Akıllı Ev Güvenlik Uygulamaları için Devre Koruması, Kontrolü ve Algılama Tasarımı Hususları

Bu makalede, akıllı ev güvenlik uygulamalarında devrelerini koruyan ve kontrol eden bileşenleri, özellikle kablolu ve kablosuz güvenlik kameralarını ve kablolu kapı zili kameralarını korumaya yönelik bileşenleri anlatılmaktadır.

IoT teknolojisindeki gelişmeler, tüketicilere güvenlik, rahatlık ve enerji verimliliği sunan akıllı ev güvenlik sistemlerinin geliştirilmesini sağlıyor. Yeni algılama teknolojisi ve kablosuz LAN (Wi-Fi) gibi kablosuz protokoller, güvenlik ekipmanını, erişim kontrol ekipmanını, cihazları, enerji yönetim ekipmanını, elektrik prizlerini, aydınlatmayı ve eğlence sistemlerini izleyip kontrol edebilen geniş bir cihaz yelpazesi yaratmıştır. Şekil 1, akıllı evi mümkün kılan IoT teknolojisinin genişliğini göstermektedir.

Şekil 1. Akıllı ev teknolojisinin faydaları arasında eğlence, aletler, erişim, güç ve enerjinin yanı sıra güvenliği de içerir.

Akıllı ev güvenliği pazarı dinamik bir pazardır. Konut güvenlik kameralarının birim sevkiyatlarının 2018'de 54 milyon birimden 2023'te 120 milyon birime çıkması bekleniyor. Bu,% 17'lik önemli bir bileşik yıllık büyüme oranını (CAGR) temsil ediyor. Bu pazarda inovasyon ve yeni ürünler için önemli bir fırsat var.

Güvenilirlik Eşittir Güvenlik

Pazar payı kazanmak için akıllı ev güvenlik ürünlerinin oldukça güvenilir olması gerekecektir. Pazara daha fazla satıcı girdikçe ve ürün farklılaşması daraldıkça, ürün kalitesi tüketiciler için daha büyük bir belirleyici faktör haline gelecektir. Bu nedenle, ürünlerin aşırı yüklere ve geçişlere karşı sağlam olması gerekecektir. Aşağıdaki paragraflar, ev güvenlik sistemi tasarımcılarına devrelerini koruyan ve kontrol eden bileşenleri kullanma ve seçme konusunda öneriler verecektir. Aşağıdaki ürünleri korumaya yönelik bileşenler sunulacak:

 

• Kablolu ve kablosuz güvenlik kameraları
• Kablolu kapı zili kameraları

 

Kablolu Güvenlik Kameraları

Kablolu güvenlik kamera sistemleri, bir konutu çevreleyen alanları izlemek için tipik olarak sabit monte edilmiş güvenlik sistemleridir. Şekil 2, kablolu bir güvenlik kamerasını ve kamerayı korumak ve kontrol etmek için önerilen bileşenleri göstermektedir. Bu kameralar AC hattından güç alır ve AC güç hattında yayılan aşırı yüklere ve geçişlere maruz kalır. Ek olarak, dış ortama yapılan tüm bağlantılar elektrostatik boşalmaya (ESD) tabidir.

Tasarımcıların kamera devrelerini bu tehlikeli koşullar nedeniyle hasar görmekten korumaları gerekecektir. Şekil 3, sağlam bir ürün sağlamak için kablolu bir güvenlik kamerasının ve önerilen koruma ve kontrol bileşenlerinin bir blok şemasını gösterir.

Şekil 2. Örnek kablolu güvenlik kamerası ve önerilen koruma ve kontrol bileşenleri

Şekil 3. Devreleri ve önerilen koruma ve kontrol bileşenlerini gösteren kablolu güvenlik kamerası blok şeması.

Güç Adaptörü

Güç adaptörü, AC güç hattıyla arabirim oluşturur ve güç hattı akım dalgalanmalarından ve geçici voltaj dalgalarından korunmaya ihtiyaç duyar. Aşırı yük koruması için sigortalar, geçici akım dalgalanmalarından korunmak için bir metal oksit varistör (MOV) ve geçici voltajlardan korunmak için bir geçici voltaj bastırıcı (TVS) diyot önerilir. Tasarımınızın özelliklerine göre seçilmiş parametrelere sahip bu üç bileşen, Güç Adaptörünün aşırı yüklere ve geçici akımlara karşı sağlam olmasını sağlayacaktır.

Besleme ani akımının anahtarlanması nedeniyle sigortanın rahatsız edici açıklıklarını önlemek için yavaş atan bir sigorta seçin. Bununla birlikte, Güç Adaptörü devresine zarar vermekten kaçınmak için, birkaç saniye içinde% 200 aşırı yüke kadar sürekli bir aşırı yüklenmeye hızla yanıt verecek bir sigorta seçin. Bir sigorta seçerken diğer önemli parametreleri gözden kaçırmayın. Sigortanın voltaj değerinin, güç kaynağının göreceği maksimum hat voltajını aştığını doğrulayın. Ayrıca, kesinti derecesinin, devrenin karşılaşması beklenen en kötü durum aşırı akım yükünden daha yüksek olduğundan emin olun.

Uygun bir kesinti derecesi, AC hattından gelen büyük geçici aşırı yük nedeniyle sigortanın fiziksel hasar görmesini önleyecektir. Güç kaynağında yer önemli olduğundan, gereksinimleri karşılayan küçük sigortalar arayın. Son olarak, ürün güvenliği uyumluluk yeterliliğini basitleştirmek ve hızlandırmak için UL / IEC sertifikalarına sahip bir sigorta kullanın.

Örneğin, yıldırımın neden olduğu büyük, yüksek enerjili dalgalanmalar için, kaynağı, kaynağın girişine mümkün olduğunca yakın yerleştirilmiş bir metal oksit varistör (MOV) ile koruyun. MOV'lar, 10 kA'ya kadar yüksek akımları absorbe edebilir ve 500 J'den fazla tepe darbe enerjisini absorbe edebilir. MOV güç hattı ile temas halinde olduğundan, UL / IEC sertifikalı bir bileşen kullanın.

Dikkate almak istediğiniz üçüncü koruma elemanı, aşağı akım devrelerini geçici voltajlardan korumak için bir geçici voltaj bastırıcı (TVS) diyotudur. TVS diyotları, 1 ps'nin altındaki geçici durumlara son derece hızlı yanıt verir. Bir geçişi bastırırken, TVS diyotu, hassas devreyi korumak için çıkışını düşük bir voltajda sıkıştırır. TVS diyotları tek yönlü veya çift yönlü versiyonlarda mevcuttur ve 10 V'a kadar düşük olabilen çok çeşitli sıkıştırma voltajlarına sahiptir.

DC Giriş Aşaması

DC Giriş Aşaması, kontrol panosuna, motor sürücüsüne ve Görüntü Sensörü Arayüzüne güç sağlamak için DC voltajı sağlar. Bu devre için hem akım aşırı yük korumasını hem de geçici voltaj korumasını öneriyoruz. Ya geleneksel bir sigorta ya da sıfırlanabilir bir polimerik pozitif sıcaklık katsayısı (PPTC) sigortası seçeneklerdir. Her iki tip sigortanın yüzeye monte versiyonları mevcuttur, bu nedenle minimum PCB alanı tüketir. TVS diyotları, yerden tasarruf sağlayan, yüzeye monte paketler halinde de mevcuttur ve 5000 W'a kadar tepe darbe gücüne kadar geçici akımlara dayanabilir.

 

Kontrol Paneli

Kontrol panosu, kamera devresi için zekayı içerir. Kontrol panosu, MCU, video bellek deposu ve PoE protokolünü kullanarak AC güç hattı üzerinden bilgi ileten kablolu arayüz devresini içerir. Kontrol panosunun iki devresinde koruma bileşenleri bulunmalıdır. Bu iki devre Kablolu Arayüz ve hafıza devresidir.

Kablolu arayüz, dış ortama bağlanır ve aşırı akım ve geçici voltaj korumasına sahip olmalıdır. DC giriş aşaması gibi, akım aşırı yük koruması için geleneksel bir sigorta veya sıfırlanabilir bir sigorta seçin. Geçici gerilimlere karşı koruma için özel bir bileşen, bir TVS diyot dizisi önerilir. TVS diyot dizisi, PoE I / O hatlarını ESD ve diğer yüksek voltaj geçişlerinden korur.

Şekil 4, ± 30 kV ESD darbesine dayanmak için bir Zener diyot ile birleştirilmiş bir çift yönlü diyot dizisini göstermektedir. Bu diyotlar, POE protokolü iletim ve alım sinyalleri üzerindeki etkilerini en aza indiren düşük bir 1pF/port kapasitansına sahiptir. Şekil 4'te gösterildiği gibi diyot dizisi konfigürasyonları, en az miktarda PCB alanı kaplayan yüzeye montaj paketlerinde mevcuttur. 

Şekil 4. Birden çok G / Ç bağlantı noktasının ESD koruması için tasarlanmış bir TVS diyot dizisi

SD kart, kamera tarafından alınan verileri tutar. Bu önemli devreyi ± 30 kV ESD'ye kadar korumak için bir TVS diyot önerilir. TVS diyotları, güç tüketimini azaltmak için 1 µA'nın altında düşük kaçak akımlara sahiptir.

Motor Sürücü

Motor sürücü bloğu, kamerayı hareketi izleyecek şekilde konumlandıran bir pan ve tilt motor devresine sahiptir. Bu devre için, optik olarak izole edilmiş bir katı hal anahtarı olan bir kontrol bileşeni öneririz. Optik izolasyon, motor gürültüsünün ve geçici akımların pan ve tilt kontrol devresine geri bağlanmasını önler. Katı hal anahtarlama, motorun daha sorunsuz kontrolü için sekmesiz anahtarlama sağlar. Motor başlatma geçişlerini en aza indirmek için sıfır geçiş anahtarlamalı katı hal anahtarları arayın. Ayrıca, durmuş bir motor durumuna karşı koruma sağlamak için akım sınırlamalı anahtarları arayın.

 

Kablosuz Güvenlik Kameraları

İç alanları izlemek için kablosuz güvenlik kameraları küçüktür ve her yere kolayca yerleştirilebilir. Örnek bir kablosuz kamera için Şekil 5'e bakın. Şekil 6, kablosuz kamera için bir blok diyagramı ve bu cihaz için önerilen koruma ve kontrol bileşenlerini gösterir.

Şekil 5. Önerilen koruma bileşenlerine sahip örnek kablosuz güvenlik kamerası

Şekil 6. Kablosuz güvenlik kamerasının ve önerilen koruma ve algılama bileşenlerinin blok şeması

Adaptör

USB adaptörü, kablosuz güvenlik kamerası için güç kaynağıdır. AC şebekesine bağlandığından, USB adaptörü akım aşırı yüklerine ve geçici gerilimlere karşı korunmalıdır. Kablolu bir güvenlik kamerasına güç veren güç adaptörüne benzer şekilde, USB adaptörünün aşırı akım koruması için bir sigortası, yıldırım düşmeleri için bir MOV'u ve ESD koruması için bir TVS diyotu olmalıdır.

Tasarım bir USB Type-C protokolü kullanacaksa, USB Type-C, yüksek yoğunluklu konektörler, konektör pimleri arasındaki kısa devreyi algılamak için termal algılama gerektirir. USB Type-C tasarımlarıyla uyumlu olacak şekilde tasarlanmış bir termal algılama elemanı, bitişik konektör pimlerinde toz veya kir oluşması durumunda kablolara ve konektörlere zarar gelmesini önleyecektir. Algılama elemanı, sıcaklık artışına neden olan sorun düzeltildiğinde düşük bir dirençle kendini sıfırlar.

Pil Paketi

Bir pil hücresi kısa devre durumunda arızalanırsa ve aşırı ısınırsa, pil paketi aşırı akım durumuna karşı izlenmelidir. Ayrıca, pil yönetim birimi ve USB ESD'ye tabi olabilir. Pil hücresi arızasından kaynaklanan aşırı akıma karşı koruma sağlamak için sıfırlanabilir bir sigorta, PPTC yüzey montajlı bir sigorta önerilir. Bir PPTC sigortası, kısa devre yapmış bir akünün birden fazla aküye zarar vermesini önlemek için bir saniyeden kısa bir sürede% 200 aşırı yüke geçecektir.

Pil yönetim birimi ve USB devresi ESD korumasına sahip olmalıdır. Yarı iletken bileşenleri korumak için düşük sıkma voltajlarına sahip çok katmanlı, metal oksit varistörleri önerilir. PCB alanından tasarruf etmek önemli bir husus olduğunda, çok katmanlı MOV'ların yer tasarrufu sağlayan sürümleri, 0402 yüzeye montaj paketleri kullanılabilir.

USB devresi USB Type-C protokolüyle uyumluysa, USB devresindeki eşleşen USB soketini korumak için USB Adaptörü için önerilenle aynı olan bir termal algılama elemanı kullanılmalıdır. 

Kontrol Paneli

Kontrol panosu, kamerayı kontrol eden ve video verilerini kaydeden dijital elektronikler içerir. Kontrol panosunun geçici akımlardan ve ESD'den korunmaya ihtiyacı vardır. Bu devre için ± 30 kV darbeye kadar dayanabilen bir Zener TVS diyot önerilir. Kaçak akımı 0,5 µA'nın altında olan TVS diyotu, devreden minimum güç çeker. Diyot ayrıca az miktarda PCB alanı kaplar ve 0201 yüzeye montaj paketlerinde barındırılabilir.

 

Kablosuz Arayüz

Kablosuz arayüz, bilgisayarlar, akıllı telefonlar ve mobil tablet bilgisayarlar gibi harici kablosuz cihazlarla iletişim kurar. Bu devre iç ortama maruz kaldığından, devre ESD'ye duyarlıdır. Bu durumda, bir polimer ESD baskılayıcı düşünün. Polimer ESD bastırıcı, devreyi havada ± 15 kV'a kadar yüksek ESD çarpmalarına ve insan temasından ± 8 kV'ye kadar koruyacaktır. Ek olarak, 0,2 pF'nin altındaki düşük kapasitansı, sinyal iletimini veya alımını azaltmaz.

 

Kapı Zili Kameraları

Kablolu kapı zili kamerası, ziyaretçilerin uzaktan izlenmesi için çok popüler bir ürün haline geldi. Şekil 7, örnek bir kapı zili kamerasını gösterir ve Şekil 8, önerilen koruma ve kontrol bileşenlerini içeren bir blok diyagramı gösterir.

Şekil 7. Örnek kablolu kapı zili kamerası ve önerilen koruma ve kontrol çözümleri

Şekil 8. Önerilen koruma ve kontrol bileşenlerine sahip kablolu bir kapı zili kamerasının blok şeması

Güç Kaynağı Ünitesi

Güç Kaynağı Ünitesi, AC güç hattından düşük AC voltajı ile arabirim oluşturur ve yıldırımın neden olduğu geçici akımlar gibi akım aşırı yüklerine ve voltaj geçişlerine maruz kalabilir. Diğer besleme devrelerinde olduğu gibi, bir sigorta mevcut aşırı yük koşullarına karşı koruma sağlayacaktır. AC hattındaki geçici gerilimlere karşı koruma sağlamak için, 4 kW'a kadar yüksek güce sahip bir geçici gerilimi absorbe edebilen bir TVS diyotu seçin. Diğer devrelere giden gücü kontrol etmek ve güç hattından gelen gürültü ve geçici akımların aşağı akım devrelerine yayılmasını önlemek için optik olarak izole edilmiş bir katı hal rölesi kullanmayı düşünün.

 

Pil Paketi

Pil Paketi, Kontrol Paneline ve Kullanıcı Arayüzüne yedek güç sağlar. Pil Paketi ve alt birimleri, Pil Yönetim Birimi ve USB devresi, kablosuz kameradaki aynı devre için önerilen benzer bileşenleri kullanarak aşırı akım koşullarından ve geçici olaylardan korunmaya ihtiyaç duyar. Bir TVS diyotu eklemek, geçici gerilimlerin ve ESD darbelerinin bastırılmasını sağlayacaktır. Kablosuz kameradaki pil paketinde olduğu gibi, USB Type-C protokolü bir tasarım gereksinimi ise, USB devresi için termal algılamayı önerilir.

 

Kullanıcı Arayüzü

Kullanıcı arayüzü, insan temasından kaynaklanan ESD'ye tabidir. Kullanıcı Arayüzünü ESD'den korumak için bir TVS diyot kullanın. Kapı zili kamerası Avrupa'da pazarlanacaksa, Avrupa gizlilik düzenlemelerine uymak için kapı zilini ve kamerayı etkinleştirmek arasında bir anahtar eklemeniz gerekecektir. Mekanik röle temas sıçramasını ve elektromanyetik parazit (EMI) oluşumunu ortadan kaldırmak için bir katı hal rölesi kullanmayı düşünün.

 

Kontrol Kartı ve Kablosuz Arayüz

Kontrol panosu ve kablosuz arayüz devreleri, kablosuz kamera için olduğu gibi kapı zili kamerası için de çalışır. Kablosuz kameradaki bu devreler için önerilen koruma bileşenleri, kapı zili kamerasındaki aynı devreler için geçerli olacaktır.

 

COVID-19 Salgını, Güvenlik Kameralarının Tasarımını Etkiliyor

Bazı güvenlik kamerası üreticileri, COVID-19 salgınından kaynaklanan "yeni normal" yaşam tarzına uyum sağlıyor. Kameralara kızılötesi termal algılama teknolojisi ekliyorlar, böylece ev veya işyerine gelen ziyaretçilerin sıcaklığı ayrı ayrı izlenebiliyor. Sıcaklık ölçümü, gelecekteki akıllı ev güvenlik sistemlerinde standart bir özellik haline gelebilir. Güvenlik kameraları, sağlık güvenliğinin bu yönünü içerecek şekilde giderek daha karmaşık hale geldikçe, uygun devre korumasını dahil etmek, daha güvenilir ve sağlam cihazların geliştirilmesine yardımcı olur.

Şekil 9. Güvenlik kameraları, COVID-19 sonrası vücut sıcaklığını izlemek için termal tarama ekler

Ev Güvenlik Kameraları için Geçerli Standartlar

Tablo 1'de gösterilen iki güvenlik standardı, sesli / görüntülü iletişim teknolojisi ekipmanı ve lityum piller gibi piller için gereksinimleri tanımlar. IEC 62368-1, gözetim ekipmanı için güvenlik gereksinimlerini ele alır; ve ikinci standart olan IEC 62311-2, lityum pillerin ve pillerin güvenliğini sağlamak için gereksinimleri belirler. Lityum pillerin yanlış montajı ve çalıştırılması yangına neden olabilir; bu nedenle, bu tür pillerin izlenmesi önemlidir. Bu standartlara uyulmaması, yeniden tasarım çalışmalarına ve bir standartlar kuruluşuna sertifikasyon için ikinci bir başvuruya neden olacaktır. Proje maliyetleri artacak ve ürünün tanıtımı gecikebilir.

Tablo 1. Güvenlik kameralı ürünler için Güvenlik Standartları

Korumada Değer

Koruma ve algılama bileşenlerini bir tasarım hedefi olarak dahil ederek ve standartlara uygunluğu projenin erken aşamalarında dahil ederek, sağlam ve güvenilir bir akıllı ev güvenlik sistemini maliyet etkin bir şekilde geliştirebilirsiniz. Elbette, tasarımınız her zaman performans ve toplam sahip olma maliyeti arasında bir değiş tokuştur. Bazı teknolojiler diğerlerinden daha pahalı olabilirken, ek faktörler, en düşük toplam sahip olma maliyetinin daha yüksek maliyetli bir bileşen teknolojisi gerektirdiğini gösterebilir. Koruma, kontrol ve algılama bileşenleri seçerken bileşen üreticisinin mühendislik uzmanlığından yararlanın. Güvenilir bir satıcı kullanmak zamandan ve kaynaklarınızdan tasarruf etmenizi sağlar. 

Güvenilirlik ve verimlilik, akıllı ev güvenlik sisteminizin itibarını artırır. Yüksek kaliteye olan itibar, pazar payının büyümesine ve gelir artışına neden olabilir. Bu, karlılığın artmasını sağlar.

KAYNAK: All About Circuits