Проектирование надежных детекторов движения: надежное инфракрасное решение с минимальным числом компонентов

В статье рассматриваются концепции обеспечения надежности детекторов движения к внешним помехам с представлением инфракрасной детекторной сборки, значительно сокращающей количество компонентов и повышающей производительность и надежность продукта.

Умные дома и здания получают выгоду от интеллектуальных технологий, делающих их удобнее, безопаснее и энергоэффективнее. Рисунок 1 показывает широкий спектр продуктов для домов и зданий. Эти продукты могут автоматически контролироваться и управляться потребителями в домах и персоналом управления зданиями.

Один из продуктов, сочетающий удобство, безопасность и экономию энергии — инфракрасный детектор движения. Инфракрасный детектор движения фиксирует присутствие в зоне и может затем активировать освещение, систему вентиляции или сигнализацию. Если детектор движения выполняет функцию безопасности, он должен надежно работать 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.

 

Рисунок 1. Интеллектуальные устройства, обеспечивающие безопасность, удобство, сохранность и эффективное управление энергией в домах и зданиях

 

Пассивная инфракрасная технология лидирует в сенсировании движения благодаря сочетанию надежной работы и низкой стоимости. Рынок демонстрирует здоровый годовой темп роста свыше 13% и ожидается превысит $3,5 млрд к 2025 году¹. Факторы роста включают:

• Спрос в жилом секторе на безопасность с использованием видеонаблюдения
• Снижение затрат на установку за счет беспроводной связи и сетей IoT
• Государственные инициативы по энергосбережению, внедряемые в публичном и коммерческом секторах
• Растущий рынок открывает возможности для новых инновационных дизайнов
   

Компоненты защиты, управления и сенсирования

Поскольку пассивные инфракрасные детекторы движения используются либо для внутреннего, либо для наружного мониторинга, эти продукты должны быть устойчивы к воздействиям среды. Если детекторы запитываются от сети переменного тока, они должны выдерживать перегрузки по току и импульсные перенапряжения, распространяющиеся по линии питания. Помимо защиты цепей, эффективное управление и надежная сенсорная характеристика необходимы для качественного продукта.

Рисунок 2 показывает пример инфракрасного детектора движения и указывает рекомендуемые компоненты защиты, управления и сенсирования, повышающие надежность и производительность продукта.

 

Рисунок 2. Пример пассивного инфракрасного детектора движения с рекомендуемыми компонентами защиты, управления и сенсирования

 

На рисунке 3 показана блок-схема пассивного инфракрасного детектора движения, и указано, в каких цепях следует размещать рекомендуемые компоненты защиты, сенсирования и управления. Мы обсудим каждый блок с рекомендуемыми компонентами.

 

Рисунок 3. Блок-схема пассивного инфракрасного детектора движения, показывающая цепи с рекомендуемыми компонентами

 

Каascade AC/DC питания

Каскад AC/DC питания обеспечивает постоянное напряжение для остальных блоков схемы. Эта цепь взаимодействует с линией переменного тока и подвержена импульсным перегрузкам по току и перенапряжениям. Перенапряжения и скачки тока могут возникнуть от ударов молнии, индуктивных пиков при включении и выключении двигателей, и переходных процессов от вариаций напряжения в сети.

Против этих помех мы рекомендуем варистор (MOV) как первую линию защиты платы каскада AC/DC. Разместите MOV максимально близко к входу переменного напряжения на цепи, чтобы минимизировать путь распространения переходных процессов линии питания по печатной плате. Выберите MOV с характеристиками:

• Безопасное поглощение пикового импульсного тока до 10 кА или импульсной энергии 150 Дж для защиты последующей схемы от удара молнии
• Низкое ограничивающее напряжение, не повреждающее последующую схему
• Диапазон рабочих температур для обеспечения работы компонента в заданном среде детектора (версии MOV с фенольным покрытием безопасно работают до 125 °C)
• Признанные UL или IEC для сокращения времени квалификации национально признанной лабораторией стандартов

На выходе каскада AC/DC мы предлагаете использовать диод-подавитель переходных процессов (TVS) для дополнительной защиты всех нагрузочных цепей блока питания. TVS-диод минимизирует переходные напряжения на силовых компонентах в различных нагрузочных цепях. TVS-диод предлагает эти преимущества для защиты цепей:

• Поглощение пиковой импульсной мощности до 600 Вт или пикового импульсного тока 100 А
• ESD-защита до 30 кВ от ударов через воздух или прямого контакта
• Ультрабыстрый отклик, менее 1 пс, на переходный процесс
• Версии с ограничивающим напряжением до 10 В
• Признание компонентов UL или IEC

Как показано на рисунке 4, TVS-диоды могут быть двунаправленными (два последовательных диода в корпусе) или одонаправленными (один диод). Помимо защитных функций, TVS-диоды потребляют мало энергии. В нормальной работе без помех компонент потребляет менее 1 мкА. Наконец, доступны поверхностно-монтажные версии TVS-диодов для экономии площади печатной платы.

 

Рисунок 4. Двунаправленные и одонаправленные TVS-диоды для защиты от ESD и других электрических переходных процессов

 

Датчик движения и МК

Основные элементы пассивного инфракрасного детектора — инфракрасный излучательный датчик и микроконтроллер. Следует знать, что доступны полные комплекты, включающие датчик, линзу и микроконтроллер (см. рисунок 5). Полный комплект предлагает:

• Сокращение спецификации материалов (BOM) проекта, так как датчик подключается непосредственно к чипу микроконтроллера.
• Микроконтроллер, содержащий всю схемотехнику, необходимую для полного дизайна электроники детектирования и обработки. Микроконтроллер включает ЦП, ОЗУ, таймеры, компараторы, АЦП, интерфейс связи и прошивку для датчика.
• Двух- или четырехэлементный датчик, который в комбинации с линзой может предлагать множество вариантов для разных полей зрения.
• Конструкции, позволяющие использовать дешевые и малые керамические конденсаторы вместо типичных электролитических конденсаторов с более высокой утечкой и меньшим сроком службы.
• Продвинутые алгоритмы детектора движения, обеспечивающие управление чувствительностью, дальностью и полем обнаружения.
• Гибкость микроконтроллера для реализации пользовательских прикладных функций.

Для экономии энергии ищите сборку с режимом низкого потребления при отсутствии движения. Рисунок 6 показывает пример комплекта инфракрасного детектора движения. Комбинация интегрированного пакета с меньшим числом компонентов и без электролитических конденсаторов повышает общую надежность продукта, экономит место на плате и снижает стоимость.

 

Рисунок 5. Блок-схема комбинированной сборки линзы, датчика и микроконтроллера

 

Рисунок 6. Пример сборки инфракрасного детектора движения линза-датчик-микроконтроллер. Эта сборка от Zilog. Линза и датчик сверху платы. Микроконтроллер под датчиком.

 

Сигнализация

Цепь сигнализации активируется, когда инфракрасный датчик фиксирует достаточное количество движения. Цепь обычно управляет мигающим светодиодом или комбинацией светодиода и динамика. Цепи сигнализации нужен компонент управления для питания внешнего устройства. Рассмотрите либо ридовое реле, либо твердотельное реле, оба обеспечивают гальваническую развязку высокомощного драйвера от низковольтной логической схемы. Твердотельное реле обеспечивает более долгий срок службы выходных контактов, в то время как ридовое реле предлагает меньшее потребление энергии.

Ридовые реле доступны в компактных однорядных корпусах. Также есть ридовые реле со встроенными диодами подавления обратного ЭДС для защиты цепи управления катушкой и с магнитными экранами для предотвращения попадания ЭМИ катушки в управляющую схему. Кроме того, контакты ридовых реле имеют более долгий срок службы, чем обычные электромеханические реле, и они относительно нечувствительны к широким диапазонам температур среды.

Твердотельные реле оптически связывают управление между входным светодиодом и выходным фототранзистором. Твердотельные реле могут иметь до 1500 Врмс изоляции между входом и выходом. Многие разработаны для устранения генерации EMI/RF логикой, инициирующей переключение при нулевом пересечении напряжения. Версии твердотельных реле могут иметь низкий ток утечки в выключенном состоянии менее 1 мкА для минимизации потребления энергии. Они доступны в корпусах для поверхностного монтажа, экономящих место.

Выбор компонента управления будет зависеть от обеспечения достаточной пропускной способности контактов или выхода для типов используемых выходов. Размер, потребление энергии и стоимость будут другими факторами, которые вы захотите учесть при выборе компонента управления.

 

Стандарты безопасности для пассивных инфракрасных детекторов движения

Таблица 1 перечисляет критические стандарты, которым ваш дизайн должен соответствовать для сертификации и принятия на рынке. Соблюдение этих стандартов в рамках проекта разработки сократит затраты и время на сертификацию. Соответствие стандартам IEC позволит продавать ваш продукт во всех мировых регионах.

 

Таблица 1. Стандарты, регулирующие безопасность и минимальные операционные требования для пассивных инфракрасных детекторов движения

 

Надежные, надежные дизайны могут иметь малое количество компонентов и низкие затраты на разработку

Для дизайна инфракрасного детектора надежный дизайн требует всего несколько компонентов защиты. Вы можете воспользоваться комплексом линза/датчик/микроконтроллер для сокращения номенклатуры и максимизации надежности продукта. Убедитесь, что включили соответствие стандартам как важный элемент проекта разработки для экономии времени и затрат на сертификацию. Мы рекомендуем использовать экспертизу производителя для экономии времени на подборе компонентов защиты и управления и значительной экономии времени на проектировании. Производитель также может дать рекомендации по применимым стандартам и о том, как обеспечить соответствие. Эти рекомендации помогут вам достичь надежного, надежного дизайна, приводящего к меньшему количеству полевых отказов и более экономичному и прибыльному продукту.
 

Ссылки

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

Справочная литература

Чтобы узнать больше, скачайте Building Automation Application Guide и Circuit Protection Selection Guide, предоставленные Littelfuse, Inc.

Отраслевые статьи — форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits так, как это не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным руководящим принципам с целью предложения читателям полезных новостей, технической экспертизы или историй. Взгляды и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру и не обязательно отражают позицию All About Circuits или его авторов.