O desenvolvimento de detectores de movimento robustos não precisa ser um alvo móvel

Este artigo discute alguns conceitos para garantir que os projetos de detectores de movimento sejam robustos a distúrbios externos, apresentando um conjunto de detector infravermelho que pode reduzir significativamente a contagem de peças e melhorar desempenho e confiabilidade do produto.

Casas e edifícios inteligentes estão se beneficiando de tecnologias inteligentes que os permitem ser mais convenientes, seguros e com baixo consumo de energia. A Figura 1 mostra a ampla gama de produtos disponíveis para residências e edifícios. Esses produtos podem ser monitorados e controlados automaticamente pelos consumidores em suas residências e pela equipe de gerenciamento do prédio.

Um produto que combina conveniência, segurança e economia de energia é um detector de movimento infravermelho. Um detector de movimento infravermelho detecta a ocupação em uma área e pode ativar a iluminação, o sistema HVAC ou um alarme. Se o detector de movimento está fornecendo uma função de segurança, ele precisa operar de forma confiável 24 horas por dia, 7 dias por semana.

Figura 1. Dispositivos inteligentes que permitem segurança, conveniência, proteção e gerenciamento eficiente de energia em casas e edifícios

A tecnologia de infravermelho passivo é a tecnologia líder para detecção de movimento devido a uma combinação de desempenho confiável e baixo custo. O mercado está experimentando uma saudável taxa de crescimento anual composta de mais de 13% e deve ultrapassar US $ 3,5 bilhões em 2025 ¹ . Os fatores que impulsionam o crescimento incluem:

• Demanda residencial de segurança por meio de vigilância
• Custos de instalação reduzidos com conectividade sem fio e redes IoT
• Iniciativas governamentais para a conservação de energia que estão sendo adotadas nos setores público e comercial
• Um mercado em crescimento apresenta oportunidades para designs novos e inovadores
  

Componentes de proteção, controle e detecção

Como os detectores de movimento infravermelho passivos são usados ​​para monitoramento interno ou externo, esses produtos devem ser resistentes a distúrbios ambientais. Se os detectores forem alimentados pela linha CA, eles devem ser capazes de suportar sobrecargas de corrente e transientes de tensão que podem se propagar na linha de energia CA. Além da proteção do circuito, o controle eficiente e o desempenho de detecção confiável são essenciais para se ter um produto de qualidade.

A Figura 2 mostra um exemplo de detector de movimento infravermelho e indica proteção, controle e componentes de detecção recomendados que aumentam a confiabilidade e o desempenho do produto.

Figura 2. Um exemplo de detector de movimento infravermelho passivo mostrando proteção recomendada, controle e componentes de detecção

Na Figura 3, mostramos um diagrama de blocos de um detector de movimento infravermelho passivo e em quais circuitos devem ser colocados os componentes de proteção, detecção e controle recomendados. Discutiremos cada bloco em que os componentes são recomendados.

Figura 3. Diagrama de blocos de um detector de movimento infravermelho passivo mostrando os circuitos onde os componentes recomendados estão localizados

Estágio de alimentação CA / CC

O estágio de energia CA / CC fornece energia CC para os outros blocos de circuito. Este circuito faz interface com a linha de alimentação CA e está sujeito a surtos de sobrecorrente e transientes de sobretensão. Transientes de sobretensão e picos de corrente podem resultar de quedas de raios, picos indutivos de ligar e desligar o motor e transientes de variações de tensão da linha de alimentação.

Contra esses distúrbios potenciais, recomendamos um varistor de óxido de metal (MOV) como a primeira linha de defesa para a placa de estágio de alimentação CA / CC. Posicione o MOV o mais próximo possível da entrada da tensão CA no circuito para minimizar o caminho de propagação dos transientes da linha CA na placa do circuito. Selecione um MOV com estas características:

• Absorção segura de pico de corrente de pico de até 10 kA ou 150 J de energia de pulso para proteger os circuitos a jusante de um raio
• Baixa tensão de fixação que não danificará os circuitos a jusante
• Uma faixa de temperatura operacional para garantir que o componente funcione dentro da faixa ambiental especificada do detector (versões de MOVs com revestimento fenólico podem operar com segurança até 125 ° C)
• UL- ou IEC-reconhecido para reduzir o tempo de qualificação por um laboratório de padrões reconhecido nacionalmente

Na saída do estágio de alimentação CA / CC, sugerimos que você use um diodo supressor de transiente (TVS) para proteção adicional de todos os circuitos de carga na fonte de alimentação. O diodo TVS minimizará o estresse transitório nos componentes de energia nos vários circuitos de carga. O diodo TVS oferece estes benefícios para a proteção do circuito:

• Absorção de até 600 W de potência de pulso de pico ou 100 A de corrente de pico de pico
• Proteção ESD que pode ser tão alta quanto 30 kV contra ataques através do ar ou contato direto
• Resposta ultrarrápida, abaixo de 1 ps, para um transiente
• Versões que têm tensões de fixação tão baixas quanto 10 V
• UL ou reconhecimento de componente IEC

Conforme mostrado na Figura 4, os diodos TVS podem ser bidirecionais, dois diodos em série em um pacote, ou unidirecionais, um único diodo. Além de seus recursos de proteção, os diodos TVS consomem uma pequena quantidade de energia. Em operação normal e livre de perturbações, o componente gasta menos de 1 µA. Finalmente, versões de montagem em superfície de diodos TVS estão disponíveis para conservar o espaço da placa do pc.

Figura 4. Diodos TVS bidirecionais e unidirecionais para proteção contra ESD e outros transientes elétricos

Sensor de movimento e MCU

Os elementos primários do detector de infravermelho passivo são o sensor de radiação infravermelha e a unidade de microcontrolador. Esteja ciente de que pacotes completos estão disponíveis, incluindo um sensor, uma lente e uma unidade de microcontrolador (consulte a Figura 5). Um pacote completo oferece:

• Redução da lista de materiais do projeto, uma vez que o sensor se conecta diretamente ao chip do microcontrolador.
• Um microcontrolador que contém todos os circuitos necessários para um projeto completo da eletrônica de detecção e processamento. O microcontrolador contém a CPU, RAM, temporizadores, comparadores, conversor A / D, interface de comunicação e o firmware para o sensor.
• Um sensor de dois ou quatro elementos que, combinado com uma lente, pode oferecer inúmeras opções para diferentes campos de visão.
• Projetos que permitem o uso de capacitores de cerâmica menores e de custo mais baixo em comparação com o uso típico de capacitores eletrolíticos que têm maior vazamento e vida útil mais curta.
• Algoritmos de detecção de movimento avançados que fornecem sensibilidade, alcance e gerenciamento de campo de detecção
• Flexibilidade no microcontrolador para permitir a implementação de recursos de aplicativos definidos pelo usuário

Para economizar energia, procure um conjunto que tenha um modo de baixo consumo de energia quando nenhum movimento for detectado. A Figura 6 mostra um exemplo de pacote detector de movimento infravermelho. A combinação de um pacote integrado com menos componentes e sem capacitores eletrolíticos melhora a confiabilidade geral do produto, economiza espaço na placa do pc e reduz custos.

Figura 5. Diagrama de blocos de uma combinação de lente, sensor e conjunto de microcontrolador

Figura 6. Um exemplo de conjunto detector de movimento infravermelho de sensor de lente-microcontrolador. Esta montagem é da Zilog. A lente e o sensor estão na parte superior da placa. O microcontrolador está sob o sensor.

Alarme

O circuito de alarme é ativado quando o sensor infravermelho detecta uma quantidade apropriada de movimento. O circuito normalmente aciona uma luz LED piscando ou uma combinação de uma luz LED e um alto-falante. O circuito de alarme precisará de um componente de controle para energizar o dispositivo externo. Considere um relé reed ou um relé de estado sólido, os quais fornecerão isolamento galvânico do inversor de alta potência do circuito lógico de baixa potência. Um relé de estado sólido oferece vida mais longa para os contatos de saída do inversor, enquanto um relé de palheta oferece menor consumo de energia.

Os relés Reed estão disponíveis em pacotes compactos single-in-line. Você também pode obter relés de palheta com diodos supressores de EMF embutidos para proteger o circuito de ativação da bobina e com opções de blindagem magnética para evitar que a EMI da bobina entre no circuito de controle. Além disso, os contatos de relé reed têm uma vida útil mais longa do que os relés eletromecânicos convencionais e são relativamente imunes a amplas faixas de temperatura ambiente.

Os relés de estado sólido acoplam opticamente o controle entre um LED de entrada e um transistor fotodetector de saída. Os relés de estado sólido podem ter isolamento de até 1500 Vrms entre a entrada e a saída. Muitos são projetados para eliminar a geração de EMI / RF com lógica que inicia a comutação em cruzamentos de tensão zero. Versões de relés de estado sólido podem ter baixa corrente de fuga de saída de estado desligado de menos de 1 µA para minimizar o consumo de energia. Eles estão disponíveis em pacotes para montagem em superfície que economizam espaço.

A escolha do componente do drive dependerá de garantir que os contatos ou a saída tenham capacidade de drive suficiente para os tipos de saídas que serão usados. Tamanho, consumo de energia e custo são outros fatores que você deve levar em consideração na escolha do componente do inversor.

Padrões de segurança para detectores de movimento infravermelho passivos

A Tabela 1 lista os padrões críticos aos quais seu projeto precisa estar em conformidade para que possa ser certificado e obter aceitação do mercado. A adesão a esses padrões como parte do projeto de desenvolvimento reduzirá os custos de certificação e o tempo de certificação. O cumprimento dos padrões IEC permitirá as vendas de seu produto em todas as regiões do mundo.



Tabela 1. Padrões que regem a segurança e requisitos operacionais mínimos para detectores de movimento infravermelho passivos

Projetos robustos e confiáveis ​​podem ter um baixo número de componentes e baixos custos de desenvolvimento

Para um design de detector infravermelho, um design robusto requer apenas alguns componentes de proteção. Você pode aproveitar as vantagens de um pacote de lente / sensor / microcontrolador para reduzir a contagem de peças e maximizar a confiabilidade do produto. Certifique-se de incluir a conformidade com os padrões como um elemento importante do projeto de desenvolvimento para economizar tempo e custos de certificação. Sugerimos que você aproveite a experiência de um fabricante em aplicações para ajudar a economizar tempo com a seleção de componentes de proteção e controle e economizar um tempo significativo de projeto. O fabricante também pode fornecer orientações sobre quais padrões se aplicam ao projeto e fornecer orientações sobre como garantir a conformidade. Essas recomendações o ajudarão a obter um design robusto e confiável que resultará em menos falhas de campo e um produto mais econômico e lucrativo.

Referências

1.) Mercado de sensores de ocupação. Mercados e mercados. Julho de 2020.

Literatura de referência

Para saber mais, baixe o Building Automation Application Guide e Circuit Protection Selection Guide, cortesia de Littelfuse, Inc.

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