Überlegungen zum Schaltungsschutz, zur Steuerung und zum Sensordesign für Smart Home-Sicherheitsanwendungen

In diesem Artikel werden Komponenten untersucht, die ihre Schaltkreise in Smart-Home-Sicherheitsanwendungen schützen und steuern, insbesondere Komponenten zum Schutz von kabelgebundenen und kabellosen Sicherheitskameras und kabelgebundenen Türklingelkameras.

Fortschritte in der IoT-Technologie ermöglichen die Entwicklung von Smart Home-Sicherheitssystemen, die den Verbrauchern Sicherheit, Komfort und Energieeffizienz bieten. Neue Sensortechnologie und drahtlose Protokolle wie Wireless LAN (Wi-Fi) haben eine breite Palette von Geräten geschaffen, die Sicherheitsausrüstung, Zugangskontrollausrüstung, Geräte, Energiemanagementausrüstung, Steckdosen, Beleuchtung und Unterhaltungssysteme überwachen und steuern können. Abbildung 1 veranschaulicht die Bandbreite der IoT-Technologie, die das Smart Home ermöglicht.

Abbildung 1. Zu den Vorteilen der Smart-Home-Technologie gehören die Kontrolle von Unterhaltung, Geräten, Zugang, Strom und Energie sowie Sicherheit.

Der Markt für Smart Home Security ist ein dynamischer Markt. Es wird erwartet, dass die Auslieferungen von Überwachungskameras für den Wohnbereich von 54 Millionen Einheiten im Jahr 2018 auf 120 Millionen Einheiten im Jahr 2023 ansteigen. Dies entspricht einer erheblichen durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 17 %. Dieser Markt bietet erhebliche Chancen für Innovationen und neue Produkte.

Zuverlässigkeit gleich Sicherheit

Smart-Home-Sicherheitsprodukte müssen sehr zuverlässig sein, um Marktanteile zu gewinnen. Da immer mehr Anbieter in den Markt eintreten und die Produktdifferenzierung abnimmt, wird die Produktqualität für die Verbraucher ein wichtigerer Entscheidungsfaktor. Daher müssen Produkte robust gegenüber Überlastungen und Transienten sein. Die folgenden Absätze geben Entwicklern von Heimsicherheitssystemen Empfehlungen für die Verwendung und Auswahl von Komponenten, die ihre Schaltkreise schützen und steuern. Komponenten zum Schutz folgender Produkte werden vorgestellt:

• Kabelgebundene und kabellose Sicherheitskameras
• Kabelgebundene Türklingelkameras
  

Kabelgebundene Sicherheitskameras

Kabelgebundene Sicherheitskamerasysteme sind typischerweise fest montierte Sicherheitssysteme zum Überwachen von Bereichen, die eine Wohnung umgeben. Abbildung 2 zeigt eine kabelgebundene Sicherheitskamera und empfohlene Komponenten zum Schutz und zur Steuerung der Kamera. Diese Kameras werden mit Wechselstrom versorgt und unterliegen Überlastungen und Transienten, die sich über die Wechselstromleitung ausbreiten. Darüber hinaus unterliegen alle Verbindungen zur Außenumgebung elektrostatischer Entladung (ESD).

Entwickler müssen ihre Kameraschaltkreise vor Schäden aufgrund dieser gefährlichen Bedingungen schützen. Abbildung 3 zeigt ein Blockdiagramm einer kabelgebundenen Sicherheitskamera und der empfohlenen Schutz- und Kontrollkomponenten, um ein robustes Produkt zu gewährleisten.

Abbildung 2. Beispiel einer kabelgebundenen Sicherheitskamera und empfohlenen Schutz- und Kontrollkomponenten

Abbildung 3. Blockschaltbild der verdrahteten Sicherheitskamera mit den Schaltkreisen und ihren empfohlenen Schutz- und Kontrollkomponenten.

Netzteil

Das Netzteil ist mit der Wechselstromleitung verbunden und muss vor Stromstößen und Spannungstransienten in der Stromleitung geschützt werden. Wir empfehlen Sicherungen zum Überlastschutz, einen Metalloxid-Varistor (MOV) zum Schutz vor transienten Stromstößen und eine Transient Voltage Suppressor (TVS)-Diode zum Schutz vor Spannungstransienten. Diese drei Komponenten mit Parametern, die für die Besonderheiten Ihres Designs ausgewählt wurden, stellen sicher, dass das Netzteil robust gegenüber Überlastungen und Transienten ist.

Wählen Sie eine träge Sicherung, um störende Öffnungen der Sicherung aufgrund von Einschaltstromspitzen zu vermeiden. Um jedoch Schäden an der Schaltung des Netzteils zu vermeiden, wählen Sie eine Sicherung, die schnell auf eine dauerhafte Überlast reagiert, beispielsweise innerhalb weniger Sekunden auf eine Überlastung von 200 %. Übersehen Sie bei der Auswahl einer Sicherung nicht andere wichtige Parameter. Stellen Sie sicher, dass die Nennspannung der Sicherung die maximale Netzspannung überschreitet, die das Netzteil sieht. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Unterbrechungsleistung höher ist als die Stromüberlastung im schlimmsten Fall, die der Stromkreis erwarten würde.

Eine angemessene Unterbrechungsleistung vermeidet physische Schäden an der Sicherung aufgrund einer großen vorübergehenden Überlastung von der Wechselstromleitung. Da der Platz in der Stromversorgung knapp ist, suchen Sie nach kleinen Sicherungen, die den Anforderungen entsprechen. Verwenden Sie schließlich eine Sicherung mit UL/IEC-Zertifizierungen, um die Qualifizierung der Produktsicherheit zu vereinfachen und zu beschleunigen.

Schützen Sie bei großen, energiereichen Überspannungen, beispielsweise durch Blitzschlag, die Versorgung mit einem Metalloxid-Varistor (MOV), der sich so nah wie möglich am Eingang der Versorgung befindet. MOVs können Stoßströme bis zu 10 kA absorbieren und sie können eine Spitzenenergie von über 500 J aufnehmen. Da der MOV mit der Stromleitung in Kontakt steht, verwenden Sie eine UL/IEC-zertifizierte Komponente.

Das dritte Schutzelement, das Sie in Betracht ziehen sollten, ist eine Transient Voltage Suppressor (TVS)-Diode, um nachgeschaltete Schaltungen vor Spannungstransienten zu schützen. TVS-Dioden reagieren extrem schnell auf Transienten, in weniger als 1 ps. Beim Unterdrücken eines Transienten klemmt die TVS-Diode ihren Ausgang auf eine niedrige Spannung, um empfindliche Schaltungen zu schützen. TVS-Dioden sind entweder in unidirektionaler oder bidirektionaler Ausführung erhältlich und verfügen über einen breiten Klemmspannungsbereich, der bis zu 10 V betragen kann.

DC-Eingangsstufe

Die DC-Eingangsstufe liefert Gleichspannung zur Stromversorgung der Steuerplatine, des Motorantriebs und der Bildsensorschnittstelle. Wir empfehlen für diese Schaltung sowohl einen Stromüberlastschutz als auch einen Transientenspannungsschutz. Entweder eine konventionelle Sicherung oder eine rückstellbare Polymersicherung mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC) sind Optionen. SMD-Versionen dieser beiden Arten von Sicherungen sind verfügbar, so dass sie nur minimalen Platz auf der Platine verbrauchen. TVS-Dioden sind auch in platzsparenden SMD-Gehäusen erhältlich und halten Transienten mit bis zu 5000 W Impulsspitzenleistung stand.

Steuerplatine

Die Steuerplatine enthält die Intelligenz für die Kameraschaltung. Die Steuerplatine enthält die MCU, den Videospeicher und die kabelgebundene Schnittstellenschaltung, die mithilfe des PoE-Protokolls Informationen über die Wechselstromleitung überträgt. Zwei der Schaltkreise der Steuerplatine sollten über Schutzkomponenten verfügen. Diese beiden Schaltungen sind die Wired Interface und die Speicherschaltung.

Die kabelgebundene Schnittstelle ist mit der externen Umgebung verbunden und sollte über einen Schutz gegen Stromüberlastung und transiente Spannungen verfügen. Wählen Sie wie bei der DC-Eingangsstufe entweder eine konventionelle Sicherung oder eine rückstellbare Sicherung zum Schutz vor Stromüberlastung. Zum Schutz vor Spannungsspitzen empfehlen wir ein spezielles Bauteil, ein TVS-Diodenarray. Das TVS-Diodenarray schützt die PoE-E/A-Leitungen vor ESD und anderen Hochspannungstransienten.

Abbildung 4 zeigt ein Array von bidirektionalen Dioden in Kombination mit einer Zener-Diode, um einem ESD-Einschlag von ±30 kV standzuhalten. Diese Dioden haben eine niedrige Kapazität von 1 pF/Port, wodurch ihre Auswirkungen auf die Sende- und Empfangssignale des POE-Protokolls minimiert werden. Dioden-Array-Konfigurationen, wie in Abbildung 4 gezeigt, sind in oberflächenmontierten Gehäusen erhältlich, die den geringsten Platz auf der Leiterplatte beanspruchen.

Abbildung 4. Ein TVS-Diodenarray für den ESD-Schutz mehrerer E/A-Ports

Die SD-Karte enthält die von der Kamera erfassten Daten. Wir empfehlen eine TVS-Diode, um diesen wichtigen Stromkreis vor bis zu ±30 kV ESD zu schützen. TVS-Dioden haben niedrige Leckströme unter 1 µA, um den Stromverbrauch zu reduzieren.

Motorantrieb

Der Motorantriebsblock verfügt über eine Schwenk- und Neigemotorschaltung, die die Kamera so positioniert, dass sie die Bewegung verfolgt. Für diese Schaltung empfehlen wir eine Steuerkomponente, einen optisch getrennten Halbleiterschalter. Die optische Isolierung verhindert, dass Motorgeräusche und Transienten in den Pan- und Tilt-Steuerkreis zurückkoppeln. Die Halbleiterschaltung bietet ein prellfreies Schalten für eine sanftere Steuerung des Motors. Suchen Sie nach Halbleiterschaltern mit Nulldurchgangsschaltung, um Einschwingvorgänge beim Motorstart zu minimieren. Suchen Sie auch nach Schaltern mit Strombegrenzung zum Schutz vor einem blockierten Motor.

Drahtlose Überwachungskameras

Zur Überwachung von Innenräumen sind drahtlose Überwachungskameras klein und können überall leicht platziert werden. Siehe Abbildung 5 für ein Beispiel einer drahtlosen Kamera. Abbildung 6 zeigt ein Blockdiagramm für die drahtlose Kamera und die empfohlenen Schutz- und Steuerungskomponenten für dieses Gerät.

Abbildung 5. Beispiel einer drahtlosen Sicherheitskamera mit empfohlenen Schutzkomponenten

Abbildung 6. Blockschaltbild einer drahtlosen Sicherheitskamera und empfohlener Schutz- und Sensorkomponenten

Adapter

Der USB-Adapter ist die Stromversorgung für die drahtlose Überwachungskamera. Da er an das Wechselstromnetz angeschlossen wird, muss der USB-Adapter vor Stromüberlastungen und Spannungsspitzen geschützt werden. Ähnlich wie das Netzteil, das eine kabelgebundene Überwachungskamera mit Strom versorgt, sollte der USB-Adapter eine Sicherung für den Überstromschutz, einen MOV für Blitzeinschläge und eine TVS-Diode für den ESD-Schutz haben.

Wenn das Design ein USB-Typ-C-Protokoll verwendet, erfordern die USB-Typ-C-Steckverbinder mit hoher Dichte eine thermische Erfassung, um einen Kurzschluss zwischen den Anschlussstiften zu erkennen. Ein mit USB-Typ-C-Designs konformes Thermosensorelement vermeidet Schäden an Kabeln und Anschlüssen, wenn Staub oder Schmutz benachbarte Anschlussstifte kurzschließen. Siehe den USB-Typ-C-Standard. ² Das Sensorelement stellt sich selbst mit einem niedrigen Widerstand zurück, wenn das Problem, das den Temperaturanstieg verursacht hat, behoben ist.

Akku

Der Akku sollte auf Überstrom überwacht werden, wenn eine Akkuzelle im Kurzschlusszustand ausfällt und überhitzt. Auch die Batteriemanagementeinheit und der USB können ESD-gefährdet sein. Wir empfehlen eine rückstellbare Sicherung, eine PPTC SMD-Sicherung, zum Schutz vor einem Überstrom aufgrund eines Batteriezellenausfalls. Eine PPTC-Sicherung löst in weniger als einer Sekunde bei einer Überlastung von 200 % aus, um zu verhindern, dass eine kurzgeschlossene Batterie mehrere Batterien beschädigt.

Die Batteriemanagementeinheit und der USB-Kreis sollten einen ESD-Schutz haben. Wir empfehlen mehrlagige Metalloxid-Varistoren mit niedrigen Klemmspannungen zum Schutz von Halbleiterbauelementen. Wenn Platzersparnis auf der Leiterplatte ein wichtiger Aspekt ist, können Versionen von Mehrschicht-MOVs in platzsparenden 0402-SMD-Gehäusen eingesetzt werden.

Wenn der USB-Kreis dem USB-Typ-C-Protokoll entspricht, sollte ein Wärmesensor verwendet werden, der identisch mit dem für den USB-Adapter empfohlenen ist, um die passende USB-Buchse im USB-Kreis zu schützen. Weitere Details zum Entwerfen eines Temperatursensors in einem USB-Typ-C-Schaltkreis finden Sie in unserer Design- und Installationsanleitung. ³

Steuerplatine

Die Steuerplatine enthält eine digitale Elektronik, die die Kamera steuert und die Videodaten speichert. Die Steuerplatine muss vor Transienten und ESD geschützt werden. Für diese Schaltung empfehlen wir eine Zener-TVS-Diode, die einem Schlag von ± 30 kV standhält. Die TVS-Diode mit einem Leckstrom von unter 0,5 µA zieht nur ein Minimum an Leistung aus dem Stromkreis. Die Diode nimmt auch wenig Platz auf der Leiterplatte ein und kann in 0201 SMD-Gehäusen untergebracht werden.

Drahtlose Schnittstelle

Die drahtlose Schnittstelle kommuniziert mit externen drahtlosen Geräten wie Computern, Smartphones und mobilen Tablet-Computern. Da diese Schaltung der internen Umgebung ausgesetzt ist, ist die Schaltung anfällig für ESD. Ziehen Sie in diesem Fall einen Polymer-ESD-Unterdrücker in Betracht. Ein Polymer-ESD-Unterdrücker schützt einen Stromkreis vor ESD-Einschlägen von bis zu ± 15 kV durch die Luft und ± 8 kV vor menschlichem Kontakt. Darüber hinaus beeinträchtigt seine geringe Kapazität von unter 0,2 pF weder die Signalübertragung noch den Signalempfang.

Türklingelkameras

Die kabelgebundene Türklingelkamera ist zu einem sehr beliebten Produkt für die Fernüberwachung von Besuchern geworden. Abbildung 7 zeigt eine beispielhafte Türklingelkamera und Abbildung 8 zeigt ein Blockdiagramm mit empfohlenen Schutz- und Steuerungskomponenten.

Abbildung 7. Beispiel einer kabelgebundenen Türklingelkamera und empfohlenen Schutz- und Kontrolllösungen

Abbildung 8. Blockschaltbild einer kabelgebundenen Türklingelkamera mit den empfohlenen Schutz- und Steuerungskomponenten

Netzteil

Das Netzteil ist mit einer abgesenkten Wechselspannung aus der Wechselstromleitung verbunden und kann Stromüberlastungen und Spannungstransienten, wie z. B. durch Blitzschlag induzierten Transienten, ausgesetzt sein. Wie bei den anderen Versorgungskreisen schützt eine Sicherung vor Stromüberlastungsbedingungen. Wählen Sie zum Schutz vor Spannungstransienten in der Wechselstromleitung eine TVS-Diode, die Transienten mit einer Leistung von bis zu 4 kW absorbieren kann. Ziehen Sie die Verwendung eines optisch isolierten Halbleiterrelais in Betracht, um die Stromversorgung der anderen Stromkreise zu steuern und zu verhindern, dass sich Rauschen und Transienten von der Stromleitung zu den nachgeschalteten Stromkreisen ausbreiten.

Akku

Der Akku versorgt die Steuerplatine und die Benutzerschnittstelle mit Notstrom. Der Akku und seine Untereinheiten, die Akkuverwaltungseinheit und der USB-Schaltkreis müssen vor Überstrombedingungen und Transienten geschützt werden, indem ähnliche Komponenten verwendet werden, die für den identischen Schaltkreis in der drahtlosen Kamera empfohlen werden. Das Hinzufügen einer TVS-Diode gewährleistet die Unterdrückung von Spannungsspitzen und ESD-Einschlägen. Wie beim Akku in der drahtlosen Kamera empfehlen wir die thermische Erfassung für den USB-Schaltkreis, wenn das USB-Typ-C-Protokoll eine Designanforderung ist.

Benutzeroberfläche

Die Benutzeroberfläche unterliegt ESD durch menschlichen Kontakt. Verwenden Sie eine TVS-Diode, um die Benutzeroberfläche vor ESD zu schützen. Wenn die Türklingelkamera in Europa vermarktet wird, müssen Sie einen Schalter zwischen der Aktivierung des Türgongs und der Kamera einbauen, um die europäischen Datenschutzbestimmungen einzuhalten. Ziehen Sie die Verwendung eines Halbleiterrelais in Betracht, um das Prellen des mechanischen Relaiskontakts und die Erzeugung elektromagnetischer Störungen (EMI) zu vermeiden.

Steuerplatine und drahtlose Schnittstelle

Die Steuerplatine und die drahtlosen Schnittstellenschaltungen funktionieren für die Türklingelkamera wie für die drahtlose Kamera. Die für diese Stromkreise in der Funkkamera empfohlenen Schutzkomponenten gelten für die gleichen Stromkreise in der Türklingelkamera.

Die COVID-19-Pandemie beeinflusst das Design von Sicherheitskameras

Einige Hersteller von Überwachungskameras passen sich an die „neue Normalität“ des Lebens an, die sich aus der COVID-19-Pandemie ergibt. Sie fügen den Kameras Infrarot-Wärmesensortechnologie hinzu, damit die Temperatur von Besuchern zu Hause oder im Geschäft diskret überwacht werden kann. Die Temperaturmessung könnte in zukünftigen Smart-Home-Sicherheitssystemen zum Standard werden. Da Sicherheitskameras immer ausgefeilter werden, um diesen Aspekt der Gesundheitssicherheit zu berücksichtigen, hilft der Einbau eines geeigneten Schaltkreisschutzes bei der Entwicklung zuverlässigerer und robusterer Geräte.

Abbildung 9. Sicherheitskameras fügen Wärmescans hinzu, um die Körpertemperatur nach COVID-19 zu überwachen

Anwendbare Standards für Heimüberwachungskameras

Zwei in Tabelle 1 dargestellte Sicherheitsnormen definieren Anforderungen an Geräte der Audio-/Videokommunikationstechnik und an Batterien wie Lithiumbatterien. IEC 62368-1 behandelt Sicherheitsanforderungen für Überwachungsgeräte; und die zweite Norm, IEC 62311-2, schreibt Anforderungen zur Gewährleistung der Sicherheit von Lithiumzellen und -batterien vor. Bei unsachgemäßer Montage und Bedienung von Lithiumbatterien besteht Brandgefahr; Daher ist die Überwachung dieser Batterietypen unerlässlich. Die Nichteinhaltung dieser Standards führt zu einer Neugestaltung und einer zweiten Einreichung zur Zertifizierung bei einer Standardisierungsstelle. Die Projektkosten werden steigen und die Einführung des Produkts kann sich verzögern.

Tabelle 1. Sicherheitsstandards für Produkte mit Überwachungskameras

Wert im Schutz

Indem Sie Schutz- und Sensorkomponenten als Designziel einbeziehen und die Einhaltung von Standards frühzeitig in das Projekt einbeziehen, können Sie kostengünstig ein robustes und zuverlässiges Smart Home-Sicherheitssystem entwickeln. Natürlich ist Ihr Design immer ein Kompromiss zwischen Leistung und Gesamtbetriebskosten. Während einige Technologien möglicherweise mehr kosten als andere, können zusätzliche Faktoren zeigen, dass die niedrigsten Gesamtbetriebskosten eine kostenintensivere Komponententechnologie erfordern. Nutzen Sie das Engineering-Know-how der Komponentenhersteller bei der Auswahl von Schutz-, Steuerungs- und Sensorkomponenten. Die Verwendung eines vertrauenswürdigen Anbieters spart Ihre Zeit und Ressourcen.

Zuverlässigkeit und Effizienz steigern den Ruf Ihres Smart Home Sicherheitssystems. Ein Ruf für hohe Qualität kann zu einem Wachstum von Marktanteilen und Umsatz führen. Das führt zu einer verbesserten Rentabilität.

Weitere Informationen zu Schaltungsschutz, Sensorgeräten und Komponentenauswahlkriterien finden Sie in der Auswahlanleitung für Schaltungsschutz und der Auswahlanleitung für Sensorprodukte mit freundlicher Genehmigung von Littelfuse.

Referenzen

1. Videoüberwachungsmarkt nach System. Märkte und Märkte. April 2020.
2. Universal Serial Bus Typ-C Kabel- und Steckerspezifikation. Überarbeitung 2.0. August 2019. USB Implementers Forum (USB-IF), Inc.
3. Digitale Temperaturanzeigen für USB-Typ-C-Kabel Design- und Installationshandbuch. Littelfuse-Anwendungshandbuch. April 2019.

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