Considerações de design de proteção, controle e detecção de circuitos para aplicativos de segurança doméstica inteligente

Este artigo explora os componentes que protegem e controlam seus circuitos em aplicativos de segurança residencial inteligente, especificamente componentes para proteger câmeras de segurança com e sem fio e câmeras de campainha com fio.

Os avanços na tecnologia IoT estão permitindo o desenvolvimento de sistemas de segurança residencial inteligentes que oferecem aos consumidores segurança, conveniência e eficiência energética. Novas tecnologias de detecção e protocolos sem fio, como LAN sem fio (Wi-Fi), criaram uma ampla gama de dispositivos que podem monitorar e controlar equipamentos de segurança, equipamentos de controle de acesso, eletrodomésticos, equipamentos de gerenciamento de energia, tomadas, iluminação e sistemas de entretenimento. A Figura 1 ilustra a amplitude da tecnologia IoT que possibilita a casa inteligente.

Figura 1. Os benefícios da tecnologia de casa inteligente incluem controle de entretenimento, eletrodomésticos, acesso, potência e energia, bem como segurança.

O mercado de segurança residencial inteligente é um mercado dinâmico. As remessas de unidades de câmeras de segurança residenciais devem crescer de 54 milhões de unidades em 2018 para 120 milhões de unidades em 2023. Isso representa uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) substancial de 17%. Existe uma oportunidade significativa para inovação e novos produtos neste mercado.

Confiabilidade é igual a segurança

Os produtos de segurança doméstica inteligente precisarão ser altamente confiáveis ​​para ganhar participação no mercado. À medida que mais fornecedores entram no mercado e a diferenciação do produto diminui, a qualidade do produto se tornará um fator de decisão maior para os consumidores. Assim, os produtos precisarão ser robustos a sobrecargas e transientes. Os parágrafos a seguir darão aos projetistas de sistemas de segurança doméstica recomendações para o uso e seleção de componentes que protegem e controlam seus circuitos. Os componentes para proteção dos seguintes produtos serão apresentados:

• Câmeras de segurança com e sem fio
• Câmeras de campainha com fio
  

Câmeras de segurança com fio

Os sistemas de câmeras de segurança com fio são normalmente sistemas de segurança montados fixos para monitorar áreas ao redor de uma residência. A Figura 2 mostra uma câmera de segurança com fio e componentes recomendados para proteger e controlar a câmera. Essas câmeras são alimentadas por linha CA e estão sujeitas a sobrecargas e transientes propagados na linha de energia CA. Além disso, todas as conexões com o ambiente externo estão sujeitas a descarga eletrostática (ESD).

Os projetistas precisarão proteger os circuitos da câmera contra danos causados ​​por essas condições perigosas. A Figura 3 mostra um diagrama de blocos de uma câmera de segurança com fio e os componentes de proteção e controle recomendados para garantir um produto robusto.

Figura 2. Exemplo de câmera de segurança com fio e componentes de proteção e controle recomendados

Figura 3. Diagrama de blocos da câmera de segurança com fio mostrando os circuitos e seus componentes de proteção e controle recomendados.

Adaptador de energia

O adaptador de alimentação faz interface com a linha de alimentação CA e precisa de proteção contra picos de corrente da linha de alimentação e transientes de tensão. Sugerimos fusíveis para proteção contra sobrecarga, um varistor de óxido metálico (MOV) para proteção contra surtos de corrente transiente e um diodo supressor de tensão transiente (TVS) para proteção contra transientes de tensão. Esses três componentes, com parâmetros selecionados para as especificidades de seu projeto, garantirão que o adaptador de força seja robusto a sobrecargas e transientes.

Selecione um fusível de queima lenta para evitar aberturas incômodas do fusível devido à comutação da corrente de pico de alimentação. No entanto, para evitar danos ao circuito do Adaptador de energia, escolha um fusível que responda rapidamente a uma sobrecarga contínua, como em alguns segundos a uma sobrecarga de 200%. Não negligencie outros parâmetros importantes ao selecionar um fusível. Verifique se a classificação de tensão do fusível excede a tensão máxima de linha que a fonte de alimentação verá. Além disso, certifique-se de que a taxa de interrupção seja mais alta do que a sobrecarga de corrente do pior caso que o circuito poderia encontrar.

Uma classificação de interrupção apropriada evitará danos físicos ao fusível devido a uma grande sobrecarga transitória da linha CA. Como o espaço é escasso na fonte de alimentação, procure pequenos fusíveis que atendam aos requisitos. Finalmente, use um fusível com certificações UL / IEC para simplificar e acelerar a qualificação de conformidade de segurança do produto.

Para grandes surtos de alta energia induzidos por raios, por exemplo, proteja a fonte com um varistor de óxido de metal (MOV) localizado o mais próximo possível da entrada da fonte. Os MOVs podem absorver correntes de pico de até 10 kA e podem absorver mais de 500 J de energia de pulso de pico. Como o MOV está em contato com a linha de alimentação, use um componente com certificação UL / IEC.

O terceiro elemento de proteção que você deseja considerar é um diodo supressor de tensão transiente (TVS) para proteger os circuitos a jusante de transientes de tensão. Os diodos TVS respondem a transientes extremamente rapidamente, em menos de 1 ps. Ao suprimir um transiente, o diodo TVS fixa sua saída em uma tensão baixa para proteger o circuito sensível. Os diodos TVS estão disponíveis em versões unidirecionais ou bidirecionais e têm uma ampla gama de tensões de fixação que podem ser tão baixas quanto 10 V.

Estágio de entrada DC

O estágio de entrada CC fornece tensão CC para alimentar a placa de controle, o acionamento do motor e a interface do sensor de imagem. Recomendamos proteção contra sobrecarga de corrente e proteção de tensão transiente para este circuito. Tanto um fusível convencional quanto um fusível com coeficiente de temperatura positivo polimérico (PPTC) reconfigurável são opções. Versões de montagem em superfície de ambos os tipos de fusíveis estão disponíveis, portanto, consuma o mínimo de espaço da placa de circuito impresso. Os diodos TVS também estão disponíveis em pacotes para montagem em superfície que economizam espaço e podem suportar transientes com até 5000 W de potência de pulso de pico.

Placa de controle

A placa de controle contém a inteligência para o circuito da câmera. A placa de controle inclui o MCU, o armazenamento de memória de vídeo e o circuito de interface com fio que transmite informações pela linha de alimentação CA usando o protocolo PoE. Dois dos circuitos da placa de controle devem ter componentes de proteção. Esses dois circuitos são a interface com fio e o circuito de memória.

A interface com fio se conecta ao ambiente externo e deve ter sobrecarga de corrente e proteção de tensão transiente. Como o estágio de entrada CC, selecione um fusível convencional ou um fusível reinicializável para proteção de sobrecarga de corrente. Para proteção contra transientes de tensão, recomendamos um componente especial, uma matriz de diodos TVS. O conjunto de diodos TVS protege as linhas de E / S PoE de ESD e outros transientes de alta tensão.

A Figura 4 mostra uma matriz de diodos bidirecionais combinados com um diodo Zener para resistir a um ataque ESD de ± 30 kV. Esses diodos têm uma baixa capacitância de 1pF / porta que minimiza seu impacto nos sinais de transmissão e recepção do protocolo POE. As configurações de arranjo de diodos, como mostrado na Figura 4, estão disponíveis em pacotes de montagem em superfície, que ocupam a menor quantidade de espaço do PCB.

Figura 4. Um array de diodos TVS projetado para proteção ESD de múltiplas portas I / O

O cartão SD contém os dados adquiridos pela câmera. Recomendamos um diodo TVS para proteger este importante circuito de até ± 30 kV de ESD. Os diodos TVS têm correntes de fuga baixas abaixo de 1 µA para reduzir o consumo de energia.

Acionamento por motor

O bloco de acionamento do motor tem um circuito de motor de panorâmica e inclinação que posiciona a câmera para rastrear o movimento. Para este circuito, recomendamos um componente de controle, uma chave de estado sólido opticamente isolada. O isolamento óptico evita que ruídos e transientes do motor voltem a se acoplar ao circuito de controle de panorâmica e inclinação. A comutação de estado sólido fornece comutação sem saltos para um controle mais suave do motor. Procure interruptores de estado sólido com comutação de cruzamento zero para minimizar os transientes de inicialização do motor. Além disso, procure interruptores com limitação de corrente para proteger contra uma condição de motor travado.

Câmeras de segurança sem fio

Para monitorar espaços internos, as câmeras de segurança sem fio são pequenas e podem ser colocadas facilmente em qualquer lugar. Consulte a Figura 5 para ver um exemplo de câmera sem fio. A Figura 6 mostra um diagrama de blocos para a câmera sem fio e os componentes de proteção e controle recomendados para este dispositivo.

Figura 5. Exemplo de câmera de segurança sem fio com componentes de proteção recomendados

Figura 6. Diagrama de blocos de uma câmera de segurança sem fio e proteção recomendada e componentes de detecção

Adaptador

O adaptador USB é a fonte de alimentação da câmera de segurança sem fio. Uma vez que se conecta à rede elétrica CA, o adaptador USB deve ser protegido contra sobrecargas de corrente e transientes de tensão. Semelhante ao adaptador de energia que alimenta uma câmera de segurança com fio, o adaptador USB deve ter um fusível para proteção contra sobrecorrente, um MOV para quedas de raios e um diodo TVS para proteção ESD.

Se o projeto usar um protocolo USB Tipo C, os conectores USB Tipo C de alta densidade requerem sensor térmico para detectar um curto entre os pinos do conector. Um elemento de detecção térmica projetado para ser compatível com os designs USB Tipo C evitará danos aos cabos e conectores se poeira ou sujeira entrarem em curto com os pinos do conector adjacentes. Consulte o padrão USB Tipo C. ² O elemento sensor se reinicializa com uma resistência baixa quando o problema que causa o aumento de temperatura é corrigido.

Bateria

O pacote de bateria deve ser monitorado para uma condição de sobrecorrente se uma célula da bateria falhar em uma condição de curto e superaquecimento. Além disso, a unidade de gerenciamento de bateria e o USB podem estar sujeitos a ESD. Recomendamos um fusível reconfigurável, um fusível de montagem em superfície PPTC, para proteger contra uma sobrecorrente devido a uma falha na célula da bateria. Um fusível PPTC desarma em menos de um segundo para uma sobrecarga de 200% para evitar que uma bateria em curto cause danos a várias baterias.

A unidade de gerenciamento de bateria e o circuito USB devem ter proteção ESD. Recomendamos varistores de óxido metálico multicamadas que tenham baixas tensões de fixação para proteger os componentes semicondutores. Quando economizar espaço na PCB é uma consideração importante, versões de MOVs multicamadas para economia de espaço, pacotes 0402 de montagem em superfície podem ser implantados.

Se o circuito USB for compatível com o protocolo USB Type-C, um elemento de detecção térmica idêntico ao recomendado para o adaptador USB deve ser usado para proteger o soquete USB correspondente no circuito USB. Mais detalhes sobre como projetar um indicador de detecção térmica em um circuito USB Tipo C estão em nosso guia de design e instalação. ³

Placa de controle

A placa de controle contém eletrônicos digitais que controlam a câmera e salvam os dados de vídeo. A placa de controle precisa de proteção contra transientes e ESD. Para este circuito, recomendamos um diodo Zener TVS que resiste a até ± 30 kV. O diodo TVS, com uma corrente de fuga de menos de 0,5 µA, extrai o mínimo de energia do circuito. O diodo também ocupa uma pequena quantidade de espaço do PCB e pode ser alojado em pacotes de montagem em superfície 0201.

Interface sem fio

A interface sem fio se comunica com dispositivos sem fio externos, como computadores, smartphones e tablets móveis. Uma vez que este circuito é exposto ao ambiente interno, o circuito é suscetível a ESD. Neste caso, considere um supressor de ESD de polímero. Um supressor de ESD de polímero protegerá um circuito de golpes de ESD de até ± 15 kV através do ar e ± 8 kV do contato humano. Além disso, sua baixa capacitância, abaixo de 0,2 pF, não prejudica a transmissão ou recepção do sinal.

Câmeras campainha

A câmera da campainha com fio se tornou um produto muito popular para visualização remota de visitantes. A Figura 7 mostra um exemplo de câmera de campainha e a Figura 8 mostra um diagrama de blocos com componentes de proteção e controle recomendados.

Figura 7. Exemplo de câmera de campainha com fio e soluções de proteção e controle recomendadas

Figura 8. Diagrama de blocos de uma câmera de campainha com fio com os componentes de proteção e controle recomendados

Unidade de fonte de alimentação

A unidade de fonte de alimentação faz interface com uma tensão CA reduzida da linha de alimentação CA e pode estar sujeita a sobrecargas de corrente e transientes de tensão, como transientes induzidos por raios. Tal como acontece com os outros circuitos de alimentação, um fusível protegerá contra as condições de sobrecarga de corrente. Para se proteger contra os transientes de tensão na linha CA, selecione um diodo TVS que pode absorver um transiente com potência de até 4 kW. Considere o uso de um relé de estado sólido isolado opticamente para controlar a energia para os outros circuitos e para evitar que ruídos e transientes da linha de energia se propaguem para os circuitos a jusante.

Bateria

O pacote de bateria fornece energia de reserva para a placa de controle e a interface do usuário. O pacote de bateria e suas subunidades, a unidade de gerenciamento de bateria e o circuito USB precisam de proteção contra condições de sobrecorrente e transientes usando componentes semelhantes recomendados para o circuito idêntico na câmera sem fio. Adicionar um diodo TVS garantirá a supressão de transientes de tensão e descargas de ESD. Tal como acontece com a bateria da câmera sem fio, recomendamos a detecção térmica para o circuito USB se o protocolo USB Tipo-C for um requisito de design.

Interface do usuário

A interface do usuário está sujeita a ESD por contato humano. Use um diodo TVS para proteger a interface do usuário de ESD. Se a câmera da campainha for comercializada na Europa, você precisará incluir uma opção entre a ativação do carrilhão da porta e a câmera para cumprir os regulamentos europeus de privacidade. Considere o uso de um relé de estado sólido para eliminar o salto do contato do relé mecânico e a geração de interferência eletromagnética (EMI).

Placa de controle e interface sem fio

A placa de controle e os circuitos de interface sem fio funcionam para a câmera da campainha da mesma forma que funcionam para a câmera sem fio. Os componentes de proteção recomendados para esses circuitos na câmera sem fio se aplicariam aos mesmos circuitos na câmera da campainha.

A pandemia COVID-19 está influenciando o design de câmeras de segurança

Alguns fabricantes de câmeras de segurança estão se adaptando ao “novo normal” de vida resultante da pandemia de COVID-19. Eles estão adicionando tecnologia de sensoriamento térmico infravermelho às câmeras para que a temperatura dos visitantes em casa ou na empresa possa ser monitorada de forma discreta. A medição da temperatura pode se tornar um recurso padrão em futuros sistemas de segurança residencial inteligente. À medida que as câmeras de segurança se tornam cada vez mais sofisticadas para incluir esse aspecto da segurança da saúde, a incorporação de proteção de circuito adequada ajuda a desenvolver dispositivos mais confiáveis ​​e robustos.

Figura 9. Câmeras de segurança adicionam varredura térmica para monitorar a temperatura corporal após COVID-19

Padrões aplicáveis ​​para câmeras de segurança doméstica

Dois padrões de segurança, mostrados na Tabela 1, definem os requisitos para equipamentos de tecnologia de comunicação de áudio / vídeo e para baterias, como baterias de lítio. IEC 62368-1 aborda os requisitos de segurança para equipamentos de vigilância; e o segundo padrão, IEC 62311-2, dita os requisitos para garantir a segurança das células e baterias de lítio. A montagem e operação inadequadas das baterias de lítio podem causar incêndio; portanto, o monitoramento desses tipos de baterias é essencial. O não cumprimento dessas normas resultará em um trabalho de redesenho e uma segunda submissão para certificação a um organismo de normas. Os custos do projeto irão aumentar e a introdução do produto pode ser atrasada.



Tabela 1. Padrões de segurança para produtos com câmeras de vigilância

Valor em proteção

Incluindo componentes de proteção e detecção como um objetivo do projeto e incorporando conformidade com os padrões no início do projeto, você pode desenvolver de forma econômica um sistema de segurança residencial inteligente robusto e confiável. Claro, seu projeto é sempre uma troca entre desempenho e custo total de propriedade. Embora algumas tecnologias possam custar mais do que outras, fatores adicionais podem mostrar que o menor custo total de propriedade requer uma tecnologia de componente de custo mais alto. Aproveite a experiência de engenharia do fabricante de componentes ao selecionar componentes de proteção, controle e detecção. Usar um fornecedor confiável economiza seu tempo e recursos.

A confiabilidade e a eficiência aumentam a reputação do seu sistema de segurança residencial inteligente. Uma reputação de alta qualidade pode resultar no aumento da participação no mercado e no aumento da receita. Isso leva a uma maior lucratividade.

Para obter mais informações sobre proteção de circuito, dispositivos de detecção e critérios de seleção de componentes, consulte o Guia de seleção de proteção de circuito e o Guia de seleção de produtos de detecção, cortesia de Littelfuse.

Referências

1. Vigilância por vídeo, mercado por sistema. MarketsandMarkets. Abril de 2020.
2. Especificação de conector e cabo de barramento serial universal tipo C. Revisão 2.0. Agosto de 2019. Fórum de implementadores de USB (USB-IF), Inc.
3. Indicadores digitais de temperatura para cabos USB tipo C Guia de design e instalação. Guia do aplicativo Littelfuse. Abril de 2019.

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