Разработка надежных детекторов движения не обязательно должна быть движущейся целью

В этой статье обсуждаются некоторые концепции обеспечения устойчивости конструкции детектора движения к внешним помехам, представляя узел инфракрасного детектора, который может значительно сократить количество деталей и улучшить производительность и надежность продукта.

Умные дома и здания извлекают выгоду из интеллектуальных технологий, которые делают их более удобными, безопасными и энергоэффективными. На Рисунке 1 показан широкий спектр товаров, доступных как для дома, так и для зданий. Эти продукты могут автоматически отслеживаться и контролироваться потребителями в их домах и персоналом управления зданием.

Одним из продуктов, сочетающих в себе удобство, безопасность и энергосбережение, является инфракрасный датчик движения. Инфракрасный датчик движения определяет присутствие в помещении и затем может активировать освещение, систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или сигнализацию. Если датчик движения выполняет функцию безопасности, он должен надежно работать 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.

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

Пассивная инфракрасная технология является ведущей технологией для определения движения благодаря сочетанию надежной работы и низкой стоимости. Рынок демонстрирует хорошие среднегодовые темпы роста, превышающие 13%, и ожидается, что к 2025 году он превысит 3,5 млрд долларов ¹ . Факторы, способствующие росту, включают:

• Жилой спрос на безопасность с помощью видеонаблюдения.
• Снижение затрат на установку благодаря беспроводному подключению и сетям IoT.
• Государственные инициативы по энергосбережению, которые принимаются в государственном и коммерческом секторах.
• Растущий рынок открывает возможности для новых инновационных дизайнов
  

Компоненты защиты, управления и контроля

Поскольку пассивные инфракрасные датчики движения используются либо для внутреннего, либо для наружного наблюдения, эти изделия должны быть устойчивы к нарушениям окружающей среды. Если детекторы питаются от сети переменного тока, они должны выдерживать перегрузки по току и переходные процессы напряжения, которые могут распространяться по линии переменного тока. Помимо защиты цепей, для получения качественного продукта необходимы эффективное управление и надежная чувствительность.

На рис. 2 показан пример инфракрасного детектора движения и указаны рекомендуемые компоненты защиты, управления и обнаружения, которые повышают надежность и производительность продукта.

Рисунок 2. Пример пассивного инфракрасного датчика движения с указанием рекомендуемых компонентов защиты, управления и обнаружения

На рисунке 3 мы показываем блок-схему пассивного инфракрасного детектора движения и показываем, в каких цепях должны быть размещены рекомендуемые компоненты защиты, обнаружения и управления. Мы обсудим каждый блок, в котором рекомендуются компоненты.

Рисунок 3. Блок-схема пассивного инфракрасного детектора движения, показывающая схемы, в которых расположены рекомендуемые компоненты

Силовой каскад переменного / постоянного тока

Силовой каскад переменного / постоянного тока обеспечивает питание постоянного тока для других схемных блоков. Эта схема взаимодействует с линией питания переменного тока и подвержена скачкам сверхтока и переходным перенапряжениям. Переходные процессы перенапряжения и скачки тока могут возникать в результате ударов молнии, индуктивных выбросов при включении и выключении двигателя, а также переходных процессов при колебаниях напряжения в линии электропередач.

Против этих потенциальных помех мы рекомендуем металлооксидный варистор (MOV) в качестве первой линии защиты для платы силового каскада переменного / постоянного тока. Расположите MOV как можно ближе ко входу переменного напряжения в цепь, чтобы минимизировать путь распространения переходных процессов в линии переменного тока на печатной плате. Выберите MOV со следующими характеристиками:

• Безопасное поглощение пикового импульсного тока до 10 кА или 150 Дж энергии импульса для защиты последующих цепей от удара молнии.
• Низкое фиксирующее напряжение, которое не повредит схему ниже по потоку.
• Диапазон рабочих температур, обеспечивающий работу компонента в указанном диапазоне окружающей среды детектора (версии MOV с фенольным покрытием могут безопасно работать при температуре до 125 ° C)
• Признан UL или IEC для сокращения времени аттестации в признанной на национальном уровне лаборатории стандартов.

На выходе силового каскада переменного / постоянного тока мы предлагаем вам использовать диод подавителя переходных процессов (TVS) для дополнительной защиты всех цепей нагрузки в источнике питания. TVS-диод минимизирует переходные нагрузки на силовые компоненты в различных цепях нагрузки. TVS-диод обеспечивает следующие преимущества для защиты цепей:

• Поглощение до 600 Вт пиковой импульсной мощности или 100 А при пиковом импульсном токе.
• Защита от электростатического разряда мощностью до 30 кВ от воздушных ударов или прямого контакта.
• Сверхбыстрый отклик (менее 1 пс) на переходные процессы.
• Версии с ограничивающим напряжением до 10 В
• Распознавание компонентов UL или IEC.

Как показано на рисунке 4, TVS-диоды могут быть двунаправленными, двумя последовательными диодами в корпусе, или однонаправленными, одним диодом. Помимо функций защиты, TVS-диоды потребляют небольшое количество энергии. При нормальной работе без помех компонент потребляет менее 1 мкА. Наконец, доступны версии TVS-диодов для поверхностного монтажа для экономии места на печатных платах.

Рисунок 4. Двунаправленные и однонаправленные TVS-диоды для защиты от электростатического разряда и других электрических переходных процессов

Датчик движения и MCU

Основными элементами пассивного инфракрасного детектора являются датчик инфракрасного излучения и микроконтроллер. Имейте в виду, что доступны полные пакеты, которые включают датчик, объектив и микроконтроллер (см. Рисунок 5). Полный пакет предлагает:

• Снижение затрат на материалы конструкции, поскольку датчик подключается непосредственно к микросхеме микроконтроллера.
• Микроконтроллер, содержащий все схемы, необходимые для полного проектирования электроники обнаружения и обработки. Микроконтроллер содержит ЦП, ОЗУ, таймеры, компараторы, аналого-цифровой преобразователь, интерфейс связи и прошивку для датчика.
• Двухэлементный или четырехэлементный датчик, который в сочетании с линзой может предложить множество вариантов для разных полей зрения.
• Конструкции, которые позволяют использовать более дешевые керамические конденсаторы меньшего размера по сравнению с типичным использованием электролитических конденсаторов, которые имеют более высокую утечку и более короткий срок службы продукта.
• Усовершенствованные алгоритмы детектора движения, обеспечивающие управление чувствительностью, диапазоном и полем обнаружения.
• Гибкость микроконтроллера, позволяющая реализовать определяемые пользователем функции приложения.

Для экономии энергии ищите сборку, которая имеет режим низкого энергопотребления, когда движение не обнаруживается. На рис. 6 показан пример комплекта инфракрасного детектора движения. Комбинация интегрированного корпуса с меньшим количеством компонентов и отсутствием электролитических конденсаторов повышает общую надежность продукта, экономит место на печатной плате и снижает затраты.

Рисунок 5. Блок-схема комбинации объектива, датчика и микроконтроллера

Рисунок 6. Пример узла инфракрасного датчика движения линза-датчик-микроконтроллер. Эта сборка от Zilog. Объектив и сенсор находятся сверху платы. Микроконтроллер находится под датчиком.

Будильник

Цепь сигнализации активируется, когда инфракрасный датчик обнаруживает соответствующее количество движения. Схема обычно управляет мигающей светодиодной лампой или комбинацией светодиодной лампы и динамика. Цепи аварийной сигнализации потребуется управляющий компонент для подачи питания на внешнее устройство. Рассмотрим герконовое или твердотельное реле, оба из которых будут обеспечивать гальваническую развязку мощного привода от маломощной логической схемы. Полупроводниковое реле обеспечивает более длительный срок службы выходных контактов привода, а герконовое реле обеспечивает более низкое энергопотребление.

Герконовые реле доступны в компактных однорядных корпусах. Вы также можете приобрести герконовые реле со встроенными диодами, подавляющими обратную ЭДС, для защиты цепи возбуждения катушки и с опциями магнитного экрана, чтобы предотвратить попадание электромагнитных помех катушки в схему управления. Кроме того, контакты герконового реле имеют более длительный срок службы, чем обычные электромеханические реле, и они относительно невосприимчивы к широкому диапазону температур окружающей среды.

Твердотельные реле оптически объединяют управление между входным светодиодом и выходным транзистором фотодетектора. Твердотельные реле могут иметь изоляцию между входом и выходом до 1500 В среднекв. Многие из них предназначены для устранения генерации EMI / RF с помощью логики, которая инициирует переключение при пересечении нулевого напряжения. Версии твердотельных реле могут иметь низкий выходной ток утечки в закрытом состоянии, менее 1 мкА, для минимизации энергопотребления. Они доступны в компактных корпусах для поверхностного монтажа.

Ваш выбор компонента привода будет зависеть от обеспечения того, чтобы контакты или выход имели достаточную емкость привода для типов выходов, которые будут использоваться. Размер, потребляемая мощность и стоимость будут другими факторами, которые вы захотите учесть при выборе компонента привода.

Стандарты безопасности для пассивных инфракрасных датчиков движения

В таблице 1 перечислены важнейшие стандарты, которым должна соответствовать ваша конструкция, чтобы ее можно было сертифицировать и принять на рынке. Соблюдение этих стандартов в рамках проекта разработки снизит затраты на сертификацию и сократит время сертификации. Соблюдение стандартов IEC позволит продавать ваш продукт во всех регионах мира.

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

Прочные и надежные конструкции могут иметь небольшое количество компонентов и низкие затраты на разработку

Для конструкции инфракрасного детектора прочная конструкция требует всего нескольких компонентов защиты. Вы можете воспользоваться преимуществами пакета линз / сенсора / микроконтроллера, чтобы уменьшить количество деталей и максимизировать надежность продукта. Убедитесь, что вы включили соответствие стандартам в качестве важного элемента в проект разработки, чтобы сэкономить время и затраты на сертификацию. Мы предлагаем вам воспользоваться опытом производителя в области приложений, чтобы сэкономить время при выборе компонентов защиты и управления и значительно сэкономить время на разработку. Производитель также может предоставить рекомендации относительно того, какие стандарты применяются к конструкции, и предоставить рекомендации о том, как обеспечить соответствие. Эти рекомендации помогут вам создать прочную и надежную конструкцию, которая приведет к меньшему количеству отказов в полевых условиях и сделает продукт более рентабельным и прибыльным.

Ссылки

1.) Рынок датчиков присутствия. Рынки и рынки. Июль 2020 г.

Справочная литература

Чтобы узнать больше, загрузите Руководство по применению автоматизации зданий и Руководство по выбору защиты цепей, любезно предоставленное Littelfuse, Inc.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.