Die Entwicklung robuster Bewegungsmelder muss kein bewegliches Ziel sein

In diesem Artikel werden einige Konzepte erörtert, mit denen sichergestellt werden kann, dass Bewegungsmelder-Designs robust gegenüber externen Störungen sind, indem eine Infrarot-Detektorbaugruppe vorgestellt wird, die die Anzahl der Teile erheblich reduzieren und verbessern kann Produktleistung und Zuverlässigkeit.

Smart Homes und Gebäude profitieren von intelligenten Technologien, die sie komfortabler, sicherer und energieeffizienter machen. Abbildung 1 zeigt die breite Produktpalette, die sowohl für Wohnungen als auch für Gebäude verfügbar ist. Diese Produkte können von den Verbrauchern in ihren Häusern und dem Gebäudemanagementpersonal automatisch überwacht und gesteuert werden.

Ein Produkt, das Komfort, Sicherheit und Energieeinsparung vereint, ist ein Infrarot-Bewegungsmelder. Ein Infrarot-Bewegungsmelder erkennt die Anwesenheit in einem Bereich und kann dann die Beleuchtung, das HLK-System oder einen Alarm aktivieren. Wenn der Bewegungsmelder eine Sicherheitsfunktion übernimmt, muss er 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche zuverlässig funktionieren.

Abbildung 1. Intelligente Geräte, die Sicherheit, Komfort, Sicherheit und effizientes Energiemanagement in Häusern und Gebäuden ermöglichen

Die Passiv-Infrarot-Technologie ist aufgrund der Kombination aus zuverlässiger Leistung und geringen Kosten die führende Technologie für die Bewegungserkennung. Der Markt verzeichnet eine gesunde durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von über 13 % und wird voraussichtlich im Jahr 2025 3,5 Mrd. $ übersteigen ¹ . Zu den Wachstumstreibern zählen:

• Nachfrage nach Sicherheit durch Überwachung
• Reduzierte Installationskosten durch drahtlose Konnektivität und IoT-Netzwerke
• Regierungsinitiativen zur Energieeinsparung, die im öffentlichen und kommerziellen Sektor angenommen werden
• Ein wachsender Markt bietet Chancen für neue, innovative Designs
  

Schutz-, Kontroll- und Sensorkomponenten

Da Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder entweder zur Innenraumüberwachung oder zur Außenüberwachung eingesetzt werden, müssen diese Produkte robust gegenüber Umwelteinflüssen sein. Wenn die Detektoren über die Wechselstromleitung gespeist werden, müssen sie Stromüberlastungen und Spannungstransienten standhalten, die sich über die Wechselstromleitung ausbreiten können. Neben dem Schaltungsschutz sind eine effiziente Steuerung und eine zuverlässige Erfassungsleistung für ein Qualitätsprodukt unerlässlich.

Abbildung 2 zeigt einen beispielhaften Infrarot-Bewegungsmelder und zeigt empfohlene Schutz-, Steuerungs- und Sensorkomponenten, die die Produktzuverlässigkeit und -leistung verbessern.

Abbildung 2. Ein Beispiel für einen Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder mit empfohlenen Schutz-, Steuerungs- und Sensorkomponenten

In Abbildung 3 zeigen wir ein Blockschaltbild eines Passiv-Infrarot-Bewegungsmelders und zeigen, in welchen Schaltkreisen die empfohlenen Schutz-, Erfassungs- und Steuerungskomponenten platziert werden sollten. Wir werden jeden Block besprechen, in dem Komponenten empfohlen werden.

Abbildung 3. Blockschaltbild eines Passiv-Infrarot-Bewegungsmelders mit den Schaltkreisen, in denen sich die empfohlenen Komponenten befinden

AC/DC-Leistungsstufe

Die AC/DC-Leistungsstufe stellt die DC-Leistung für die anderen Schaltungsblöcke bereit. Diese Schaltung ist mit der Wechselstromleitung verbunden und unterliegt Überstromstößen und Überspannungstransienten. Überspannungstransienten und Stromstöße können durch Blitzeinschläge, induktive Spitzen beim Ein- und Ausschalten des Motors und Transienten durch Spannungsschwankungen in der Stromleitung entstehen.

Gegen diese möglichen Störungen empfehlen wir einen Metalloxid-Varistor (MOV) als erste Verteidigungslinie für die AC/DC-Leistungsstufenplatine. Platzieren Sie den MOV so nah wie möglich am Eingang der Wechselspannung in der Schaltung, um den Ausbreitungsweg für Wechselstromleitungstransienten auf der Leiterplatte zu minimieren. Wählen Sie einen MOV mit diesen Eigenschaften aus:

• Sichere Absorption von bis zu 10 kA Spitzenstrom oder 150 J Impulsenergie zum Schutz nachgeschalteter Schaltkreise vor Blitzeinschlag
• Niedrige Klemmspannung, die nachgeschaltete Schaltungen nicht beschädigt
• Ein Betriebstemperaturbereich, um sicherzustellen, dass die Komponente über den spezifizierten Umgebungsbereich des Detektors hinweg funktioniert (Versionen von MOVs mit Phenolbeschichtung können bis zu 125 °C sicher betrieben werden)
• UL- oder IEC-anerkannt, um die Qualifizierungszeit durch ein national anerkanntes Standardlabor zu verkürzen

Am Ausgang der AC/DC-Leistungsstufe empfehlen wir die Verwendung einer Transientenunterdrückungsdiode (TVS) zum weiteren Schutz aller Lastkreise des Netzteils. Die TVS-Diode minimiert die transiente Belastung der Leistungskomponenten in den verschiedenen Lastkreisen. Die TVS-Diode bietet diese Vorteile für den Stromkreisschutz:

• Absorption von bis zu 600 W Impulsspitzenleistung oder 100 A Spitzenstromstoß
• ESD-Schutz, der bis zu 30 kV betragen kann, entweder durch Einschläge durch die Luft oder durch direkten Kontakt
• Ultraschnelle Reaktion unter 1 ps auf einen Transienten
• Versionen mit Klemmspannungen von nur 10 V
• UL- oder IEC-Komponentenerkennung

Wie in Abbildung 4 gezeigt, können TVS-Dioden bidirektional sein, zwei Reihendioden in einem Gehäuse oder unidirektional, eine einzelne Diode. Zusätzlich zu ihren Schutzfunktionen verbrauchen TVS-Dioden eine geringe Menge Strom. Im normalen, störungsfreien Betrieb zieht das Bauteil unter 1 µA. Schließlich sind SMD-Versionen von TVS-Dioden erhältlich, um den Platz auf der Leiterplatte zu schonen.

Abbildung 4. Bidirektionale und unidirektionale TVS-Dioden zum Schutz vor ESD und anderen elektrischen Transienten

Bewegungssensor und MCU

Die Hauptelemente des Passiv-Infrarot-Detektors sind der Infrarot-Strahlungssensor und die Mikrocontroller-Einheit. Beachten Sie, dass Komplettpakete erhältlich sind, die einen Sensor, ein Objektiv und eine Mikrocontrollereinheit enthalten (siehe Abbildung 5). Ein Komplettpaket bietet:

• Reduzierung der Stückliste des Designs, da der Sensor direkt mit dem Mikrocontroller-Chip verbunden ist.
• Ein Mikrocontroller, der alle Schaltkreise enthält, die für ein vollständiges Design der Erkennungs- und Verarbeitungselektronik erforderlich sind. Der Mikrocontroller enthält CPU, RAM, Timer, Komparatoren, A/D-Wandler, Kommunikationsschnittstelle und die Firmware für den Sensor.
• Ein Zwei-Element- oder ein Vier-Element-Sensor, der in Kombination mit einer Linse zahlreiche Optionen für verschiedene Sichtfelder bietet.
• Designs, die die Verwendung kostengünstigerer und kleinerer Keramikkondensatoren im Vergleich zur üblichen Verwendung von Elektrolytkondensatoren ermöglichen, die einen höheren Leckstrom und eine kürzere Produktlebensdauer aufweisen
• Erweiterte Bewegungsmelderalgorithmen, die Empfindlichkeit, Reichweite und Erkennungsfeld verwalten
• Flexibilität des Mikrocontrollers, um die Implementierung benutzerdefinierter Anwendungsfunktionen zu ermöglichen

Um Energie zu sparen, suchen Sie nach einer Baugruppe mit einem Energiesparmodus, wenn keine Bewegung erkannt wird. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für ein Infrarot-Bewegungsmelderpaket. Die Kombination aus einem integrierten Gehäuse mit weniger Komponenten und ohne Elektrolytkondensatoren verbessert die Gesamtzuverlässigkeit des Produkts, spart Platz auf der Leiterplatte und senkt die Kosten.

Abbildung 5. Blockschaltbild einer Kombination aus Objektiv, Sensor und Mikrocontroller

Abbildung 6. Eine beispielhafte Infrarot-Bewegungsmelder-Baugruppe aus Linsen-Sensor-Mikrocontroller. Diese Baugruppe ist von Zilog. Das Objektiv und der Sensor befinden sich oben auf der Platine. Der Mikrocontroller befindet sich unter dem Sensor.

Alarm

Der Alarmkreis wird aktiviert, wenn der Infrarotsensor eine angemessene Bewegung erkennt. Die Schaltung steuert typischerweise ein blinkendes LED-Licht oder eine Kombination aus einem LED-Licht und einem Lautsprecher. Der Alarmkreis benötigt eine Steuerkomponente, um das externe Gerät mit Strom zu versorgen. Betrachten Sie entweder ein Reed-Relais oder ein Solid-State-Relais, die beide eine galvanische Trennung des Hochleistungsantriebs von der Logikschaltung mit niedriger Leistung bieten. Ein Solid-State-Relais bietet eine längere Lebensdauer der Ausgangstreiberkontakte, während ein Reed-Relais einen geringeren Stromverbrauch bietet.

Reed-Relais sind in kompakten Single-In-Line-Gehäusen erhältlich. Sie können auch Reed-Relais mit eingebauten Gegen-EMK-Suppressordioden zum Schutz des Spulenantriebskreises und mit magnetischen Abschirmungsoptionen erhalten, um zu verhindern, dass die EMI der Spule in den Steuerkreis eindringt. Darüber hinaus haben Reed-Relaiskontakte eine längere Lebensdauer als herkömmliche elektromechanische Relais und sind relativ immun gegen weite Umgebungstemperaturbereiche.

Halbleiterrelais koppeln die Steuerung optisch zwischen einer Eingangs-LED und einem Ausgangs-Fotodetektortransistor. Halbleiterrelais können eine Isolation von bis zu 1500 Vrms zwischen Eingang und Ausgang aufweisen. Viele sind darauf ausgelegt, die EMI/HF-Erzeugung mit einer Logik zu eliminieren, die das Schalten bei Spannungsnulldurchgängen einleitet. Versionen von Halbleiterrelais können einen niedrigen Ausgangsleckstrom im ausgeschalteten Zustand von unter 1 µA aufweisen, um den Stromverbrauch zu minimieren. Sie sind in platzsparenden SMD-Gehäusen erhältlich.

Ihre Wahl der Antriebskomponente hängt davon ab, ob die Kontakte oder der Ausgang über ausreichende Antriebskapazität für die verwendeten Ausgangstypen verfügen. Größe, Stromverbrauch und Kosten sind weitere Faktoren, die Sie bei der Wahl der Antriebskomponente berücksichtigen sollten.

Sicherheitsstandards für Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder

Tabelle 1 listet kritische Standards auf, die Ihr Design erfüllen muss, damit es zertifiziert werden und vom Markt akzeptiert werden kann. Die Einhaltung dieser Standards im Rahmen des Entwicklungsprojekts senkt die Zertifizierungskosten und verkürzt die Zertifizierungszeit. Die Einhaltung der IEC-Normen ermöglicht den Verkauf Ihres Produkts in allen Regionen der Welt.

Tabelle 1. Sicherheitsstandards und Mindestbetriebsanforderungen für Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder

Robuste, zuverlässige Designs können eine geringe Anzahl von Komponenten und niedrige Entwicklungskosten haben

Für ein Design eines Infrarotdetektors erfordert ein robustes Design nur wenige Schutzkomponenten. Sie können ein Objektiv/Sensor/Mikrocontroller-Paket nutzen, um die Anzahl der Teile zu reduzieren und die Produktzuverlässigkeit zu maximieren. Stellen Sie sicher, dass Sie die Einhaltung von Standards als wichtiges Element in das Entwicklungsprojekt einbeziehen, um Zeit und Kosten für die Zertifizierung zu sparen. Wir empfehlen Ihnen, das Anwendungswissen eines Herstellers zu nutzen, um bei der Auswahl von Schutz- und Steuerungskomponenten Zeit zu sparen und erheblich Zeit bei der Entwicklung zu sparen. Der Hersteller kann auch Hinweise geben, welche Normen für das Design gelten, und Anleitungen geben, wie die Einhaltung sichergestellt werden kann. Diese Empfehlungen helfen Ihnen, ein robustes, zuverlässiges Design zu erzielen, das zu weniger Feldausfällen und einem kostengünstigeren und rentableren Produkt führt.

Referenzen

1.) Markt für Belegungssensoren. Märkte und Märkte. Juli 2020.

Referenzliteratur

Um mehr zu erfahren, laden Sie den Anwendungsleitfaden für die Gebäudeautomation und den Auswahlleitfaden für den Stromkreisschutz herunter, mit freundlicher Genehmigung von Littelfuse, Inc.

Branchenartikel sind eine Inhaltsform, die es Branchenpartnern ermöglicht, nützliche Nachrichten, Nachrichten und Technologien mit All About Circuits-Lesern auf eine Weise zu teilen, für die redaktionelle Inhalte nicht gut geeignet sind. Alle Branchenartikel unterliegen strengen redaktionellen Richtlinien, um den Lesern nützliche Neuigkeiten, technisches Know-how oder Geschichten zu bieten. Die in Branchenartikeln zum Ausdruck gebrachten Standpunkte und Meinungen sind die des Partners und nicht unbedingt die von All About Circuits oder seinen Autoren.