Projeto de detecção e proteção de circuito inteligente para travas de residências inteligentes e controles de acesso

Este artigo fornece uma visão geral da topologia de controle de acesso em casas inteligentes e edifícios industriais, cobrindo as várias soluções de proteção e detecção que os engenheiros podem usar em seus projetos.

A combinação de tecnologias de smartphone, rede e internet das coisas (IoT) permitiu o desenvolvimento da casa inteligente e da automação predial avançada. Essas tecnologias fornecem maior automação, controle e segurança, dando ao proprietário ou ocupante do escritório maior comodidade e a sensação confortável de maior segurança. Onde quer que o dono da casa ou o ocupante do escritório estejam, eles podem ver o status da fechadura da porta e das janelas e portas.

Os engenheiros que projetam produtos de segurança para residências e edifícios, como fechaduras inteligentes e dispositivos de detecção de janelas e portas, precisam garantir que seus dispositivos não criem uma falsa sensação de segurança para seus clientes. Os projetistas precisam entender os componentes de proteção e detecção necessários para cumprir os padrões de segurança aplicáveis ​​e garantir produtos seguros, robustos e confiáveis.

O mercado de travas inteligentes por si só é um mercado de alto crescimento e oportunista para inovação. Espera-se que o crescimento global de bloqueios inteligentes tenha uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 25 por cento com o crescimento da unidade expandindo de aproximadamente sete milhões de unidades em 2019 para cerca de 23 milhões de unidades em 20241. O mercado residencial representará a maior parte do crescimento , que será em torno de 70 por cento.

Tal como acontece com as fechaduras inteligentes, a maior conscientização sobre a segurança pessoal impulsionará o crescimento global dos sensores de janelas e portas, especialmente nas economias em desenvolvimento. Os embarques devem aumentar de cerca de 300 milhões de unidades em 2019 para cerca de 465 milhões de unidades em 20242. Esse crescimento está em um CAGR de cerca de nove por cento. O mercado de produtos de segurança doméstica inteligente é um mercado saudável e atraente.

Proteção de designs de Smart Lock

Uma trava inteligente consiste em um teclado para acesso manual, um link de protocolo sem fio para acesso de smartphone por meio de um aplicativo de software, um sensor para monitorar a posição da maçaneta da porta, atuadores para travar ou destravar a porta e detecção para detectar um esforço para contornar a fechadura. A Figura 1 mostra um exemplo de fechadura inteligente com proteção sugerida e componentes de detecção para garantir uma operação confiável. A Figura 2 fornece um diagrama de blocos detalhado de um bloqueio inteligente; e o diagrama mostra a localização recomendada para os componentes de proteção e detecção sugeridos.

A descarga eletrostática (ESD) é o principal perigo para os componentes eletrônicos do smart lock. Tanto a interface do usuário quanto a interface sem fio são suscetíveis à ESD do usuário.

A interface do usuário contém o teclado que uma pessoa contata para inserir o código de acesso pré-programado. Um indivíduo é uma fonte de ESD, especialmente em um ambiente seco. Os projetistas devem proteger o bloco do circuito da interface do usuário de ESD para evitar danos aos componentes eletrônicos sensíveis.

Figura 1. Um bloqueio inteligente com proteção recomendada e soluções de detecção

Figura 2. Diagrama de blocos de bloqueio inteligente mostrando os blocos de circuito onde os componentes de proteção e detecção são recomendados

Para proteção ESD, os projetistas devem considerar um diodo supressor de tensão transiente (TVS) ou uma matriz de diodos. Os diodos TVS são diodos Zener construídos com tecnologia de avalanche de silício e podem oferecer um nível mínimo de proteção de ± 15 kV de tensão ESD. Um conjunto de diodos TVS pode abrigar seis diodos Zener para proteger cinco linhas de sinal e fornecer uma referência de aterramento. Consulte a Figura 3. A vantagem de um array é que um componente que economiza espaço em um pacote de montagem em superfície 0402 pode proteger até cinco linhas.

O impacto no bloqueio do circuito é mínimo; um conjunto de diodos TVS pode ter uma corrente de fuga de apenas 1 µA. Se um nível mais alto de proteção ESD for desejado, um diodo individual pode fornecer proteção ESD para cada linha de sinal. Um único diodo TVS, mostrado na Figura 4, pode suportar até ± 30 kV. Qualquer que seja a configuração usada, coloque os diodos TVS o mais próximo possível da entrada do circuito para evitar que um transiente ESD penetre no circuito.

Figura 3. Exemplo de matriz de diodo TVS de 5 linhas

Figura 4. Um único diodo TVS

A interface sem fio se conecta à rede celular ou LAN sem fio, uma rede WiFi, para se comunicar com um smartphone ou outro dispositivo em rede. Por ser exposta ao ambiente externo, a Interface sem fio deve ter proteção ESD. O componente recomendado é um supressor de ESD de polímero.

O valor de um supressor de ESD de polímero é sua capacidade de responder e absorver transientes de ESD enquanto tem um impacto insignificante na impedância característica da saída da interface sem fio. Supressores de ESD de polímero podem suportar um ESD de contato direto de ± 8 kV e um ataque aéreo de ± 15 kV. A capacitância típica do componente é de 0,06 pF. O tempo de resposta a um transiente é extremamente rápido, abaixo de 1 ns. O posicionamento deve ser o mais próximo possível do conector da antena de entrada. A Figura 5 mostra duas configurações para supressores de ESD de polímero, componentes bidirecionais.

Figura 5. Configurações para supressores de ESD de polímero, componentes bidirecionais

Recomendações de detecção para bloqueios inteligentes

A detecção para garantir que a porta está completamente encaixada na moldura da porta requer um sensor. Uma chave reed com um atuador magnético é uma solução de detecção de baixa potência para um bloqueio inteligente operado por bateria. Os interruptores Reed não requerem nenhuma alimentação de acionamento e são hermeticamente selados para longa vida em qualquer ambiente. As versões podem alternar 10 W com classificações de até 0,5 A ou até 200 V. Os interruptores são muito adequados para uso em circuitos de controlador de baixa tensão. Além disso, versões de montagem em superfície estão disponíveis para montagem de placa de circuito automatizada.

Os projetistas devem considerar um atuador magnético cilíndrico projetado para montagem em uma moldura como a moldura de uma porta. Um ímã AlNiCo é o material recomendado; e o tamanho pode ser tão pequeno quanto 5 mm x 25 mm.

O bloco do circuito de detecção de violação também requer um sensor para alertar o usuário se a fechadura foi comprometida e a porta foi aberta. Novamente, uma chave de palheta e um atuador são recomendados. A combinação reed switch-atuador consome uma quantidade mínima de energia para maximizar a vida útil da bateria. Os projetistas podem considerar um par de interruptor de palheta-atuador com sensibilidade ajustável para garantir uma resposta rápida a uma fechadura violada.

São necessários apenas quatro componentes para fornecer proteção e detecção de um bloqueio inteligente. Esses componentes consomem um mínimo de espaço da placa de circuito e garantem um produto seguro e confiável.

Proteção de designs de sensores sem fio de portas e janelas

Sensores de porta e janela sem fio fornecem informações sobre o estado de janelas e portas. O usuário pode obter informações sobre se as janelas e portas estão abertas ou fechadas de qualquer local. A Figura 6 mostra uma configuração de hardware para um sensor de porta sem fio e um sensor de janela sem fio. A figura também mostra os componentes de proteção e detecção recomendados para cada um dos elementos de hardware.

Figura 6. Janela sem fio e sistema de detecção de porta com proteção recomendada e componentes de detecção mostrados

A Figura 7 mostra o diagrama de blocos dos dois elementos principais do sistema. O circuito do sensor detecta a posição da janela ou porta e relata as informações para um controlador que também é a interface para o usuário e o transmissor de informações para qualquer local. O circuito de detecção está na porta e na janela e deve permitir o movimento; portanto, o circuito deve ser operado por bateria. O controlador de interface do usuário com o teclado está em um local fixo para que possa ser alimentado por linha CA. A energia da linha CA é uma aplicação típica para instalações comerciais.

Figura 7. Diagrama de blocos de um sistema de sensor de janela e porta mostrando os blocos de circuito e os componentes de proteção e detecção recomendados

Tal como acontece com o bloqueio inteligente, os projetistas devem considerar um atuador magnético com chave de palheta para detecção de proximidade. Sem a necessidade de ativação de energia, o interruptor reed estende a vida útil da bateria do sistema do sensor. Os blocos de circuito da interface sem fio no sensor e no controlador da interface do usuário podem usar supressores de ESD de polímero para garantir a proteção contra ESD enquanto mantém a integridade da transmissão de RF. Também semelhante ao smart lock, o bloco de circuito da interface do usuário com seu teclado deve ter proteção ESD contra contato humano. Um conjunto de diodos TVS pode proteger as linhas de sinal sensíveis de transientes ESD.

Onde a alimentação CA e uma fonte de alimentação CA-CC energizam o controlador de interface do usuário, os projetistas precisam proteger o controlador de ameaças potenciais da linha CA. Danos potenciais aos componentes eletrônicos podem vir de condições de sobrecorrente, quedas de raios e outros transientes de tensão e transientes ESD. Os projetistas podem proteger seus projetos dessas condições com dispositivos de proteção contra transientes de tensão e fusíveis.

Existem inúmeras opções de fusíveis, incluindo as características operacionais do fusível e o estilo da caixa para atender a uma ampla gama de objetivos de design. Os projetistas devem considerar fusíveis de atraso de tempo ou slo-blo para evitar desligamentos incômodos. Além disso, os projetistas devem selecionar a classificação da corrente do fusível para acomodar sobrecargas de curto prazo, como correntes de pico, quando aplicável. Outras considerações incluem a classificação de interrupção que define a corrente de sobrecarga máxima que o fusível pode interromper. Este parâmetro é compatível com o tamanho do fusível. Se um pequeno fusível for necessário, o projetista precisará se certificar de que o fusível pode suportar a corrente de curto-circuito disponível fornecida pela linha CA. Uma consideração final é a resistência ao frio dos fusíveis. Se o consumo de energia for a principal preocupação, os projetistas devem procurar um fusível com baixa resistência ao frio.

Para absorver com segurança a energia de um transiente de tensão na linha CA de raios ou picos de ativação e desativação do motor, os projetistas devem considerar o emprego de um varistor de óxido de metal (MOV). Os MOVs podem absorver um pico de corrente de até 10.000 A de um pulso transiente de 8/20 µs. Um MOV de 20 mm também pode absorver até 530 J de energia.

Um componente alternativo a um MOV é um diodo TVS. Modelos desenvolvidos para proteger circuitos contra raios e outros transientes podem suportar até 1500 W de potência de um pulso de 10/1000 µs. Para minimizar o consumo de energia, um diodo TVS consome menos de 1 µA em condições normais de operação. Além disso, um diodo TVS pode responder rapidamente a um transiente em menos de 1 ps. Versões de montagem em superfície estão disponíveis para minimizar o trabalho de montagem. A Figura 8 mostra os símbolos de um diodo TVS. Os projetistas podem selecionar um diodo bidirecional ou um diodo unidirecional.

Figura 8. Configurações para um diodo TVS bidirecional e unidirecional

Tal como acontece com uma fechadura inteligente, não são necessários muitos componentes para proteger os circuitos de detecção de janelas e portas. Os designers têm várias opções para selecionar as versões mais adequadas para seus produtos.

Cumprindo os padrões da indústria para produtos de segurança eletrônica

Os projetistas devem conhecer os padrões que se aplicam aos produtos que estão desenvolvendo, para que possam incorporar os requisitos durante a fase de desenvolvimento do projeto. A falha em acomodar os padrões pode levar a um trabalho de redesenho potencialmente caro e atrasos na introdução do produto.

Além dos padrões gerais de segurança do produto, como a série IEC 61000, que define os requisitos para suportar ESD, transientes eletricamente rápidos e relâmpagos, existem padrões específicos para travamento eletrônico e produtos relacionados. A Tabela 1 lista os padrões aplicáveis ​​para travamento eletrônico e dispositivos relacionados. Esses padrões cobrem o mercado norte-americano e a China. Os documentos são materiais de referência essenciais para designers de fechaduras inteligentes e sensores de janelas e portas.



Tabela 1. Padrões para travamento eletrônico e produtos relacionados para a América do Norte e China

Resumo

Uma reputação de qualidade, confiabilidade e conveniência é uma enorme vantagem competitiva para os fabricantes de fechaduras inteligentes e produtos de detecção de portas e janelas. Incorporar a proteção adequada e componentes de detecção contribuirá para a obtenção de produtos seguros e robustos. Felizmente, os projetistas precisam apenas de um pequeno número de componentes para proteger totalmente seus produtos e cumprir os padrões de segurança. Com sensores de baixa energia, os projetistas podem maximizar a vida útil da bateria para minimizar a frequência de substituição da bateria. Os designers têm vários componentes alternativos que podem usar. Uma recomendação final para obter um design ideal é aproveitar a experiência dos fabricantes de componentes e buscar seus conselhos.

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. Tamanho do mercado do Smart Lock. Grandview Research. Fevereiro de 2020.
2. Janela Sensores Market Outlook. Pesquisa de mercado do Outlook. Maio de 2019.

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