Diseño de Detectores de Movimiento Robustos: Solución Infrarroja Fiable y de Bajo Conteo de Componentes

Este artículo discute conceptos para asegurar que los diseños de detectores de movimiento sean robustos ante perturbaciones externas, presentando un conjunto detector infrarrojo que reduce significativamente la cuenta de componentes y mejora el rendimiento y la fiabilidad del producto.

Los hogares y edificios inteligentes se benefician de tecnologías inteligentes que los hacen más cómodos, seguros y eficientes energéticamente. La Figura 1 muestra la amplia gama de productos disponibles para hogares y edificios. Estos productos pueden ser monitoreados y controlados automáticamente por los consumidores en sus hogares y por el personal de gestión de edificios.

Un producto que combina comodidad, seguridad y conservación de energía es un detector de movimiento por infrarrojos. Un detector de movimiento infrarrojo detecta ocupación en un área y puede activar iluminación, el sistema HVAC o una alarma. Si el detector proporciona una función de seguridad, debe operar de forma fiable las 24 horas, los 7 días de la semana.

Figura 1. Dispositivos inteligentes que permiten seguridad, comodidad, seguridad y gestión energética eficiente en hogares y edificios

La tecnología infrarroja pasiva es la tecnología líder para detección de movimiento debido a su combinación de rendimiento fiable y bajo coste. El mercado experimenta una tasa de crecimiento anual compuesta superior al 13 % y se espera que supere los 3,5 mil millones de dólares en 2025¹. Los factores que impulsan el crecimiento incluyen:

• Demanda residencial de seguridad mediante vigilancia
• Reducción de costes de instalación con conectividad inalámbrica y redes IoT
• Iniciativas gubernamentales de conservación de energía adoptadas en 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 infrarrojo pasivo se usan tanto para monitorización interior como exterior, estos productos deben ser robustos ante perturbaciones ambientales. Si los detectores se alimentan de la red AC, deben soportar sobrecargas de corriente y transitorios de tensión que pueden propagarse por la línea de alimentación. Además de la protección de circuitos, el control eficiente y el rendimiento fiable de detección son esenciales para un producto de calidad.

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

Figura 2. Ejemplo de detector de movimiento infrarrojo pasivo mostrando componentes recomendados de protección, control y detección

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

Figura 3. Diagrama de bloques de un detector de movimiento infrarrojo pasivo mostrando los circuitos donde se ubican los componentes recomendados

Etapa de Alimentación AC/DC

La etapa de alimentación AC/DC proporciona la alimentación DC para los demás bloques de circuito. Este circuito interactúa con la línea de alimentación AC y está sujeto a sobrecorrientes y sobretensiones transitorias. Las sobretensiones y picos de corriente pueden resultar de rayos, picos inductivos por arranque y paro de motores, y transitorios por variaciones de tensión en la línea.

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

• Absorción segura de hasta 10 kA de corriente de pico o 150 J de energía de pulso para proteger circuitos posteriores de un rayo
• Tensión de sujeción baja que no dañe circuitos posteriores
• Rango de temperatura de operación para asegurar que el componente funcione en el rango ambiental especificado del detector (versiones de MOV con recubrimiento fenólico operan hasta 125 °C)
• Reconocimiento UL o IEC para reducir tiempo de calificación por laboratorio de normas reconocido nacionalmente

En la salida de la etapa de alimentación AC/DC, sugerimos usar un diodo supresor de transitorios (TVS) para mayor protección de todos los circuitos de carga en la fuente de alimentación. El diodo TVS minimizará el estrés transitorio en componentes de potencia de los diversos circuitos de carga. El diodo TVS ofrece estos beneficios para protección de circuitos:

• Absorción de hasta 600 W de potencia de pico de pulso o 100 A de corriente de pico
• Protección ESD de hasta 30 kV ya sea por descarga en aire o contacto directo
• Respuesta ultra‑rápida, inferior a 1 ps, ante un transitorio
• Versiones con tensiones de sujeción tan bajas como 10 V
• Reconocimiento de componente UL o IEC

Como se muestra en la Figura 4, los diodos TVS pueden ser bidireccionales (dos diodos en serie en un encapsulado) o unidireccionales (un solo diodo). Además de sus funciones de protección, los diodos TVS consumen una pequeña cantidad de energía. En operación normal, sin perturbaciones, el componente consume menos de 1 µA. Finalmente, versiones de montaje superficial de diodos TVS están disponibles para ahorrar espacio en PCB.

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 infrarrojo pasivo son el sensor de radiación infrarroja y la unidad de microcontrolador. Tenga en cuenta que existen paquetes completos que incluyen sensor, lente y microcontrolador (ver 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 toda la circuitería necesaria para un diseño completo de electrónica de detección y procesamiento. El microcontrolador contiene CPU, RAM, temporizadores, comparadores, convertidor A/D, interfaz de comunicación y firmware para el sensor.
• Sensor de dos o cuatro elementos que, combinado con una lente, ofrece numerosas opciones para diferentes campos de visión.
• Diseños que permiten uso de condensadores cerámicos de menor coste y tamaño comparados con el uso típico de condensadores electrolíticos que tienen mayor fuga y vida útil más corta.
• Algoritmos avanzados de detección de movimiento que proporcionan gestión de sensibilidad, alcance y campo de detección.
• Flexibilidad en el microcontrolador para implementar funciones de aplicación definidas por el usuario.

Para ahorro de energía, busque un ensamblaje que tenga modo de bajo consumo cuando no se detecta movimiento. La Figura 6 muestra un ejemplo de paquete detector de movimiento infrarrojo. La combinación de un paquete integrado con menos componentes y sin condensadores electrolíticos mejora la fiabilidad general del producto, ahorra espacio en PCB y reduce coste.

Figura 5. Diagrama de bloques de un ensamblaje combinado lente, sensor y microcontrolador

Figura 6. Ejemplo de ensamblaje detector infrarrojo lente-sensor-microcontrolador. Este ensamblaje es de Zilog. La lente y el sensor están sobre la placa. El microcontrolador está debajo del sensor.

Alarma

El circuito de alarma se activa cuando el sensor infrarrojo detecta una cantidad apropiada de movimiento. El circuito típicamente acciona un LED intermitente o una combinación de LED y altavoz. El circuito de alarma necesitará un componente de control para energizar el dispositivo externo. Considere un relé de láminas (reed relay) o un relé de estado sólido, ambos proporcionan aislamiento galvánico de la etapa de potencia de la lógica de bajo consumo. Un relé de estado sólido ofrece mayor vida para los contactos de salida, mientras que un relé de láminas ofrece menor consumo.

Los relés de láminas están disponibles en encapsulados compactos single‑in‑line. También existen con diodos supresores de contra‑EMF integrados para proteger el circuito de accionamiento de la bobina y con opciones de blindaje magnético para evitar que EMI de la bobina entre en la circuitería de control. Además, los contactos de relés de láminas tienen mayor vida que 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 fototransistor de salida. Pueden tener hasta 1500 Vrms de aislamiento entre entrada y salida. Muchos están diseñados para eliminar generación EMI/RF con lógica que inicia conmutación en cruce por cero de tensión. Versiones pueden tener corriente de fuga en estado off inferior a 1 µA para minimizar consumo. Disponibles en encapsulados de montaje superficial que ahorran espacio.

Su elección de componente de accionamiento dependerá de asegurar que los contactos o la salida tengan capacidad suficiente para los tipos de salidas que se usarán. Tamaño, consumo y coste serán otros factores a considerar.

Normas de Seguridad para Detectores de Movimiento Infrarrojo Pasivo

La Tabla 1 lista normas críticas que su diseño debe cumplir para ser certificado y obtener aceptación en el mercado. Adherirse a estas normas como parte del proyecto de desarrollo reducirá costes y tiempo de certificación. Cumplir con normas IEC permitirá ventas de su producto en todas las regiones mundiales.

Tabla 1. Normas que Rigen Seguridad y Requisitos Mínimos Operacionales para Detectores de Movimiento Infrarrojo Pasivo

Diseños Robustos y Fiables Pueden Tener Bajo Conteo de Componentes y Bajos Costes de Desarrollo

Para un diseño de detector infrarrojo, un diseño robusto requiere solo unos pocos componentes de protección. Puede aprovechar un paquete lente/sensor/microcontrolador para reducir la cuenta de componentes y maximizar la fiabilidad del producto. Asegúrese de incluir el cumplimiento de normas como elemento importante del proyecto de desarrollo para ahorrar tiempo y costes de certificación. Le sugerimos aprovechar la experiencia en aplicaciones del fabricante para ahorrar tiempo en selección de componentes de protección y control y ahorrar tiempo significativo de diseño. El fabricante también puede guiar sobre qué normas aplican al diseño y cómo asegurar el cumplimiento. Estas recomendaciones le ayudarán a lograr un diseño robusto y fiable que resultará en menos fallos en campo y un producto más rentable y rentable.

Referencias

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

Literatura de Referencia

Para 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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