen ESD-onderdrukkers van polymeer gebruiken om bescherming tegen ESD te garanderen terwijl de integriteit van de RF-transmissie behouden blijft. Ook vergelijkbaar met het slimme slot, moet het circuitblok van de gebruikersinterface met zijn toetsenbord ESD-bescherming tegen menselijk contact hebben. Een TVS-diodearray kan de gevoelige signaallijnen beschermen tegen ESD-transiënten.

Waar wisselstroom en een AC-DC-voeding de gebruikersinterfacecontroller van stroom voorzien, moeten ontwerpers de controller beschermen tegen mogelijke bedreigingen van de AC-lijn. Mogelijke schade aan de elektronica kan het gevolg zijn van overstroom, blikseminslagen en andere spanningspieken en ESD-transiënten. Ontwerpers kunnen hun ontwerpen tegen deze omstandigheden beschermen met beveiligingen voor zekeringen en spanningspieken.

Er zijn talloze opties voor zekeringen, waaronder de werkingskenmerken van de zekering en de stijl van de behuizing om te voldoen aan een breed scala aan ontwerpdoelstellingen. Ontwerpers moeten rekening houden met vertragings- of slo-blo-zekeringen om hinderlijke uitschakelingen te voorkomen. Bovendien moeten ontwerpers de nominale stroomsterkte van de zekering selecteren om, indien van toepassing, kortdurende overbelastingen op te vangen, zoals inschakelstromen. Andere overwegingen zijn onder meer de onderbrekende classificatie die de maximale overbelastingsstroom definieert die de zekering kan onderbreken. Deze parameter wisselt af met de zekeringgrootte. Als een kleine zekering nodig is, moet de ontwerper ervoor zorgen dat de zekering bestand is tegen de beschikbare kortsluitstroom die door de AC-lijn wordt geleverd. Een laatste overweging is de koude weerstand van de zekeringen. Als stroomverbruik een eerste zorg is, moeten ontwerpers op zoek naar een zekering met een lage koudeweerstand.

Om de energie van een spanningstransiënt op de AC-lijn van bliksem of motoraan- en uitschakelpieken veilig te absorberen, zouden ontwerpers moeten overwegen om een ​​metaaloxidevaristor (MOV) te gebruiken. MOV's kunnen een stroomstoot van wel 10.000 A opvangen van een transiënte puls van 8/20 µs. Een MOV van 20 mm kan ook tot 530 J aan energie absorberen.

Een alternatief onderdeel voor een MOV is een TVS-diode. Modellen die zijn ontwikkeld voor het beschermen van circuits tegen bliksem en andere transiënten, zijn bestand tegen wel 1500 W vermogen van een puls van 10/1000 µs. Om het stroomverbruik te minimaliseren, trekt een TVS-diode onder normale bedrijfsomstandigheden minder dan 1 µA. Bovendien kan een TVS-diode snel reageren op een transiënt in minder dan 1 ps. Er zijn versies voor opbouwmontage beschikbaar om de montage te minimaliseren. Afbeelding 8 toont de symbolen voor een TVS-diode. Ontwerpers kunnen een bidirectionele diode of een unidirectionele diode selecteren.

Figuur 8. Configuraties voor een bidirectionele en een unidirectionele TVS-diode

Net als bij een slim slot zijn er niet veel componenten nodig om de raam- en deurdetectiecircuits te beschermen. Ontwerpers hebben een aantal opties om de meest geschikte versies voor hun producten te selecteren.

Voldoen aan de industrienormen voor elektronische beveiligingsproducten

Ontwerpers moeten op de hoogte zijn van de normen die van toepassing zijn op de producten die ze ontwikkelen, zodat ze de vereisten kunnen opnemen tijdens de ontwikkelingsfase van hun project. Het niet naleven van de normen kan leiden tot mogelijk duur herontwerpwerk en vertragingen bij de productintroductie.

Naast algemene productveiligheidsnormen zoals de IEC 61000-serie, die eisen definiëren voor het weerstaan ​​van ESD, elektrisch snelle transiënten en bliksem, bestaan ​​er specifieke normen voor elektronische vergrendeling en aanverwante producten. Tabel 1 geeft een overzicht van de geldende normen voor elektronische sloten en aanverwante apparaten. Deze normen dekken de Noord-Amerikaanse markt en China. De documenten zijn essentiële referentiematerialen voor ontwerpers van slimme sloten en raam- en deursensoren.

Tabel 1. Normen voor elektronische vergrendeling en aanverwante producten voor Noord-Amerika en China

Samenvatting

Een reputatie op het gebied van kwaliteit, betrouwbaarheid en gemak is een enorm concurrentievoordeel voor fabrikanten van slimme sloten en raam- en deurdetectieproducten. Het opnemen van de juiste beschermings- en detectiecomponenten zal bijdragen aan het bereiken van veilige en robuuste producten. Gelukkig hebben ontwerpers maar een klein aantal componenten nodig om hun producten volledig te beschermen en te voldoen aan de veiligheidsnormen. Met energiezuinige sensoren kunnen ontwerpers de levensduur van de batterij maximaliseren om de frequentie van batterijvervanging te minimaliseren. Ontwerpers hebben een aantal alternatieve componenten die ze kunnen gebruiken. Een laatste aanbeveling voor het bereiken van een optimaal ontwerp is om gebruik te maken van de expertise van de componentenfabrikanten en hun advies in te winnen.

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. Slimme marktomvang. Grandview-onderzoek. Februari 2020.
2. Venstersensoren Marktvooruitzichten. Vooruitzichten Marktonderzoek. mei 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.