Protección de circuito inteligente y diseño de detección para cerraduras y controles de acceso de hogares inteligentes

Este artículo proporciona una descripción general de la topología de control de acceso en hogares inteligentes y edificios industriales al cubrir las diversas soluciones de protección y detección que los ingenieros pueden usar en sus diseños.

La combinación de tecnologías de teléfonos inteligentes, redes e Internet de las cosas (IoT) ha permitido el desarrollo tanto del hogar inteligente como de la automatización avanzada de edificios. Estas tecnologías brindan mayor automatización, control y seguridad, lo que brinda al propietario o al ocupante de la oficina una mayor comodidad y la reconfortante sensación de mayor seguridad. Dondequiera que esté el propietario de la casa o el ocupante de la oficina, pueden ver el estado de la cerradura de la puerta y sus ventanas y puertas.

Los ingenieros que diseñan productos de seguridad para el hogar y el edificio, como cerraduras inteligentes y dispositivos de detección de puertas y ventanas, deben asegurarse de que sus dispositivos no creen una falsa sensación de seguridad para sus clientes. Los diseñadores deben comprender los componentes de protección y detección necesarios para cumplir con los estándares de seguridad aplicables y garantizar productos seguros, robustos y confiables.

El mercado de cerraduras inteligentes por sí solo es un mercado de alto crecimiento y es oportunista para la innovación. Se espera que el crecimiento global de las cerraduras inteligentes tenga una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 25 por ciento con un crecimiento unitario que se expanda de aproximadamente siete millones de unidades en 2019 a aproximadamente 23 millones de unidades en 20241. El mercado residencial representará la mayor parte del crecimiento , que rondará el 70 por ciento.

Al igual que con las cerraduras inteligentes, la mayor conciencia de la seguridad personal impulsará el crecimiento global de los sensores de puertas y ventanas, especialmente en las economías en desarrollo. Se espera que los envíos aumenten de alrededor de 300 millones de unidades en 2019 a alrededor de 465 millones de unidades en 20242. Este crecimiento tiene una tasa compuesta anual de alrededor del nueve por ciento. El mercado de productos inteligentes de seguridad para el hogar es un mercado atractivo y saludable.

Protección de diseños de Smart Lock

Una cerradura inteligente consta de un teclado para acceso manual, un enlace de protocolo inalámbrico para acceso a teléfonos inteligentes a través de una aplicación de software, un sensor para monitorear la posición de la manija de la puerta, actuadores para bloquear o desbloquear la puerta y sensores para detectar un esfuerzo por eludir La cerradura. La Figura 1 muestra un ejemplo de cerradura de puerta inteligente con componentes de detección y protección sugeridos para garantizar un funcionamiento confiable. La figura 2 proporciona un diagrama de bloques detallado de una cerradura inteligente; y el diagrama muestra la ubicación recomendada para los componentes de detección y protección sugeridos.

La descarga electrostática (ESD) es el principal peligro para la electrónica de bloqueo inteligente. Tanto la interfaz de usuario como la interfaz inalámbrica son susceptibles a descargas electrostáticas por parte del usuario.

La interfaz de usuario contiene el teclado con el que una persona se comunica para ingresar el código de acceso preprogramado. Un individuo es una fuente de ESD, particularmente en un ambiente seco. Los diseñadores deben proteger el bloque de circuitos de la interfaz de usuario de las descargas electrostáticas para evitar daños a los componentes electrónicos sensibles.

Figura 1. Una cerradura inteligente con soluciones recomendadas de protección y detección

Figura 2. Diagrama de bloques de bloqueo inteligente que muestra los bloques de circuitos donde se recomiendan componentes de protección y detección

Para la protección ESD, los diseñadores deben considerar un diodo supresor de voltaje transitorio (TVS) o una matriz de diodos. Los diodos TVS son diodos Zener construidos con tecnología de avalancha de silicio y pueden ofrecer un nivel de protección mínimo de ± 15 kV de voltaje ESD. Una matriz de diodos TVS puede albergar seis diodos Zener para proteger cinco líneas de señal y proporcionar una referencia de tierra. Consulte la Figura 3. La ventaja de una matriz es que un componente que ahorra espacio en un paquete de montaje en superficie 0402 puede proteger hasta cinco líneas.

El impacto en el bloque de circuitos es mínimo; una matriz de diodos TVS puede tener una corriente de fuga de solo 1 µA. Si se desea un nivel más alto de protección ESD, un diodo individual puede proporcionar protección ESD para cada línea de señal. Un solo diodo TVS, que se muestra en la Figura 4, puede soportar hasta ± 30 kV. Independientemente de la configuración que se utilice, coloque los diodos TVS lo más cerca posible de la entrada del circuito para evitar que un transitorio ESD penetre en el circuito.

Figura 3. Ejemplo de matriz de diodos TVS de 5 líneas

Figura 4. Un solo diodo TVS

La interfaz inalámbrica se conecta a la red celular o una LAN inalámbrica, una red WiFi, para comunicarse con un teléfono inteligente u otro dispositivo en red. Dado que está expuesta al entorno externo, la interfaz inalámbrica debe tener protección ESD. El componente recomendado es un supresor de ESD de polímero.

El valor de un supresor ESD de polímero es su capacidad para responder y absorber transitorios ESD mientras tiene un impacto insignificante en la impedancia característica de la salida de la interfaz inalámbrica. Los supresores de polímero ESD pueden soportar un ESD de contacto directo de ± 8 kV y un ataque aéreo de ± 15 kV. La capacitancia típica del componente es de 0,06 pF. El tiempo de respuesta a un transitorio es extremadamente rápido, menos de 1 ns. La ubicación debe estar lo más cerca posible del conector de la antena de entrada. La Figura 5 muestra dos configuraciones para supresores ESD de polímero, componentes bidireccionales.

Figura 5. Configuraciones para supresores ESD de polímero, componentes bidireccionales

Recomendaciones de detección para cerraduras inteligentes

La detección para garantizar que la puerta esté completamente asentada en el marco de la puerta requiere un sensor. Un interruptor de lengüeta con un actuador magnético es una solución de detección de baja potencia para una cerradura inteligente que funciona con batería. Los interruptores de lengüeta no requieren potencia de accionamiento y están sellados herméticamente para una vida útil prolongada en cualquier entorno. Las versiones pueden conmutar 10 W con valores nominales de hasta 0,5 A o hasta 200 V. Los interruptores son muy adecuados para su uso en circuitos de controlador de bajo voltaje. Además, las versiones de montaje en superficie están disponibles para el montaje automatizado de la placa de circuito.

Los diseñadores deben considerar un actuador magnético cilíndrico diseñado para montarse en un marco como el marco de una puerta. Un imán de AlNiCo es el material recomendado; y el tamaño puede ser tan pequeño como 5 mm x 25 mm.

El bloque del circuito de detección de manipulación también requiere un sensor para alertar al usuario si la cerradura se ha visto comprometida y la puerta se ha abierto. Nuevamente, se recomiendan un interruptor de láminas y un actuador. La combinación de interruptor-actuador de lengüeta consume una cantidad mínima de energía para maximizar la vida útil de la batería. Los diseñadores pueden considerar un par de interruptor-actuador de lengüeta con sensibilidad ajustable para garantizar una respuesta rápida a una cerradura manipulada.

Solo se necesitan cuatro componentes para brindar protección y detección para una cerradura inteligente. Estos componentes consumen un mínimo de espacio en la placa de circuito y garantizan un producto seguro y confiable.

Protección de diseños de sensores inalámbricos para puertas y ventanas

Los sensores inalámbricos de puertas y ventanas proporcionan información sobre el estado de las ventanas y puertas. El usuario puede obtener información sobre si las ventanas y puertas están abiertas o cerradas desde cualquier lugar. La Figura 6 muestra una configuración de hardware para un sensor de puerta inalámbrico y un sensor de ventana inalámbrico. La figura también muestra los componentes de detección y protección recomendados para cada uno de los elementos de hardware.

Figura 6. Se muestra un sistema inalámbrico de detección de puertas y ventanas con la protección recomendada y los componentes de detección

La figura 7 muestra el diagrama de bloques de los dos elementos principales del sistema. El circuito del sensor detecta la posición de la ventana o puerta e informa la información a un controlador que también es la interfaz para el usuario y el transmisor de información a cualquier ubicación. El circuito de detección está en la puerta y la ventana y debe permitir el movimiento; por lo tanto, los circuitos deben funcionar con baterías. El controlador de interfaz de usuario con el teclado se encuentra en una ubicación fija, por lo que puede recibir alimentación de CA. La línea de alimentación de CA es una aplicación típica para instalaciones comerciales.

Figura 7. Diagrama de bloques de un sistema de sensores de puertas y ventanas que muestra los bloques de circuitos y los componentes de detección y protección recomendados

Al igual que con la cerradura inteligente, los diseñadores deben considerar un actuador magnético de interruptor de láminas para la detección de proximidad. Sin necesidad de energía de activación, el interruptor de lengüeta extiende la vida útil de la batería del sistema de sensores. Los bloques de circuitos de la interfaz inalámbrica en el sensor y el controlador de la interfaz de usuario pueden usar supresores de polímero ESD para garantizar la protección contra ESD mientras se mantiene la integridad de la transmisión de RF. También similar a la cerradura inteligente, el bloque de circuitos de la interfaz de usuario con su teclado debe tener protección ESD contra el contacto humano. Una matriz de diodos TVS puede proteger las líneas de señal sensibles de los transitorios ESD.

Cuando la alimentación de CA y una fuente de alimentación de CA-CC energizan el controlador de interfaz de usuario, los diseñadores deben proteger el controlador de posibles amenazas de la línea de CA. El daño potencial a los componentes electrónicos puede provenir de condiciones de sobrecorriente, rayos y otros transitorios de voltaje y transitorios ESD. Los diseñadores pueden proteger sus diseños de estas condiciones con fusibles y dispositivos de protección contra transitorios de voltaje.

Existen numerosas opciones para los fusibles, incluidas las características de funcionamiento del fusible y el estilo de la carcasa, para cumplir con una amplia gama de objetivos de diseño. Los diseñadores deben considerar fusibles retardados o de bloqueo lento para evitar paradas molestas. Además, los diseñadores deben seleccionar la clasificación de corriente del fusible para adaptarse a las sobrecargas a corto plazo, como las corrientes de entrada, cuando corresponda. Otras consideraciones incluyen la clasificación de interrupción que define la corriente de sobrecarga máxima que el fusible puede interrumpir. Este parámetro se compensa con el tamaño del fusible. Si se necesita un fusible pequeño, el diseñador deberá asegurarse de que el fusible pueda soportar la corriente de cortocircuito disponible suministrada por la línea de CA. Una consideración final es la resistencia al frío de los fusibles. Si el consumo de energía es una preocupación principal, los diseñadores deben buscar un fusible con baja resistencia al frío.

Para absorber de manera segura la energía de un voltaje transitorio en la línea de CA de un rayo o un encendido y apagado de un motor, los diseñadores deben considerar emplear un varistor de óxido metálico (MOV). Los MOV pueden absorber una sobretensión de corriente de hasta 10.000 A a partir de un pulso transitorio de 8/20 µs. Un MOV de 20 mm también puede absorber hasta 530 J de energía.

Un componente alternativo a un MOV es un diodo TVS. Los modelos desarrollados para proteger circuitos de rayos y otros transitorios pueden soportar hasta 1500 W de potencia de un pulso de 10/1000 µs. Para minimizar el consumo de energía, un diodo TVS consume menos de 1 µA en condiciones normales de funcionamiento. Además, un diodo TVS puede responder rápidamente a un transitorio en menos de 1 ps. Hay disponibles versiones de montaje en superficie para minimizar la mano de obra de montaje. La Figura 8 muestra los símbolos de un diodo TVS. Los diseñadores pueden seleccionar un diodo bidireccional o un diodo unidireccional.

Figura 8. Configuraciones para un diodo TVS bidireccional y unidireccional

Al igual que con una cerradura inteligente, no se necesitan muchos componentes para proteger los circuitos de detección de puertas y ventanas. Los diseñadores tienen varias opciones para seleccionar las versiones más adecuadas para sus productos.

Cumplimiento de los estándares de la industria para productos de seguridad electrónica

Los diseñadores deben conocer las normas que se aplican a los productos que están desarrollando para que puedan incorporar los requisitos durante la fase de desarrollo de su proyecto. El incumplimiento de los estándares puede conducir a trabajos de rediseño potencialmente costosos y retrasos en la introducción del producto.

Además de los estándares generales de seguridad de productos, como la serie IEC 61000, que definen los requisitos para resistir ESD, transitorios eléctricamente rápidos y rayos, existen estándares específicos para el bloqueo electrónico y productos relacionados. La Tabla 1 enumera los estándares aplicables para cerraduras electrónicas y dispositivos relacionados. Estos estándares cubren el mercado de América del Norte y China. Los documentos son materiales de referencia esenciales para los diseñadores de cerraduras inteligentes y sensores de puertas y ventanas.

Tabla 1. Normas para cerraduras electrónicas y productos relacionados para América del Norte y China

Resumen

La reputación de calidad, confiabilidad y conveniencia es una tremenda ventaja competitiva para los fabricantes de cerraduras inteligentes y productos de detección de ventanas y puertas. La incorporación de los componentes de detección y protección adecuados contribuirá a lograr productos seguros y robustos. Afortunadamente, los diseñadores solo necesitan una pequeña cantidad de componentes para proteger completamente sus productos y cumplir con los estándares de seguridad. Con sensores de baja energía, los diseñadores pueden maximizar la vida útil de la batería para minimizar la frecuencia de reemplazo de la batería. Los diseñadores tienen varios componentes alternativos que pueden utilizar. Una recomendación final para lograr un diseño óptimo es aprovechar la experiencia de los fabricantes de componentes y buscar su consejo.

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. Tamaño del mercado de Smart Lock. Investigación de Grandview. Febrero de 2020.
2. Perspectiva del mercado de sensores de ventanas. Outlook Market Research. Mayo de 2019.

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