Projetando Detectores de Movimento Robustos: Solução Infravermelha Confiável e de Baixa Contagem de Peças

Este artigo discute conceitos para garantir que projetos de detectores de movimento sejam robustos a perturbações externas, apresentando um conjunto detector infravermelho que reduz significativamente a contagem de peças e melhora desempenho e confiabilidade do produto.

Casas e edifícios inteligentes estão se beneficiando de tecnologias inteligentes que os tornam mais convenientes, seguros e energeticamente eficientes. A Figura 1 mostra a ampla gama de produtos disponíveis para residências e edifícios. Esses produtos podem ser monitorados e controlados automaticamente por consumidores em suas casas e por pessoal de gestão predial.

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

Figura 1. Dispositivos inteligentes que permitem segurança, conveniência, segurança e gestão eficiente de energia em residências e edifícios

A tecnologia infravermelha passiva é a líder para detecção de movimento devido à combinação de desempenho confiável e baixo custo. O mercado experimenta uma taxa de crescimento anual composta saudável de mais de 13% e espera-se que ultrapasse $3,5 bilhões em 2025. Fatores que impulsionam o crescimento incluem:

• Demanda residencial por segurança usando vigilância
• Custos reduzidos de instalação com conectividade sem fio e redes IoT
• Iniciativas governamentais para conservação de energia adotadas nos setores público e comercial
• Mercado crescente apresenta oportunidades para novos designs inovadores

Componentes de Proteção, Controle e Sensoriamento

Como detectores de movimento infravermelho passivo são usados para monitoramento interno ou externo, esses produtos devem ser robustos a perturbações ambientais. Se alimentados pela rede AC, devem suportar sobrecargas de corrente e transientes de tensão que podem se propagar na linha de energia AC. Além da proteção de circuito, controle eficiente e desempenho confiável de sensoriamento são essenciais para um produto de qualidade.

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

Figura 2. Exemplo de detector de movimento infravermelho passivo mostrando componentes recomendados de proteção, controle e sensoriamento

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

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

Estágio de Potência AC/DC

O estágio de potência AC/DC fornece a energia DC para os outros blocos de circuito. Este circuito interfaceia com a linha de energia AC e está sujeito a surtos de sobrecorrente e transientes de sobretensão. Transientes de sobretensão e surtos de corrente podem resultar de raios, picos indutivos de liga/desliga de motores e transientes de variações de tensão da linha de energia.

Contra essas perturbações potenciais, recomendamos um varistor de óxido metálico (MOV) como primeira linha de defesa para a placa do estágio AC/DC. Posicione o MOV o mais próximo possível da entrada da tensão AC no circuito para minimizar o caminho de propagação de transientes da linha AC na placa. Selecione um MOV com estas características:

• Absorção segura de até 10 kA de corrente de pico ou 150 J de energia de pulso para proteger circuito downstream de raios
• Tensão de clamping baixa que não danifique circuito downstream
• Faixa de temperatura de operação para garantir funcionamento sobre a faixa ambiental especificada do detector (versões de MOV com revestimento fenólico operam seguramente até 125 °C)
• Reconhecido por UL ou IEC para reduzir tempo de qualificação por laboratório de padrões nacionalmente reconhecido

Na saída do Estágio de Potência AC/DC, sugerimos usar um diodo supressor de transientes (TVS) para proteção adicional de todos os circuitos de carga na fonte de alimentação. O diodo TVS minimizará estresse transiente nos componentes de potência nos vários circuitos de carga. O diodo TVS oferece estes benefícios para proteção de circuito:

• Absorção de até 600 W de potência de pico de pulso ou 100 A de corrente de pico de surto
• Proteção ESD de até 30 kV, seja por descargas pelo ar ou contato direto
• Resposta ultra-rápida, abaixo de 1 ps, a um transiente
• Versões com tensões de clamping tão baixas quanto 10 V
• Reconhecimento de componente UL ou IEC

Como mostrado na Figura 4, diodos TVS podem ser bidirecionais, dois diodos em série em um encapsulamento, ou unidirecionais, um único diodo. Além de suas características de proteção, diodos TVS consomem pouca potência. Em operação normal, sem perturbações, o componente consome menos de 1 µA. Versões de montagem superficial de diodos TVS estão disponíveis para economizar espaço na placa de circuito impresso.

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 infravermelho passivo são o sensor de radiação infravermelha e a unidade de microcontrolador. Esteja ciente de que pacotes completos estão disponíveis que incluem sensor, lente e microcontrolador (Veja Figura 5). Um pacote completo oferece:

• Redução da lista de materiais do projeto pois o sensor conecta diretamente ao chip do microcontrolador
• Um microcontrolador contendo toda circuitaria necessária para um design completo de eletrônica de detecção e processamento. O microcontrolador contém CPU, RAM, timers, comparadores, conversor A/D, interface de comunicação e firmware para o sensor
• Sensor de dois ou quatro elementos que, combinado com uma lente, oferece numerosas opções para diferentes campos de visão
• Designs que permitem uso de capacitores cerâmicos de menor custo e tamanho comparados ao uso típico de capacitores eletrolíticos que têm maior vazamento e vida útil mais curta
• Algoritmos avançados de detector de movimento que fornecem gerenciamento de sensibilidade, alcance e campo de detecção
• Flexibilidade no microcontrolador para implementação de recursos de aplicação definidos pelo usuário

Para economia de energia, procure um conjunto que tenha modo de baixa potência quando nenhum movimento é detectado. A Figura 6 mostra um exemplo de conjunto detector de movimento infravermelho. A combinação de pacote integrado com menos componentes e sem capacitores eletrolíticos melhora a confiabilidade geral do produto, economiza espaço na placa e reduz custo.

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

Figura 6. Exemplo de conjunto detector de movimento infravermelho lente-sensor-microcontrolador. Este conjunto é da Zilog. A lente e sensor estão no topo da placa. O microcontrolador fica sob o sensor.

Alarme

O circuito de alarme ativa quando o sensor infravermelho detecta quantidade apropriada de movimento. O circuito tipicamente aciona uma luz LED piscando ou combinação de luz LED e alto-falante. O circuito de alarme precisará de um componente de controle para energizar o dispositivo externo. Considere um relé reed ou relé de estado sólido, ambos fornecendo isolamento galvânico do acionamento de alta potência da circuitaria de lógica de baixa potência. Um relé de estado sólido oferece vida mais longa para contatos de saída, enquanto relé reed oferece menor consumo de energia.

Relés reed estão disponíveis em encapsulamentos compactos single-in-line. Também existem relés reed com diodos supressores de back EMF embutidos para proteger o circuito de acionamento da bobina e opções de blindagem magnética para impedir EMI da bobina de entrar na circuitaria de controle. Além disso, contatos de relé reed têm vida mais longa que relés eletromecânicos convencionais e são relativamente imunes a amplas faixas de temperaturas ambientais.

Relés de estado sólido acoplam opticamente controle entre um LED de entrada e um fototransistor de saída. Relés de estado sólido podem ter até 1500 Vrms de isolamento entre entrada e saída. Muitos são projetados para eliminar geração EMI/RF com lógica que inicia comutação em cruzamentos de tensão zero. Versões de relés de estado sólido podem ter corrente de vazamento de estado desligado baixa, abaixo de 1 µA, para minimizar consumo de energia. Estão disponíveis em encapsulamentos surface-mount que economizam espaço.

Sua escolha de componente de acionamento dependerá de garantir que contatos ou saída tenham capacidade de acionamento suficiente para os tipos de saídas que serão usados. Tamanho, consumo de energia e custo serão outros fatores a considerar na escolha do componente de acionamento.

Normas de Segurança para Detectores de Movimento Infravermelho Passivo

A Tabela 1 lista normas críticas que seu design precisa conformar para ser certificado e obter aceitação de mercado. Aderir a essas normas como parte do projeto de desenvolvimento reduzirá custos e tempo de certificação. Cumprir normas IEC permitirá vendas do seu produto em todas as regiões mundiais.

Tabela 1. Normas que Regem Segurança e Requisitos Operacionais Mínimos para Detectores de Movimento Infravermelho Passivo

Designs Robustos e Confiáveis Podem Ter Baixa Contagem 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 um pacote lente/sensor/microcontrolador para reduzir contagem de peças e maximizar confiabilidade do produto. Certifique-se de incluir conformidade com normas como elemento importante do projeto de desenvolvimento para economizar tempo e custos de certificação. Sugerimos aproveitar a expertise de aplicações do fabricante para ajudar a economizar tempo com seleção de componentes de proteção e controle e economizar tempo significativo de design. O fabricante também pode orientar sobre quais normas se aplicam ao design e como garantir conformidade. Estas recomendações ajudarão você a alcançar um design robusto e confiável que resultará em menos falhas em campo e produto mais custo-efetivo e rentável.

Referências

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

Literatura de Referência

Para saber mais, faça download do Guia de Aplicação de Automação Predial e Guia de Seleção de Proteção de Circuito, cortesia da Littelfuse, Inc.

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