Conception de détecteurs de mouvement robustes : Une solution infrarouge fiable à faible nombre de composants

Cet article aborde des concepts pour garantir que les conceptions de détecteurs de mouvement seront robustes face aux perturbations externes, en présentant un ensemble détecteur infrarouge qui peut réduire significativement le nombre de composants et améliorer les performances et la fiabilité du produit.

Les maisons et bâtiments intelligents bénéficient de technologies intelligentes qui les rendent plus pratiques, plus sûrs et plus économes en énergie. La figure 1 montre la large gamme de produits disponibles pour les maisons et les bâtiments. Ces produits peuvent être surveillés et contrôlés automatiquement par les consommateurs chez eux et le personnel de gestion des bâtiments.

Un produit qui allie commodité, sécurité et économie d'énergie est un détecteur de mouvement infrarouge. Un détecteur de mouvement infrarouge détecte la présence dans une zone et peut alors activer l'éclairage, le système CVC ou une alarme. Si le détecteur de mouvement assure une fonction de sécurité, il doit fonctionner de manière fiable 24 heures sur 24, 7 jours sur 7.

Figure 1. Dispositifs intelligents permettant la sécurité, la commodité, la sûreté et la gestion énergétique efficace dans les maisons et bâtiments

La technologie infrarouge passive est la technologie leader pour la détection de mouvement grâce à une combinaison de performances fiables et de faible coût. Le marché connaît un taux de croissance annuel composé sain de plus de 13 % et devrait dépasser 3,5 milliards $ en 2025¹. Les facteurs de croissance incluent :

• Demande résidentielle pour la sécurité via la surveillance
• Coûts d'installation réduits avec la connectivité sans fil et les réseaux IoT
• Initiatives gouvernementales pour la conservation d'énergie adoptées dans les secteurs public et commercial
• Un marché en croissance offrant des opportunités pour de nouvelles conceptions innovantes

Composants de protection, de contrôle et de détection

Puisque les détecteurs de mouvement infrarouge passif sont utilisés soit pour la surveillance intérieure, soit extérieure, ces produits doivent être robustes face aux perturbations environnementales. S'ils sont alimentés par le secteur, ils doivent résister aux surcharges de courant et aux transitoires de tension qui peuvent se propager sur la ligne d'alimentation. En plus de la protection des circuits, un contrôle efficace et une performance de détection fiable sont essentiels pour un produit de qualité.

La figure 2 montre un exemple de détecteur de mouvement infrarouge et indique les composants de protection, de contrôle et de détection recommandés qui améliorent la fiabilité et les performances du produit.

Figure 2. Exemple de détecteur de mouvement infrarouge passif montrant les composants de protection, de contrôle et de détection recommandés

Dans la figure 3, nous montrons un diagramme de blocs d'un détecteur de mouvement infrarouge passif, et indiquons dans quels circuits les composants recommandés de protection, détection et contrôle doivent être placés. Nous discuterons chaque bloc où des composants sont recommandés.

Figure 3. Diagramme de blocs d'un détecteur de mouvement infrarouge passif montrant les circuits où les composants recommandés sont situés

Étage d'alimentation AC/DC

L'étage d'alimentation AC/DC fournit l'alimentation continue pour les autres blocs de circuit. Ce circuit interface avec la ligne d'alimentation secteur et est soumis aux surtensions de courant et aux transitoires de surtension. Les transitoires de surtension et les pics de courant peuvent résulter de coups de foudre, de pics inductifs lors de la mise en marche et l'arrêt de moteurs, et de transitoires dus aux variations de tension du réseau.

Face à ces perturbations potentielles, nous recommandons un varistor à oxyde métallique (MOV) comme première ligne de défense pour la carte de l'étage d'alimentation AC/DC. Placez le MOV le plus près possible de l'entrée de la tension secteur sur le circuit pour minimiser le chemin de propagation des transitoires de la ligne secteur sur la carte. Sélectionnez un MOV avec ces caractéristiques :

• Absorption sécurisée jusqu'à 10 kA de courant de pointe ou 150 J d'énergie d'impulsion pour protéger les circuits en aval d'un coup de foudre
• Tension de clampage basse qui n'endommagera pas les circuits en aval
• Plage de température de fonctionnement pour assurer le fonctionnement du composant sur la plage environnementale spécifiée du détecteur (versions de MOV avec revêtement phénolique pouvant fonctionner jusqu'à 125 °C en toute sécurité)
• Reconnu UL ou IEC pour réduire le temps de qualification par un laboratoire de normes reconnu nationalement

À la sortie de l'étage d'alimentation AC/DC, nous suggérons d'utiliser une diode suppresseur de transitoires (TVS) pour une protection supplémentaire de tous les circuits de charge sur l'alimentation. La diode TVS minimisera le stress transitoire sur les composants d'alimentation dans les divers circuits de charge. La diode TVS offre ces avantages pour la protection des circuits :

• Absorption jusqu'à 600 W de puissance de crête ou 100 A de courant de pointe
• Protection ESD pouvant atteindre 30 kV, que ce soit par décharge dans l'air ou contact direct
• Réponse ultra-rapide, sous 1 ps, face à un transitoire
• Versions avec tensions de clampage aussi basses que 10 V
• Reconnaissance de composant UL ou IEC

Comme le montre la figure 4, les diodes TVS peuvent être bidirectionnelles (deux diodes en série dans un boîtier) ou unidirectionnelles (une seule diode). En plus de leurs fonctions de protection, les diodes TVS consomment très peu d'énergie. En fonctionnement normal, sans perturbation, le composant tire moins de 1 µA. Enfin, des versions CMS des diodes TVS sont disponibles pour économiser l'espace sur le circuit imprimé.

Figure 4. Diodes TVS bidirectionnelles et unidirectionnelles pour la protection contre les ESD et autres transitoires électriques

Capteur de mouvement et MCU

Les éléments principaux du détecteur infrarouge passif sont le capteur de rayonnement infrarouge et l'unité de microcontrôleur. Sachez que des ensembles complets sont disponibles incluant un capteur, une lentille et un microcontrôleur (voir Figure 5). Un ensemble complet offre :

• Réduction de la nomenclature du design car le capteur se connecte directement à la puce microcontrôleur.
• Un microcontrôleur contenant tout le circuit nécessaire pour une conception complète de l'électronique de détection et de traitement. Le MCU contient le CPU, la RAM, les temporisateurs, comparateurs, convertisseur A/D, interface de communication, et le firmware pour le capteur.
• Un capteur à deux ou quatre éléments qui, combiné avec une lentille, peut offrir de nombreuses options pour différents champs de vision.
• Des conceptions permettant l'utilisation de condensateurs céramiques à moindre coût et plus petits comparés aux condensateurs électrolytiques typiques qui ont une fuite plus élevée et une durée de vie plus courte.
• Des algorithmes avancés de détection de mouvement offrant la gestion de la sensibilité, de la portée et du champ de détection.
• De la flexibilité dans le microcontrôleur pour permettre l'implémentation de fonctionnalités applicatives définies par l'utilisateur.

Pour l'économie d'énergie, recherchez un ensemble ayant un mode basse consommation quand aucun mouvement n'est détecté. La figure 6 montre un exemple d'ensemble détecteur de mouvement infrarouge. La combinaison d'un ensemble intégré avec moins de composants et sans condensateurs électrolytiques améliore la fiabilité globale du produit, économise l'espace sur le circuit imprimé et réduit les coûts.

Figure 5. Diagramme de blocs d'un ensemble combiné lentille, capteur et microcontrôleur

Figure 6. Exemple d'assemblage détecteur de mouvement infrarouge lentille-capteur-microcontrôleur. Cet assemblage vient de Zilog. La lentille et le capteur sont sur le dessus de la carte. Le microcontrôleur est sous le capteur.

Alarme

Le circuit d'alarme s'active quand le capteur infrarouge détecte une quantité appropriée de mouvement. Le circuit pilotera typiquement une LED clignotante ou une combinaison LED et haut-parleur. Le circuit d'alarme aura besoin d'un composant de contrôle pour alimenter le dispositif externe. Envisagez soit un relais à lame souple (reed relay), soit un relais à état solide, tous deux offrant une isolation galvanique entre la commande de puissance élevée et la logique de basse puissance. Un relais à état solide offre une durée de vie plus longue pour les contacts de sortie, tandis qu'un relais à lame offre une consommation d'énergie plus faible.

Les relais à lame sont disponibles en boîtiers compacts en ligne simple. On trouve aussi des relais à lame avec diodes de suppression de force électromotrice intégrées pour protéger le circuit de commande de la bobine et des options de blindage magnétique pour empêcher les EMI de la bobine d'entrer dans le circuit de contrôle. De plus, les contacts des relais à lame ont une durée de vie plus longue que les relais électromécaniques conventionnels, et ils sont relativement immunisés contre de larges plages de températures environnementales.

Les relais à état solide couplent optiquement le contrôle entre une LED d'entrée et un transistor photodétecteur de sortie. Ils peuvent avoir jusqu'à 1500 Vrms d'isolation entre entrée et sortie. Beaucoup sont conçus pour éliminer la génération EMI/RF avec une logique qui initie la commutation au passage par zéro de la tension. Des versions de relais à état solide peuvent avoir un courant de fuite en état bloqué sous 1 µA pour minimiser la consommation. Ils sont disponibles en boîtiers CMS peu encombrants.

Votre choix de composant de commande dépendra de l'assurance que les contacts ou la sortie ont une capacité de pilotage suffisante pour les types de sorties utilisés. La taille, la consommation d'énergie et le coût seront d'autres facteurs à considérer dans votre choix.

Normes de sécurité pour les détecteurs de mouvement infrarouge passif

Le tableau 1 liste les normes critiques que votre conception doit respecter pour être certifiée et obtenir l'acceptation du marché. Respecter ces normes dans le cadre du projet de développement réduira les coûts et le temps de certification. La conformité aux normes IEC permettra la vente de votre produit dans toutes les régions du monde.

Tableau 1. Normes régissant la sécurité et les exigences opérationnelles minimales pour les détecteurs de mouvement infrarouge passif

Des conceptions robustes et fiables peuvent avoir un faible nombre de composants et de faibles coûts de développement

Pour une conception de détecteur infrarouge, un design robuste ne nécessite que quelques composants de protection. Vous pouvez tirer parti d'un ensemble lentille/capteur/microcontrôleur pour réduire le nombre de composants et maximiser la fiabilité du produit. Assurez-vous d'inclure la conformité aux normes comme élément important du projet de développement pour économiser du temps et des coûts de certification. Nous vous suggérons de profiter de l'expertise applicative d'un fabricant pour gagner du temps dans la sélection des composants de protection et de contrôle et économiser un temps de conception significatif. Le fabricant peut aussi fournir des conseils sur les normes applicables à la conception et sur la façon d'assurer la conformité. Ces recommandations vous aideront à obtenir une conception robuste et fiable qui entraînera moins de pannes sur le terrain et un produit plus rentable et profitable.

Références

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

Littérature de référence

Pour en savoir plus, téléchargez le Guide d'application pour l'automatisation des bâtiments et le Guide de sélection de la protection de circuits, courtoisie de Littelfuse, Inc.

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