Robuste Bewegungsmelder designen: Zuverlässige, teilreduzierte Infrarot-Lösung

Dieser Artikel diskutiert Konzepte zur Sicherstellung robuster Bewegungsmelder-Designs gegen externe Störungen, indem eine Infrarot-Detektor-Anordnung vorgestellt wird, die die Bauteilanzahl erheblich reduziert und Produktleistung sowie Zuverlässigkeit verbessert.

Smart Homes und Gebäude profitieren von intelligenten Technologien, die sie komfortabler, sicherer und energieeffizienter machen. Abbildung 1 zeigt die breite Palette der für Häuser und Gebäude verfügbaren Produkte. Diese können von Verbrauchern in ihren Häusern und von Gebäudemanagement-Personal automatisch überwacht und gesteuert werden.

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

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

Passive Infrarot-Technologie ist die führende Technologie für Bewegungserkennung aufgrund einer Kombination aus zuverlässiger Leistung und niedrigen Kosten. Der Markt verzeichnet ein gesundes jährliches Wachstum von über 13 % und soll bis 2025 3,5 Milliarden Dollar überschreiten¹. Wachstumstreiber sind:

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

Schutz-, Steuerungs- und Sensorkomponenten

Da passive Infrarot-Bewegungsmelder entweder für Innen- oder Außenüberwachung eingesetzt werden, müssen diese Produkte robust gegen Umgebungsstörungen sein. Wenn die Melder netzgespeist sind, müssen sie Stromüberlasten und Spannungstransienten standhalten können, die sich auf der AC-Stromleitung ausbreiten. Neben Schaltungsschutz sind effiziente Steuerung und zuverlässige Sensoreigenschaften essenziell für ein Qualitätsprodukt.

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

Abbildung 2. Ein beispielhafter passiver Infrarot-Bewegungsmelder mit empfohlenen Schutz-, Steuerungs- und Sensorkomponenten

In Abbildung 3 zeigen wir ein Blockschaltbild eines passiven Infrarot-Bewegungsmelders und kennzeichnen die Schaltungen, in denen die empfohlenen Schutz-, Sensor- und Steuerkomponenten platziert werden sollten. Wir werden jeden Block besprechen, in dem Komponenten empfohlen werden.

Abbildung 3. Blockschaltbild eines passiven Infrarot-Bewegungsmelders mit den Schaltungen, in denen die empfohlenen Komponenten platziert sind

AC/DC-Netzteilstufe

Die AC/DC-Netzteilstufe liefert die Gleichspannung für die anderen Schaltungsblöcke. Diese Schaltung greift auf die AC-Stromleitung zu und ist Überstromstößen und Überspannungstransienten ausgesetzt. Überspannungstransienten und Stromstöße können durch Blitzeinschläge, induktive Spikes beim Ein- und Ausschalten von Motoren sowie Transienten durch Netzspannungsschwankungen entstehen.

Gegen diese potenziellen Störungen empfehlen wir einen Metalloxid-Varistoren (MOV) als erste Verteidigungslinie für die AC/DC-Netzteilstufe. Platzieren Sie den MOV so nah wie möglich am Eingang der AC-Spannung auf der Schaltung, um den Ausbreitungspfad für AC-Leitungstransienten auf der Leiterplatte zu minimieren. Wählen Sie einen MOV mit diesen Eigenschaften:

• Sichere Absorption von bis zu 10 kA Spitzen-Stoßstrom oder 150 J Impulsenergie zum Schutz nachgeschalteter Schaltungen vor Blitzeinschlägen
• Niedrige Klemmspannung, die nachgeschaltete Schaltungen nicht beschädigt
• Ein Betriebstemperaturbereich, der sicherstellt, dass das Bauteil über den spezifizierten Umgebungsbereich des Melders funktioniert (MOV-Versionen mit Phenolbeschichtung können sicher bis 125 °C betrieben werden)
• UL- oder IEC-anerkannt, um Qualifizierungszeit durch ein national anerkanntes Prüflabor zu reduzieren

Am Ausgang der AC/DC-Netzteilstufe empfehlen wir einen Transientensuppressor (TVS) als Diode für weiteren Schutz aller Lastschaltungen am Netzteil. Die TVS-Diode minimiert transienten Stress auf die Leistungskomponenten in den verschiedenen Lastschaltungen. Die TVS-Diode bietet diese Vorteile für den Schaltungsschutz:

• Absorption von bis zu 600 W Spitzen-Impulsleistung oder 100 A Spitzen-Stoßstrom
• ESD-Schutz von bis zu 30 kV entweder durch Luftentladungen oder direkten Kontakt
• Ultra-schnelle Ansprechzeit, unter 1 ps, auf einen Transienten
• Versionen mit Klemmspannungen von nur 10 V
• UL- oder IEC-Bauteilanerkennung

Wie in Abbildung 4 gezeigt, können TVS-Dioden bidirektional (zwei Serienspulen in einem Gehäuse) oder unidirektional (eine einzelne Diode) sein. Neben ihren Schutzfunktionen verbrauchen TVS-Dioden wenig Leistung. Im normalen, störungsfreien Betrieb zieht das Bauteil unter 1 µA. Schließlich sind SMD-Versionen von TVS-Dioden für platzsparende Leiterplatten verfügbar.

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

Bewegungssensor und MCU

Die primären Elemente des passiven Infrarot-Detektors sind der Infrarot-Strahlungssensor und die Mikrocontrollereinheit. Beachten Sie, dass Komplettpakete erhältlich sind, die einen Sensor, eine Linse und eine Mikrocontrollereinheit enthalten (siehe Abbildung 5). Ein Komplettpaket bietet:

• Reduzierung der Stückliste des Designs, da der Sensor direkt mit dem Mikrocontrollerchip verbunden ist.
• Einen Mikrocontroller, der alle für ein komplettes Design der Detektions- und Verarbeitungselektronik benötigten Schaltungen enthält. Der Mikrocontroller umfasst CPU, RAM, Timer, Komparatoren, A/D-Wandler, Kommunikationsschnittstelle und die Firmware für den Sensor.
• Einen Zwei- oder Viersensor, der in Kombination mit einer Linse zahlreiche Optionen für verschiedene Sichtfelder bietet.
• Designs, die den Einsatz günstigerer und kleinerer Keramikkondensatoren ermöglichen im Vergleich zum typischen Einsatz von Elektrolytkondensatoren, die höhere Leckströme und kürzere Lebensdauer haben.
• Fortgeschrittene Bewegungsmelder-Algorithmen für Empfindlichkeits-, Reichweiten- und Sichtfeldmanagement.
• Flexibilität im Mikrocontroller zur Implementierung benutzerdefinierter Anwendungsfunktionen.

Für Stromsparen suchen Sie nach einer Baugruppe mit einem Low-Power-Modus, wenn keine Bewegung erkannt wird. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für ein Infrarot-Bewegungsmelder-Paket. Die Kombination eines integrierten Pakets mit weniger Komponenten und ohne Elektrolytkondensatoren verbessert die Gesamtproduktzuverlässigkeit, spart Leiterplattenplatz und reduziert Kosten.

Abbildung 5. Blockschaltbild einer Kombinationsbaugruppe aus Linse, Sensor und Mikrocontroller

Abbildung 6. Beispiel einer Linse-Sensor-Mikrocontroller-Infrarot-Bewegungsmelder-Baugruppe. Diese Baugruppe stammt von Zilog. Linse und Sensor befinden sich oben auf der Platine, der Mikrocontroller darunter.

Alarm

Der Alarmschaltkreis wird aktiviert, wenn der Infrarotsensor eine angemessene Bewegungsmenge erkennt. Der Schaltkreis steuert typischerweise eine blinkende LED oder eine Kombination aus LED und Lautsprecher. Der Alarmschaltkreis benötigt eine Steuerkomponente zum Ansteuern des externen Geräts. Ziehen Sie entweder ein Reed-Relais oder ein Solid-State-Relais in Betracht, die beide galvanische Trennung des Hochleistungs-Antriebs von der Niederspannungs-Logikschaltung bieten. Ein Solid-State-Relais bietet längere Lebensdauer für die Ausgangskontakte, während ein Reed-Relais geringeren Stromverbrauch aufweist.

Reed-Relais sind in kompakten Single-In-Line-Gehäusen erhältlich. Sie können auch Reed-Relais mit integrierten Rückstelldioden zum Schutz der Spulentreiberschaltung und mit magnetischen Schirmoptionen erhalten, um zu verhindern, dass Spulen-EMI in die Steuerelektronik eindringt. Zudem haben Reed-Relais-Kontakte eine längere Lebensdauer als herkömmliche elektromechanische Relais und sind relativ unempfindlich gegenüber weiten Umgebungs-temperaturbereichen.

Solid-State-Relais koppeln die Steuerung optisch zwischen einer Eingangs-LED und einem Ausgangs-Photodetektor-Transistor. Solid-State-Relais können bis zu 1500 Vrms Isolation zwischen Ein- und Ausgang bieten. Viele sind so ausgelegt, dass sie EMI/RF-Erzeugung durch Logik eliminieren, die das Schalten bei Nulldurchgang initiert. Versionen von Solid-State-Relais können niedrige Leckströme im Aus-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 ausreichende Ansteuerkapazität für die verwendeten Ausgabetypen bieten. Größe, Stromverbrauch und Kosten sind weitere Faktoren, die Sie in Ihre Wahl der Antriebskomponente einbeziehen sollten.

Sicherheitsstandards für passive Infrarot-Bewegungsmelder

Tabelle 1 listet kritische Standards auf, denen Ihr Design entsprechen muss, damit es zertifiziert werden kann und Marktakzeptanz findet. Die Einhaltung dieser Standards als Teil des Entwicklungsprojekts reduziert Zertifizierungskosten und -zeit. Die Einhaltung der IEC-Standards ermöglicht den Verkauf Ihres Produkts in allen Weltregionen.

Tabelle 1. Standards für Sicherheit und Mindestbetriebsanforderungen passiver Infrarot-Bewegungsmelder

Robuste, zuverlässige Designs können niedrige Bauteilanzahl und niedrige Entwicklungskosten haben

Für ein Infrarot-Detektor-Design erfordert ein robustes Design nur wenige Schutzkomponenten. Sie können ein Linse/Sensor/Mikrocontroller-Paket nutzen, um die Bauteilanzahl zu reduzieren und die Produktzuverlässigkeit zu maximieren. Stellen Sie sicher, dass Sie Standards-Compliance als wichtiges Element des Entwicklungsprojekts einbeziehen, um Zertifizierungszeit und -kosten zu sparen. Wir empfehlen, die Applikationsexpertise eines Herstellers zu nutzen, um Zeit bei der Auswahl von Schutz- und Steuerkomponenten zu sparen und erhebliche Designzeit einzusparen. Der Hersteller kann auch beraten, welche Standards für das Design gelten und wie Compliance sichergestellt werden kann. Diese Empfehlungen helfen Ihnen, ein robustes, zuverlässiges Design zu erreichen, das zu weniger Feldausfällen und einem kosteneffektiveren, profitableren Produkt führt.

Referenzen

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

Referenzliteratur

Um mehr zu erfahren, laden Sie den Building Automation Application Guide und den Circuit Protection Selection Guide herunter, mit freundlicher Genehmigung von Littelfuse, Inc.

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