Consideraciones de diseño de detección, control y protección de circuitos para aplicaciones de seguridad en el hogar inteligente

Este artículo explora los componentes que protegen y controlan sus circuitos en aplicaciones de seguridad doméstica inteligente, específicamente componentes para proteger cámaras de seguridad con cable e inalámbricas y cámaras de timbre con cable.

Los avances en la tecnología IoT están permitiendo el desarrollo de sistemas inteligentes de seguridad para el hogar que ofrecen a los consumidores seguridad, conveniencia y eficiencia energética. La nueva tecnología de detección y los protocolos inalámbricos como la LAN inalámbrica (Wi-Fi) han creado una amplia gama de dispositivos que pueden monitorear y controlar equipos de seguridad, equipos de control de acceso, electrodomésticos, equipos de administración de energía, tomas de corriente, iluminación y sistemas de entretenimiento. La Figura 1 ilustra la amplitud de la tecnología de IoT que está habilitando el hogar inteligente.

Figura 1. Los beneficios de la tecnología del hogar inteligente incluyen el control del entretenimiento, los electrodomésticos, el acceso, la alimentación y la energía, así como la seguridad.

El mercado de la seguridad para el hogar inteligente es un mercado dinámico. Se espera que los envíos unitarios de cámaras de seguridad residenciales crezcan de 54 millones de unidades en 2018 a 120 millones de unidades en 2023. Eso representa una tasa de crecimiento anual compuesta sustancial (CAGR) del 17%. Existe una gran oportunidad de innovación y nuevos productos en este mercado.

Fiabilidad es igual a seguridad

Los productos de seguridad para el hogar inteligente deberán ser altamente confiables para ganar participación de mercado. A medida que más proveedores ingresen al mercado y se reduzca la diferenciación de productos, la calidad del producto se convertirá en un factor decisivo más importante para los consumidores. Por lo tanto, los productos deberán ser resistentes a sobrecargas y transitorios. Los siguientes párrafos brindarán a los diseñadores de sistemas de seguridad para el hogar recomendaciones para usar y seleccionar componentes que protejan y controlen sus circuitos. Se presentarán componentes para proteger los siguientes productos:

• Cámaras de seguridad inalámbricas y con cable
• Cámaras de timbre con cable
  

Cámaras de seguridad con cable

Los sistemas de cámaras de seguridad con cable son típicamente sistemas de seguridad montados de forma fija para monitorear áreas que rodean una residencia. La Figura 2 muestra una cámara de seguridad con cable y los componentes recomendados para proteger y controlar la cámara. Estas cámaras funcionan con una línea de CA y están sujetas a sobrecargas y transitorios que se propagan en la línea de energía de CA. Además, todas las conexiones al entorno externo están sujetas a descargas electrostáticas (ESD).

Los diseñadores deberán proteger los circuitos de su cámara de daños debido a estas condiciones peligrosas. La Figura 3 muestra un diagrama de bloques de una cámara de seguridad con cable y los componentes de protección y control recomendados para garantizar un producto robusto.

Figura 2. Ejemplo de cámara de seguridad con cable y componentes de control y protección recomendados

Figura 3. Diagrama de bloques de la cámara de seguridad cableada que muestra los circuitos y sus componentes de protección y control recomendados.

Adaptador de corriente

El adaptador de corriente interactúa con la línea de alimentación de CA y necesita protección contra sobrecargas de corriente y transitorios de tensión en la línea de alimentación. Sugerimos fusibles para protección contra sobrecargas, un varistor de óxido metálico (MOV) para protección contra sobretensiones transitorias de corriente y un diodo supresor de voltaje transitorio (TVS) para protección contra transitorios de voltaje. Estos tres componentes, con parámetros seleccionados para las características específicas de su diseño, garantizarán que el adaptador de corriente sea resistente a sobrecargas y transitorios.

Seleccione un fusible de acción lenta para evitar aperturas molestas del fusible debido a la corriente de entrada del suministro de conmutación. Sin embargo, para evitar daños en los circuitos del adaptador de corriente, elija un fusible que responda rápidamente a una sobrecarga continua, como en unos pocos segundos a una sobrecarga del 200%. No pase por alto otros parámetros clave al seleccionar un fusible. Verifique que el voltaje nominal del fusible exceda el voltaje de línea máximo que verá la fuente de alimentación. Además, asegúrese de que la clasificación de interrupción sea más alta que la sobrecarga de corriente en el peor de los casos que se esperaría que encontrara el circuito.

Una clasificación de interrupción adecuada evitará daños físicos al fusible debido a una gran sobrecarga transitoria de la línea de CA. Dado que el espacio es un bien escaso en la fuente de alimentación, busque fusibles pequeños que cumplan con los requisitos. Finalmente, use un fusible con certificaciones UL / IEC para simplificar y acelerar la calificación de cumplimiento de seguridad del producto.

Para grandes sobretensiones de alta energía inducidas por rayos, por ejemplo, proteja el suministro con un varistor de óxido metálico (MOV) ubicado lo más cerca posible de la entrada del suministro. Los MOV pueden absorber sobrecorrientes de hasta 10 kA y pueden absorber más de 500 J de energía de pulso pico. Dado que el MOV está en contacto con la línea de alimentación, utilice un componente certificado por UL / IEC.

El tercer elemento de protección que desea considerar es un diodo supresor de voltaje transitorio (TVS) para proteger los circuitos aguas abajo de los transitorios de voltaje. Los diodos TVS responden a transitorios extremadamente rápido, en menos de 1 ps. Al suprimir un transitorio, el diodo TVS fija su salida a un voltaje bajo para proteger los circuitos sensibles. Los diodos TVS están disponibles en versiones unidireccionales o bidireccionales y tienen una amplia gama de tensiones de sujeción que pueden ser tan bajas como 10 V.

Etapa de entrada de CC

La etapa de entrada de CC suministra voltaje de CC para alimentar el tablero de control, el motor y la interfaz del sensor de imagen. Recomendamos protección contra sobrecargas de corriente y protección contra voltajes transitorios para este circuito. Las opciones son un fusible convencional o un fusible de coeficiente de temperatura positivo polimérico reiniciable (PPTC). Hay disponibles versiones de montaje en superficie de estos dos tipos de fusibles, por lo que consumen un mínimo de espacio en la placa de circuito impreso. Los diodos TVS también están disponibles en paquetes de montaje en superficie que ahorran espacio y pueden soportar transitorios con hasta 5000 W de potencia de pulso máxima.

Tablero de control

El tablero de control contiene la inteligencia para el circuito de la cámara. La placa de control incluye la MCU, el almacenamiento de memoria de video y el circuito de interfaz cableado que transmite información a través de la línea de alimentación de CA utilizando el protocolo PoE. Dos de los circuitos del tablero de control deben tener componentes de protección. Esos dos circuitos son la interfaz cableada y el circuito de memoria.

La interfaz cableada se conecta con el entorno externo y debe tener protección contra sobrecarga de corriente y voltaje transitorio. Al igual que la etapa de entrada de CC, seleccione un fusible convencional o un fusible reiniciable para la protección de sobrecarga de corriente. Para protección contra transitorios de voltaje, recomendamos un componente especial, una matriz de diodos TVS. La matriz de diodos TVS protege las líneas de E / S PoE de ESD y otros transitorios de alto voltaje.

La Figura 4 muestra una matriz de diodos bidireccionales combinados con un diodo Zener para resistir un impacto ESD de ± 30 kV. Estos diodos tienen una capacitancia baja de 1pF / puerto que minimiza su impacto en las señales de transmisión y recepción del protocolo POE. Las configuraciones de matriz de diodos, como las que se muestran en la Figura 4, están disponibles en paquetes de montaje en superficie, que ocupan la menor cantidad de espacio de PCB.

Figura 4. Una matriz de diodos TVS diseñada para protección ESD de múltiples puertos de E / S

La tarjeta SD contiene los datos adquiridos por la cámara. Recomendamos un diodo TVS para proteger este importante circuito de hasta ± 30 kV de ESD. Los diodos TVS tienen corrientes de fuga bajas por debajo de 1 µA para reducir el consumo de energía.

Accionamiento motorizado

El bloque de accionamiento del motor tiene un circuito de motor de giro e inclinación que posiciona la cámara para rastrear el movimiento. Para este circuito, recomendamos un componente de control, un interruptor de estado sólido ópticamente aislado. El aislamiento óptico evita que el ruido del motor y los transitorios se vuelvan a acoplar al circuito de control de giro e inclinación. La conmutación de estado sólido proporciona una conmutación sin rebotes para un control más suave del motor. Busque interruptores de estado sólido con conmutación de cruce por cero para minimizar los transitorios de arranque del motor. Además, busque interruptores con limitación de corriente para protegerse contra una condición de motor atascado.

Cámaras de seguridad inalámbricas

Para monitorear espacios internos, las cámaras de seguridad inalámbricas son pequeñas y se pueden colocar fácilmente en cualquier lugar. Consulte la Figura 5 para ver un ejemplo de cámara inalámbrica. La Figura 6 muestra un diagrama de bloques para la cámara inalámbrica y los componentes de protección y control recomendados para este dispositivo.

Figura 5. Ejemplo de cámara de seguridad inalámbrica con componentes de protección recomendados

Figura 6. Diagrama de bloques de una cámara de seguridad inalámbrica y componentes de detección y protección recomendados

Adaptador

El adaptador USB es la fuente de alimentación para la cámara de seguridad inalámbrica. Dado que se conecta a la red de CA, el adaptador USB debe protegerse contra sobrecargas de corriente y transitorios de voltaje. Similar al adaptador de corriente que alimenta una cámara de seguridad con cable, el adaptador USB debe tener un fusible para protección contra sobrecorriente, un MOV para rayos y un diodo TVS para protección ESD.

Si el diseño utilizará un protocolo USB tipo C, entonces los conectores USB tipo C de alta densidad requieren detección térmica para detectar un corto entre las clavijas del conector. Un elemento de detección térmica diseñado para cumplir con los diseños de USB tipo C evitará daños en los cables y conectores si el polvo o la suciedad provocan un cortocircuito en las clavijas del conector adyacentes. Consulte el estándar USB Type-C. ² El elemento sensor se reinicia con una resistencia baja cuando se corrige el problema que causa el aumento de temperatura.

Paquete de batería

Se debe monitorear el paquete de baterías para detectar una condición de sobrecorriente si una celda de la batería falla en una condición de cortocircuito y se sobrecalienta. Además, la unidad de gestión de la batería y el USB pueden estar sujetos a ESD. Recomendamos un fusible reiniciable, un fusible de montaje en superficie PPTC, para proteger contra una sobrecorriente debido a una falla en la celda de la batería. Un fusible PPTC se disparará en menos de un segundo a una sobrecarga del 200% para evitar que una batería en cortocircuito cause daños a varias baterías.

La unidad de gestión de la batería y el circuito USB deben tener protección ESD. Recomendamos varistores de óxido metálico multicapa que tienen tensiones de sujeción bajas para proteger los componentes semiconductores. Cuando el ahorro de espacio en la PCB es una consideración importante, se pueden implementar versiones de MOV multicapa en paquetes de montaje en superficie 0402 que ahorran espacio.

Si el circuito USB cumple con el protocolo USB tipo C, entonces se debe usar un elemento de detección térmica idéntico al recomendado para el adaptador USB para proteger la toma USB de acoplamiento en el circuito USB. En nuestra guía de diseño e instalación encontrará más detalles sobre el diseño de un indicador de detección térmica en un circuito USB tipo C. ³

Tablero de control

El tablero de control contiene componentes electrónicos digitales que controlan la cámara y guardan los datos de video. El tablero de control necesita protección contra transitorios y ESD. Para este circuito, recomendamos un diodo Zener TVS que resista hasta ± 30 kV. El diodo TVS, con una corriente de fuga de menos de 0,5 µA, consume un mínimo de energía del circuito. El diodo también ocupa una pequeña cantidad de espacio en la PCB y se puede alojar en paquetes de montaje en superficie 0201.

Interfaz inalámbrica

La interfaz inalámbrica se comunica con dispositivos inalámbricos externos como computadoras, teléfonos inteligentes y tabletas móviles. Dado que este circuito está expuesto al entorno interno, el circuito es susceptible a descargas electrostáticas. En este caso, considere un supresor de ESD de polímero. Un supresor de polímero ESD protegerá un circuito de descargas de ESD de hasta ± 15 kV a través del aire y ± 8 kV del contacto humano. Además, su baja capacitancia de menos de 0,2 pF no degrada la transmisión o recepción de la señal.

Cámaras de timbre

La cámara del timbre con cable se ha convertido en un producto muy popular para la visualización remota de visitantes. La Figura 7 muestra un ejemplo de cámara de timbre y la Figura 8 muestra un diagrama de bloques con los componentes de protección y control recomendados.

Figura 7. Ejemplo de cámara de timbre con cable y soluciones recomendadas de protección y control

Figura 8. Diagrama de bloques de una cámara de timbre con cable con los componentes de protección y control recomendados

Unidad de fuente de alimentación

La unidad de fuente de alimentación interactúa con un voltaje de CA reducido de la línea de alimentación de CA y puede estar sujeta a sobrecargas de corriente y transitorios de voltaje, como los transitorios inducidos por rayos. Al igual que con los otros circuitos de suministro, un fusible protegerá contra condiciones de sobrecarga de corriente. Para protegerse contra los transitorios de voltaje en la línea de CA, seleccione un diodo TVS que pueda absorber un transitorio con una potencia de hasta 4 kW. Considere el uso de un relé de estado sólido ópticamente aislado para controlar la energía a los otros circuitos y para evitar que el ruido y los transitorios de la línea de energía se propaguen a los circuitos aguas abajo.

Paquete de batería

El paquete de baterías proporciona energía de respaldo al tablero de control y la interfaz de usuario. El paquete de batería y sus subunidades, la unidad de administración de batería y el circuito USB necesitan protección contra condiciones de sobrecorriente y transitorios utilizando componentes similares recomendados para el circuito idéntico en la cámara inalámbrica. La adición de un diodo TVS asegurará la supresión de los voltajes transitorios y las descargas electrostáticas. Al igual que con la batería de la cámara inalámbrica, recomendamos la detección térmica para el circuito USB si el protocolo USB tipo C es un requisito de diseño.

Interfaz de usuario

La interfaz de usuario está sujeta a descargas electrostáticas por contacto humano. Utilice un diodo TVS para proteger la interfaz de usuario de ESD. Si la cámara del timbre se comercializará en Europa, deberá incluir un interruptor entre la activación del timbre de la puerta y la cámara para cumplir con las regulaciones de privacidad europeas. Considere el uso de un relé de estado sólido para eliminar el rebote del contacto del relé mecánico y la generación de interferencia electromagnética (EMI).

Tarjeta de control e interfaz inalámbrica

La placa de control y los circuitos de interfaz inalámbrica funcionan para la cámara del timbre como lo hacen para la cámara inalámbrica. Los componentes de protección recomendados para estos circuitos en la cámara inalámbrica se aplicarían a los mismos circuitos en la cámara del timbre.

La pandemia COVID-19 está influyendo en el diseño de las cámaras de seguridad

Algunos fabricantes de cámaras de seguridad se están adaptando a la "nueva normalidad" de la vida resultante de la pandemia de COVID-19. Están agregando tecnología de detección térmica infrarroja a las cámaras para que la temperatura de los visitantes al hogar o al negocio pueda monitorearse discretamente. La medición de la temperatura podría convertirse en una característica estándar en los futuros sistemas de seguridad domésticos inteligentes. A medida que las cámaras de seguridad se vuelven cada vez más sofisticadas para incluir este aspecto de la seguridad de la salud, la incorporación de una protección de circuito adecuada ayuda a desarrollar dispositivos más confiables y robustos.

Figura 9. Las cámaras de seguridad agregan escaneo térmico para monitorear la temperatura corporal después de COVID-19

Estándares aplicables a las cámaras de seguridad para el hogar

Dos normas de seguridad, que se muestran en la Tabla 1, definen los requisitos para los equipos de tecnología de comunicación de audio / video y para baterías como las de litio. IEC 62368-1 trata los requisitos de seguridad para equipos de vigilancia; y el segundo estándar, IEC 62311-2, dicta los requisitos para garantizar la seguridad de las pilas y baterías de litio. El montaje y el funcionamiento incorrectos de las baterías de litio pueden provocar un incendio; por tanto, la monitorización de este tipo de baterías es fundamental. El incumplimiento de estos estándares resultará en un trabajo de rediseño y una segunda presentación para la certificación a un organismo de estándares. Los costos del proyecto aumentarán y la introducción del producto puede retrasarse.

Tabla 1. Normas de seguridad para productos con cámaras de vigilancia

Valor en protección

Al incluir componentes de protección y detección como un objetivo de diseño e incorporar el cumplimiento de los estándares al principio del proyecto, puede desarrollar de manera rentable un sistema de seguridad para el hogar inteligente robusto y confiable. Por supuesto, su diseño es siempre una compensación entre el rendimiento y el costo total de propiedad. Si bien algunas tecnologías pueden costar más que otras, factores adicionales pueden mostrar que el costo total de propiedad más bajo requiere una tecnología de componentes de mayor costo. Aproveche la experiencia en ingeniería del fabricante de componentes al seleccionar componentes de protección, control y detección. El uso de un proveedor confiable le ahorra tiempo y recursos.

La confiabilidad y la eficiencia mejoran la reputación de su sistema de seguridad inteligente para el hogar. Una reputación de alta calidad puede resultar en un crecimiento de la participación de mercado y de los ingresos. Eso conduce a una mayor rentabilidad.

Para obtener más información sobre la protección de circuitos, los dispositivos de detección y los criterios de selección de componentes, consulte la Guía de selección de protección de circuitos y la Guía de selección de productos de detección cortesía de Littelfuse.

Referencias

1. Mercado de videovigilancia por sistema. Mercados y Mercados. Abril de 2020.
2. Especificación de conector y cable de bus serie universal tipo C. Revisión 2.0. Agosto de 2019. Foro de implementadores de USB (USB-IF), Inc.
3. Indicadores digitales de temperatura para cables USB tipo C, guía de diseño e instalación. Guía de aplicación de Littelfuse. Abril de 2019.

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