Intelligenter Schaltkreisschutz und Sensordesign für Smart Home-Schlösser und Zugangskontrollen

Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Topologie der Zugangskontrolle in Smart Homes und Industriegebäuden, indem er die verschiedenen Schutz- und Sensorlösungen behandelt, die Ingenieure in ihren Designs verwenden können.

Die Kombination von Smartphone-, Netzwerk- und Internet-of-Things (IoT)-Technologien hat die Entwicklung sowohl des Smart Home als auch der fortschrittlichen Gebäudeautomation ermöglicht. Diese Technologien sorgen für eine erhöhte Automatisierung, Kontrolle und Sicherheit und geben dem Hausbesitzer oder dem Bürobenutzer einen verbesserten Komfort und das beruhigende Gefühl größerer Sicherheit. Wo immer sich der Hausbesitzer oder der Bürobewohner aufhält, kann er den Status seines Türschlosses sowie seiner Fenster und Türen einsehen.

Ingenieure, die Heim- und Gebäudesicherheitsprodukte wie intelligente Schlösser und Fenster- und Türsensoren entwickeln, müssen sicherstellen, dass ihre Geräte bei ihren Kunden kein falsches Sicherheitsgefühl erzeugen. Entwickler müssen die Schutz- und Sensorkomponenten verstehen, die erforderlich sind, um geltende Sicherheitsstandards zu erfüllen und sichere, robuste und zuverlässige Produkte zu gewährleisten.

Allein der Markt für Smart Locks ist ein wachstumsstarker Markt und opportunistisch für Innovationen. Das weltweite Wachstum für intelligente Schlösser wird voraussichtlich eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 25 Prozent aufweisen, wobei das Stückwachstum von etwa sieben Millionen Einheiten im Jahr 2019 auf etwa 23 Millionen Einheiten im Jahr 20241 steigen wird. Der Wohnimmobilienmarkt wird den Großteil des Wachstums ausmachen , was etwa 70 % ausmachen wird.

Wie bei intelligenten Schlössern wird das gestiegene Bewusstsein für die persönliche Sicherheit das weltweite Wachstum von Fenster- und Türsensoren, insbesondere in Entwicklungsländern, vorantreiben. Die Auslieferungen sollen von rund 300 Millionen Einheiten im Jahr 2019 auf rund 465 Millionen Einheiten im Jahr 20242 steigen. Dieses Wachstum liegt bei einer CAGR von rund neun Prozent. Der Markt für Smart Home Security-Produkte ist ein gesunder, attraktiver Markt.

Schutz von Smart Lock-Designs

Ein Smart Lock besteht aus einer Tastatur für den manuellen Zugang, einer drahtlosen Protokollverbindung für den Smartphone-Zugang über eine Softwareanwendung, einem Sensor zur Überwachung der Position des Türgriffs, Aktoren zum Ver- oder Entriegeln der Tür und Sensoren zur Erkennung eines Umgehungsversuchs das Schloss. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein intelligentes Türschloss mit empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. 2 ein detailliertes Blockschaltbild eines intelligenten Schlosses bereitstellt; und das Diagramm zeigt die empfohlene Platzierung für die vorgeschlagenen Schutz- und Sensorkomponenten.

Elektrostatische Entladung (ESD) ist die Hauptgefahr für die Smart-Lock-Elektronik. Sowohl die Benutzerschnittstelle als auch die drahtlose Schnittstelle sind anfällig für ESD durch den Benutzer.

Die Benutzeroberfläche enthält die Tastatur, die eine Person kontaktiert, um den vorprogrammierten Zugangscode einzugeben. Eine Person ist eine ESD-Quelle, insbesondere in einer trockenen Umgebung. Entwickler sollten den Schaltungsblock der Benutzerschnittstelle vor ESD schützen, um Schäden an empfindlicher Elektronik zu vermeiden.

Abbildung 1. Ein intelligentes Schloss mit empfohlenen Schutz- und Sensorlösungen

Abbildung 2. Blockschaltbild von Smart Lock mit den Schaltungsblöcken, für die Schutz- und Sensorkomponenten empfohlen werden

Für den ESD-Schutz sollten Entwickler eine Transient-Voltage-Suppressor-Diode (TVS) oder ein Diodenarray in Betracht ziehen. TVS-Dioden sind Zener-Dioden, die mit einer Silizium-Avalanche-Technologie hergestellt wurden und einen Mindestschutz von ±15 kV ESD-Spannung bieten. Ein TVS-Diodenarray kann sechs Zener-Dioden aufnehmen, um fünf Signalleitungen zu schützen und eine Massereferenz bereitzustellen. Siehe Abbildung 3. Der Vorteil eines Arrays besteht darin, dass eine platzsparende Komponente in einem 0402 SMD-Gehäuse bis zu fünf Leitungen schützen kann.

Die Auswirkung auf den Schaltungsblock ist minimal; ein TVS-Diodenarray kann einen Leckstrom von nur 1 µA haben. Wenn ein höherer ESD-Schutz gewünscht wird, kann eine einzelne Diode ESD-Schutz für jede Signalleitung bieten. Eine einzelne TVS-Diode, wie in Abbildung 4 gezeigt, kann bis zu ±30 kV widerstehen. Welche Konfiguration auch immer verwendet wird, platzieren Sie die TVS-Dioden so nah wie möglich am Eingang der Schaltung, um zu verhindern, dass ein ESD-Übergang in die Schaltung eindringt.

Abbildung 3. Beispiel 5-Linien-TVS-Diodenarray

Abbildung 4. Eine einzelne TVS-Diode

Die drahtlose Schnittstelle verbindet sich mit dem Mobilfunknetz oder einem drahtlosen LAN, einem WiFi-Netzwerk, um mit einem Smartphone oder einem anderen vernetzten Gerät zu kommunizieren. Da es der äußeren Umgebung ausgesetzt ist, sollte das Wireless Interface einen ESD-Schutz haben. Die empfohlene Komponente ist ein Polymer-ESD-Suppressor.

Der Wert eines Polymer-ESD-Unterdrückers ist seine Fähigkeit, auf ESD-Transienten zu reagieren und diese zu absorbieren, während er einen vernachlässigbaren Einfluss auf die charakteristische Impedanz des drahtlosen Schnittstellenausgangs hat. Polymer-ESD-Unterdrücker können einer ESD mit direktem Kontakt von ±8 kV und einem Luftangriff von ±15 kV standhalten. Die typische Kapazität für das Bauteil beträgt niedrige 0,06 pF. Die Reaktionszeit auf einen Transienten ist extrem schnell, unter 1 ns. Die Platzierung sollte so nah wie möglich am Eingangsantennenanschluss erfolgen. Abbildung 5 zeigt zwei Konfigurationen für Polymer-ESD-Unterdrücker, bidirektionale Komponenten.

Abbildung 5. Konfigurationen für Polymer-ESD-Unterdrücker, bidirektionale Komponenten

Empfehlungen zur Erkennung von Smart Locks

Die Erkennung, ob die Tür vollständig im Türrahmen sitzt, erfordert einen Sensor. Ein Reedschalter mit magnetischem Betätiger ist eine stromsparende Sensorlösung für ein batteriebetriebenes Smart Lock. Reedschalter benötigen keine Antriebsleistung und sind hermetisch abgedichtet für eine lange Lebensdauer in jeder Umgebung. Versionen können 10 W mit Leistungen bis 0,5 A oder bis 200 V schalten. Die Schalter sind sehr gut geeignet für den Einsatz in Niederspannungs-Reglerkreisen. Darüber hinaus stehen SMD-Versionen für die automatisierte Leiterplattenbestückung zur Verfügung.

Konstrukteure sollten einen zylindrischen magnetischen Aktuator in Betracht ziehen, der für die Montage an einem Rahmen wie einem Türrahmen ausgelegt ist. Ein AlNiCo-Magnet ist das empfohlene Material; und die Größe kann bis zu 5 mm x 25 mm betragen.

Der Sabotageerkennungs-Schaltungsblock erfordert auch einen Sensor, der den Benutzer warnt, wenn das Schloss kompromittiert und die Tür geöffnet wurde. Auch hier werden ein Reedschalter und ein Betätiger empfohlen. Die Reed-Schalter-Betätiger-Kombination verbraucht nur minimal Strom, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Konstrukteure können ein Reed-Schalter-Betätiger-Paar mit einstellbarer Empfindlichkeit in Betracht ziehen, um eine schnelle Reaktion auf ein manipulationssicheres Schloss zu gewährleisten.

Es sind nur vier Komponenten erforderlich, um sowohl Schutz als auch Erkennung für ein intelligentes Schloss zu bieten. Diese Komponenten verbrauchen ein Minimum an Leiterplattenplatz und gewährleisten ein sicheres und zuverlässiges Produkt.

Schutz von drahtlosen Tür- und Fenstersensor-Designs

Drahtlose Tür- und Fenstersensoren geben Auskunft über den Zustand von Fenstern und Türen. Der Benutzer kann sich von jedem Ort aus informieren, ob Fenster und Türen geöffnet oder geschlossen sind. Abbildung 6 zeigt eine Hardwarekonfiguration sowohl für einen drahtlosen Türsensor als auch für einen drahtlosen Fenstersensor. Die Abbildung zeigt auch die empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten für jedes der Hardwareelemente.

Abbildung 6. Drahtloses Fenster- und Türsensorsystem mit empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten gezeigt

Abbildung 7 zeigt das Blockschaltbild der beiden Hauptelemente des Systems. Die Sensorschaltung erkennt die Position des Fensters oder der Tür und meldet die Informationen an eine Steuerung, die auch die Schnittstelle für den Benutzer und die Übermittlung von Informationen an einen beliebigen Ort ist. Die Sensorschaltung befindet sich an der Tür und am Fenster und muss Bewegungen zulassen; daher muss die Schaltung batteriebetrieben sein. Der Benutzerschnittstellen-Controller mit der Tastatur befindet sich an einem festen Ort, sodass er mit Netzstrom versorgt werden kann. AC-Netzstrom ist eine typische Anwendung für gewerbliche Installationen.

Abbildung 7. Blockschaltbild eines Fenster- und Türsensorsystems mit den Schaltungsblöcken und den empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten

Wie beim intelligenten Schloss sollten Konstrukteure einen Reedschalter-Magnetbetätiger für die Näherungserkennung in Betracht ziehen. Da keine Aktivierungsenergie erforderlich ist, verlängert der Reed-Schalter die Batterielebensdauer des Sensorsystems. Die Schaltkreisblöcke der drahtlosen Schnittstelle im Sensor und der Benutzerschnittstellen-Controller können Polymer-ESD-Unterdrücker verwenden, um den Schutz vor ESD zu gewährleisten und gleichzeitig die Integrität der HF-Übertragung aufrechtzuerhalten. Ebenso wie das Smart Lock sollte der User Interface Circuit Block mit seiner Tastatur einen ESD-Schutz vor menschlichem Kontakt haben. Ein TVS-Diodenarray kann die empfindlichen Signalleitungen vor ESD-Transienten schützen.

Wenn Wechselstrom und ein Wechselstrom-Gleichstrom-Netzteil den User Interface Controller mit Strom versorgen, müssen Entwickler den Controller vor potenziellen Bedrohungen durch die Wechselstromleitung schützen. Mögliche Schäden an der Elektronik können durch Überstrombedingungen, Blitzeinschläge und andere Spannungstransienten sowie ESD-Transienten entstehen. Designer können ihre Designs mit Sicherungen und Überspannungsschutzvorrichtungen vor diesen Bedingungen schützen.

Es gibt zahlreiche Optionen für Sicherungen, einschließlich der Betriebseigenschaften der Sicherung und der Gehäuseform, um eine Vielzahl von Designzielen zu erfüllen. Entwickler sollten zeitverzögerte oder träge Sicherungen in Betracht ziehen, um störende Abschaltungen zu vermeiden. Darüber hinaus sollten Entwickler den Nennstrom der Sicherung so auswählen, dass er gegebenenfalls kurzzeitige Überlastungen wie Einschaltströme berücksichtigt. Andere Überlegungen umfassen die Unterbrechungsleistung, die den maximalen Überlaststrom definiert, den die Sicherung unterbrechen kann. Dieser Parameter geht mit der Sicherungsgröße einher. Wenn eine kleine Sicherung benötigt wird, muss der Entwickler sicherstellen, dass die Sicherung dem verfügbaren Kurzschlussstrom standhält, der von der Wechselstromleitung geliefert wird. Eine letzte Überlegung ist der Kaltwiderstand der Sicherungen. Wenn der Stromverbrauch im Vordergrund steht, sollten Entwickler nach einer Sicherung mit niedrigem Kaltwiderstand suchen.

Um die Energie eines Spannungstransienten auf der Wechselstromleitung durch Blitzschlag oder Ein- und Ausschaltspitzen des Motors sicher zu absorbieren, sollten Designer den Einsatz eines Metalloxid-Varistors (MOV) in Betracht ziehen. MOVs können einen Stromstoß von bis zu 10.000 A aus einem 8/20-µs-Transientenimpuls absorbieren. Ein 20-mm-MOV kann auch bis zu 530 J Energie absorbieren.

Eine alternative Komponente zu einem MOV ist eine TVS-Diode. Modelle, die zum Schutz von Schaltkreisen vor Blitzschlag und anderen Transienten entwickelt wurden, können einer Leistung von bis zu 1500 W bei einem Impuls von 10/1000 µs standhalten. Um den Stromverbrauch zu minimieren, zieht eine TVS-Diode unter normalen Betriebsbedingungen weniger als 1 µA. Darüber hinaus kann eine TVS-Diode in weniger als 1 ps schnell auf einen Transienten reagieren. Oberflächenmontageversionen sind verfügbar, um den Montageaufwand zu minimieren. Abbildung 8 zeigt die Symbole für eine TVS-Diode. Designer können entweder eine bidirektionale Diode oder eine unidirektionale Diode auswählen.

Abbildung 8. Konfigurationen für eine bidirektionale und eine unidirektionale TVS-Diode

Wie bei einem intelligenten Schloss sind nicht viele Komponenten erforderlich, um die Sensorschaltkreise für Fenster und Türen zu schützen. Designer haben eine Reihe von Optionen, um die am besten geeigneten Versionen für ihre Produkte auszuwählen.

Einhaltung der Industriestandards für elektronische Sicherheitsprodukte

Designer sollten die Standards kennen, die für die von ihnen entwickelten Produkte gelten, damit sie die Anforderungen während der Entwicklungsphase ihres Projekts berücksichtigen können. Die Nichteinhaltung der Standards kann zu möglicherweise kostspieligen Neukonstruktionsarbeiten und Verzögerungen bei der Produkteinführung führen.

Neben allgemeinen Produktsicherheitsnormen wie der IEC 61000-Reihe, die Anforderungen an die Beständigkeit gegen ESD, elektrisch schnelle Transienten und Blitzschlag definieren, gibt es spezielle Normen für elektronische Verriegelungen und verwandte Produkte. Tabelle 1 listet die geltenden Normen für elektronische Schließsysteme und zugehörige Geräte auf. Diese Standards decken den nordamerikanischen Markt und China ab. Die Dokumente sind wichtige Referenzmaterialien für Designer von intelligenten Schlössern und Fenster- und Türsensoren.

Tabelle 1. Standards für elektronische Schlösser und verwandte Produkte für Nordamerika und China

Zusammenfassung

Der Ruf für Qualität, Zuverlässigkeit und Komfort ist ein enormer Wettbewerbsvorteil für Hersteller von intelligenten Schlössern und Fenster- und Türsensorprodukten. Der Einbau der geeigneten Schutz- und Sensorkomponenten trägt dazu bei, sichere und robuste Produkte zu erzielen. Glücklicherweise benötigen Designer nur eine geringe Anzahl von Komponenten, um ihre Produkte vollständig zu schützen und die Sicherheitsstandards einzuhalten. Mit Niedrigenergiesensoren können Entwickler die Batterielebensdauer maximieren, um die Häufigkeit des Batteriewechsels zu minimieren. Designer haben eine Reihe von alternativen Komponenten, die sie verwenden können. Eine abschließende Empfehlung für eine optimale Auslegung besteht darin, das Know-how der Komponentenhersteller zu nutzen und deren Rat einzuholen.

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. Marktgröße für Smart Locks. Grandview-Forschung. Februar 2020.
2. Marktausblick für Fenstersensoren. Ausblick Marktforschung. Mai 2019.

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