El desarrollo de detectores de movimiento robustos no tiene por qué ser un objetivo en movimiento

Este artículo analiza algunos conceptos para garantizar que los diseños de detectores de movimiento sean resistentes a las perturbaciones externas al presentar un conjunto de detector de infrarrojos que puede reducir significativamente el número de piezas y mejorar rendimiento y fiabilidad del producto.

Los edificios y hogares inteligentes se benefician de tecnologías inteligentes que les permiten ser más convenientes, más seguros y energéticamente eficientes. La figura 1 muestra la amplia gama de productos disponibles tanto para hogares como para edificios. Estos productos pueden ser monitoreados y controlados automáticamente por los consumidores en sus hogares y el personal de administración del edificio.

Un producto que combina comodidad, seguridad y conservación de energía es un detector de movimiento por infrarrojos. Un detector de movimiento por infrarrojos detecta la presencia en un área y luego puede activar la iluminación, el sistema HVAC o una alarma. Si el detector de movimiento proporciona una función de seguridad, entonces debe funcionar de manera confiable las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

Figura 1. Dispositivos inteligentes que permiten la seguridad, la comodidad, la protección y la gestión eficiente de la energía en hogares y edificios

La tecnología de infrarrojos pasivos es la tecnología líder para la detección de movimiento debido a una combinación de rendimiento confiable y bajo costo. El mercado está experimentando una tasa de crecimiento anual compuesta saludable de más del 13% y se espera que supere los $ 3.5 mil millones en 2025 ¹ . Los factores que impulsan el crecimiento incluyen:

• Demanda residencial de seguridad mediante vigilancia
• Costos de instalación reducidos con conectividad inalámbrica y redes de IoT
• Iniciativas gubernamentales para la conservación de energía que se están adoptando en los sectores público y comercial
• Un mercado en crecimiento presenta oportunidades para diseños nuevos e innovadores
  

Componentes de protección, control y detección

Dado que los detectores de movimiento por infrarrojos pasivos se utilizan para la monitorización interior o exterior, estos productos deben ser resistentes a las perturbaciones ambientales. Si los detectores están alimentados por la línea de CA, deben ser capaces de soportar sobrecargas de corriente y transitorios de voltaje que pueden propagarse en la línea de energía de CA. Además de la protección del circuito, un control eficiente y un rendimiento de detección confiable son esenciales para tener un producto de calidad.

La Figura 2 muestra un ejemplo de detector de movimiento por infrarrojos e indica los componentes recomendados de protección, control y detección que mejoran la confiabilidad y el rendimiento del producto.

Figura 2. Un ejemplo de detector de movimiento por infrarrojos pasivo que muestra los componentes de detección, control y protección recomendados

En la Figura 3, mostramos un diagrama de bloques de un detector de movimiento infrarrojo pasivo, y mostramos en qué circuitos se deben colocar los componentes recomendados de protección, detección y control. Discutiremos cada bloque en el que se recomiendan componentes.

Figura 3. Diagrama de bloques de un detector de movimiento por infrarrojos pasivo que muestra los circuitos donde se encuentran los componentes recomendados

Etapa de potencia CA / CC

La etapa de potencia CA / CC proporciona la potencia CC para los otros bloques de circuitos. Este circuito interactúa con la línea de alimentación de CA y está sujeto a sobrecorrientes y sobretensiones transitorias. Las sobretensiones transitorias y las sobrecargas de corriente pueden ser el resultado de rayos, picos inductivos del encendido y apagado del motor y transitorios de las variaciones de voltaje de la línea eléctrica.

Contra estas posibles perturbaciones, recomendamos un varistor de óxido metálico (MOV) como primera línea de defensa para la placa de etapa de potencia CA / CC. Ubique el MOV lo más cerca posible de la entrada del voltaje de CA en el circuito para minimizar la ruta de propagación de los transitorios de línea de CA en la placa de circuito. Seleccione un MOV con estas características:

• Absorción segura de hasta 10 kA de sobrecorriente pico o 150 J de energía de pulso para proteger los circuitos aguas abajo de un rayo
• Voltaje de sujeción bajo que no dañará los circuitos aguas abajo
• Un rango de temperatura de funcionamiento para garantizar que el componente funcionará en el rango ambiental especificado del detector (las versiones de MOV con recubrimiento fenólico pueden operar de manera segura hasta 125 ° C)
• Reconocido por UL o IEC para reducir el tiempo de calificación por un laboratorio de estándares reconocido a nivel nacional

En la salida de la etapa de potencia de CA / CC, le sugerimos que utilice un diodo supresor de transitorios (TVS) para una mayor protección de todos los circuitos de carga en la fuente de alimentación. El diodo TVS minimizará la tensión transitoria en los componentes de potencia en los diversos circuitos de carga. El diodo TVS ofrece estos beneficios para la protección de circuitos:

• Absorbancia de hasta 600 W de potencia de pulso máxima o 100 A de corriente de sobretensión máxima
• Protección contra descargas electrostáticas (ESD) que puede alcanzar los 30 kV, ya sea por ataques aéreos o por contacto directo
• Respuesta ultrarrápida, menos de 1 ps, a un transitorio
• Versiones que tienen tensiones de sujeción tan bajas como 10 V
• Reconocimiento de componentes UL o IEC

Como se muestra en la Figura 4, los diodos TVS pueden ser bidireccionales, dos diodos en serie en un paquete, o unidireccionales, un solo diodo. Además de sus funciones de protección, los diodos TVS consumen una pequeña cantidad de energía. En funcionamiento normal y sin perturbaciones, el componente consume menos de 1 µA. Finalmente, las versiones de montaje en superficie de los diodos TVS están disponibles para conservar el espacio de la placa de circuito impreso.

Figura 4. Diodos TVS bidireccionales y unidireccionales para protección contra ESD y otros transitorios eléctricos

Sensor de movimiento y MCU

Los elementos principales del detector de infrarrojos pasivo son el sensor de radiación infrarroja y la unidad de microcontrolador. Tenga en cuenta que hay paquetes completos disponibles que incluyen un sensor, una lente y una unidad de microcontrolador (consulte la Figura 5). Un paquete completo ofrece:

• Reducción de la lista de materiales del diseño, ya que el sensor se conecta directamente al chip del microcontrolador.
• Un microcontrolador que contiene todos los circuitos necesarios para un diseño completo de la electrónica de detección y procesamiento. El microcontrolador contiene la CPU, la RAM, los temporizadores, los comparadores, el convertidor A / D, la interfaz de comunicación y el firmware del sensor.
• Un sensor de dos o cuatro elementos que, combinado con una lente, puede ofrecer numerosas opciones para diferentes campos de visión.
• Diseños que permiten el uso de condensadores cerámicos más pequeños y de menor costo en comparación con el uso típico de condensadores electrolíticos que tienen mayores fugas y una vida útil más corta
• Algoritmos avanzados de detección de movimiento que brindan sensibilidad, rango y manejo del campo de detección
• Flexibilidad en el microcontrolador para permitir la implementación de funciones de aplicación definidas por el usuario

Para ahorrar energía, busque un conjunto que tenga un modo de bajo consumo cuando no se detecte movimiento. La figura 6 muestra un ejemplo de paquete de detector de movimiento por infrarrojos. La combinación de un paquete integrado con menos componentes y sin condensadores electrolíticos mejora la confiabilidad general del producto, ahorra espacio en la placa de circuito impreso y reduce los costos.

Figura 5. Diagrama de bloques de una combinación de lente, sensor y microcontrolador

Figura 6. Un ejemplo de conjunto de detector de movimiento por infrarrojos lente-sensor-microcontrolador. Este ensamblaje es de Zilog. La lente y el sensor están en la parte superior del tablero. El microcontrolador está debajo del sensor.

Alarma

El circuito de alarma se activa cuando el sensor de infrarrojos detecta una cantidad adecuada de movimiento. El circuito normalmente activará una luz LED intermitente o una combinación de una luz LED y un altavoz. El circuito de alarma necesitará un componente de control para energizar el dispositivo externo. Considere un relé de lengüeta o un relé de estado sólido, los cuales proporcionarán aislamiento galvánico del variador de alta potencia de los circuitos lógicos de baja potencia. Un relé de estado sólido ofrece una vida más larga para los contactos de la unidad de salida, mientras que un relé de lengüeta ofrece un menor consumo de energía.

Los relés Reed están disponibles en paquetes compactos de una sola línea. También puede obtener relés de lengüeta con diodos supresores EMF traseros incorporados para proteger el circuito de impulsión de la bobina y con opciones de blindaje magnético para evitar que la EMI de la bobina ingrese al circuito de control. Además, los contactos de relé de láminas tienen una vida más larga que los relés electromecánicos convencionales y son relativamente inmunes a amplios rangos de temperaturas ambientales.

Los relés de estado sólido acoplan ópticamente el control entre un LED de entrada y un transistor fotodetector de salida. Los relés de estado sólido pueden tener un aislamiento de hasta 1500 Vrms entre entrada y salida. Muchos están diseñados para eliminar la generación de EMI / RF con una lógica que inicia la conmutación en cruces de voltaje cero. Las versiones de relés de estado sólido pueden tener una corriente de fuga de salida de estado apagado baja de menos de 1 µA para minimizar el consumo de energía. Están disponibles en paquetes de montaje en superficie que ahorran espacio.

Su elección del componente del variador dependerá de asegurarse de que los contactos o la salida tengan suficiente capacidad de variador para los tipos de salidas que se utilizarán. El tamaño, el consumo de energía y el costo serán otros factores que querrá tener en cuenta al elegir el componente de la unidad.

Normas de seguridad para detectores de movimiento por infrarrojos pasivos

La Tabla 1 enumera los estándares críticos que su diseño debe cumplir para que pueda ser certificado y obtener la aceptación del mercado. La adhesión a estos estándares como parte del proyecto de desarrollo reducirá los costos de certificación y reducirá el tiempo de certificación. El cumplimiento de las normas IEC permitirá la venta de su producto en todas las regiones del mundo.

Tabla 1. Normas que rigen la seguridad y los requisitos operativos mínimos para los detectores de movimiento por infrarrojos pasivos

Los diseños robustos y confiables pueden tener un bajo número de componentes y bajos costos de desarrollo

Para un diseño de detector de infrarrojos, un diseño robusto requiere solo unos pocos componentes de protección. Puede aprovechar un paquete de lente / sensor / microcontrolador para reducir el recuento de piezas y maximizar la confiabilidad del producto. Asegúrese de incluir el cumplimiento de estándares como un elemento importante del proyecto de desarrollo para ahorrar tiempo y costos de certificación. Le sugerimos que aproveche la experiencia en aplicaciones de un fabricante para ayudar a ahorrar tiempo con la selección de componentes de protección y control y ahorrar un tiempo de diseño significativo. El fabricante también puede proporcionar orientación sobre qué normas se aplican al diseño y brindar orientación sobre cómo garantizar el cumplimiento. Estas recomendaciones lo ayudarán a lograr un diseño sólido y confiable que dará como resultado menos fallas en el campo y un producto más rentable y rentable.

Referencias

1.) Mercado de sensores de ocupación. Mercados y Mercados. Julio de 2020.

Literatura de referencia

Para obtener más información, descargue la Guía de aplicaciones de automatización de edificios y la Guía de selección de protección de circuitos, cortesía de Littelfuse, Inc.

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