Le développement de détecteurs de mouvement robustes ne doit pas nécessairement être une cible mobile

Cet article traite de certains concepts permettant de garantir que les conceptions de détecteurs de mouvement seront résistantes aux perturbations externes en présentant un ensemble de détecteur infrarouge qui peut réduire considérablement le nombre de pièces et améliorer performances et fiabilité du produit.

Les maisons et les bâtiments intelligents bénéficient de technologies intelligentes qui leur permettent d'être plus pratiques, plus sûrs et plus économes en énergie. La figure 1 montre la vaste gamme de produits disponibles pour les maisons et les bâtiments. Ces produits peuvent être automatiquement surveillés et contrôlés par les consommateurs à domicile et par le personnel de gestion du bâtiment.

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

Figure 1. Appareils intelligents qui permettent la sécurité, la commodité, la sûreté et la gestion efficace de l'énergie dans les maisons et les bâtiments

La technologie infrarouge passive est la technologie de pointe pour la détection de mouvement en raison d'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 de dollars en 2025 ¹ . Les facteurs de croissance incluent :

• Demande résidentielle de sécurité à l'aide de la surveillance
• Coûts d'installation réduits grâce à la connectivité sans fil et aux réseaux IoT
• Initiatives gouvernementales pour la conservation de l'énergie qui sont adoptées dans les secteurs public et commercial
• Un marché en croissance présente des opportunités pour de nouvelles conceptions innovantes
  

Composants de protection, de contrôle et de détection

Étant donné que les détecteurs de mouvement infrarouges passifs sont utilisés soit pour la surveillance intérieure, soit pour la surveillance extérieure, ces produits doivent être robustes aux perturbations environnementales. Si les détecteurs sont alimentés par la ligne CA, ils doivent être capables de résister aux surcharges de courant et aux transitoires de tension qui peuvent se propager sur la ligne électrique CA. En plus de la protection des circuits, un contrôle efficace et des performances de détection fiables sont essentiels pour avoir 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. Un exemple de détecteur de mouvement infrarouge passif montrant les composants de protection, de contrôle et de détection recommandés

Sur la figure 3, nous montrons un schéma fonctionnel d'un détecteur de mouvement infrarouge passif et nous montrons dans quels circuits les composants de protection, de détection et de contrôle recommandés doivent être placés. Nous discuterons de chaque bloc dans lequel les composants sont recommandés.

Figure 3. Schéma fonctionnel d'un détecteur de mouvement infrarouge passif montrant les circuits où se trouvent les composants recommandés

Étage d'alimentation CA/CC

L'étage d'alimentation CA/CC fournit l'alimentation CC aux autres blocs de circuit. Ce circuit s'interface avec la ligne d'alimentation CA et est soumis à des surintensités et à des surtensions transitoires. Les transitoires de surtension et les surtensions peuvent résulter de la foudre, des pointes inductives dues à la mise en marche et à l'arrêt du moteur et des transitoires dus aux variations de tension de la ligne électrique.

Contre ces perturbations potentielles, nous recommandons une varistance à oxyde métallique (MOV) comme première ligne de défense pour la carte d'étage de puissance AC/DC. Placez le MOV aussi près que possible de l'entrée de la tension alternative sur le circuit afin de minimiser le chemin de propagation des transitoires de la ligne alternative sur la carte de circuit imprimé. Sélectionnez un MOV avec ces caractéristiques :

• Absorption sûre jusqu'à 10 kA de courant de crête ou 150 J d'énergie d'impulsion pour protéger les circuits en aval contre la foudre
• Faible tension de serrage qui n'endommagera pas les circuits en aval
• Une plage de températures de fonctionnement pour garantir que le composant fonctionnera dans la plage environnementale spécifiée du détecteur (les versions de MOV avec revêtement phénolique peuvent fonctionner en toute sécurité jusqu'à 125 °C)
• Reconnu UL ou IEC pour réduire le temps de qualification par un laboratoire de normalisation reconnu au niveau national

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

• Absorbance allant jusqu'à 600 W de puissance d'impulsion de crête ou 100 A de courant de pointe de crête
• Protection contre les décharges électrostatiques pouvant atteindre 30 kV en cas de frappe aérienne ou de contact direct
• Réponse ultra-rapide, inférieure à 1 ps, à un transitoire
• Versions avec des tensions de serrage aussi basses que 10 V
• Reconnaissance des composants 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 peu d'énergie. En fonctionnement normal et sans perturbation, le composant consomme moins de 1 µA. Enfin, des versions à montage en surface des diodes TVS sont disponibles pour économiser l'espace du circuit imprimé.

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

Capteur de mouvement et MCU

Les principaux éléments du détecteur infrarouge passif sont le capteur de rayonnement infrarouge et l'unité de microcontrôleur. Sachez que des packages complets sont disponibles, comprenant un capteur, un objectif et une unité de microcontrôleur (voir Figure 5). Un package complet propose :

• Réduction de la nomenclature de conception puisque le capteur se connecte directement à la puce du microcontrôleur.
• Un microcontrôleur qui contient tous les circuits nécessaires pour une conception complète de l'électronique de détection et de traitement. Le microcontrôleur contient le CPU, la RAM, les temporisateurs, les comparateurs, le convertisseur A/N, l'interface de communication et le micrologiciel du capteur.
• Un capteur à deux ou quatre éléments qui, combiné à un objectif, peut offrir de nombreuses options pour différents champs de vision.
• Conceptions qui permettent l'utilisation de condensateurs céramiques plus petits et moins coûteux par rapport à l'utilisation typique de condensateurs électrolytiques qui ont des fuites plus élevées et une durée de vie plus courte
• Algorithmes de détection de mouvement avancés qui assurent la gestion de la sensibilité, de la portée et du champ de détection
• Flexibilité du microcontrôleur pour permettre la mise en œuvre de fonctionnalités d'application définies par l'utilisateur

Pour économiser de l'énergie, recherchez un assemblage doté d'un mode d'alimentation faible lorsqu'aucun mouvement n'est détecté. La figure 6 montre un exemple de boîtier de détecteur de mouvement infrarouge. La combinaison d'un boîtier intégré avec moins de composants et aucun condensateur électrolytique améliore la fiabilité globale du produit, économise de l'espace sur la carte de circuit imprimé et réduit les coûts.

Figure 5. Schéma fonctionnel d'un ensemble lentille, capteur et microcontrôleur

Figure 6. Un exemple d'ensemble de détecteur de mouvement infrarouge lentille-capteur-microcontrôleur. Cet assemblage est de Zilog. L'objectif et le capteur sont sur le dessus de la carte. Le microcontrôleur se trouve sous le capteur.

Alarme

Le circuit d'alarme s'active lorsque le capteur infrarouge détecte une quantité appropriée de mouvement. Le circuit pilotera généralement une lumière LED clignotante ou une combinaison d'une lumière LED et d'un haut-parleur. Le circuit d'alarme aura besoin d'un composant de contrôle pour alimenter le dispositif externe. Considérez soit un relais reed soit un relais à semi-conducteurs, qui fourniront tous deux une isolation galvanique du variateur haute puissance par rapport au circuit logique basse puissance. Un relais à semi-conducteurs offre une durée de vie plus longue pour les contacts d'entraînement de sortie, tandis qu'un relais Reed offre une consommation d'énergie plus faible.

Les relais Reed sont disponibles dans des boîtiers compacts à une seule ligne. Vous pouvez également obtenir des relais Reed avec des diodes de suppression EMF intégrées pour protéger le circuit d'entraînement de la bobine et avec des options de blindage magnétique pour empêcher l'EMI de la bobine d'entrer dans le circuit de commande. De plus, les contacts de relais reed ont une durée de vie plus longue que les relais électromécaniques conventionnels, et ils sont relativement insensibles à de larges plages de températures environnementales.

Les relais statiques couplent optiquement la commande entre une LED d'entrée et un transistor photodétecteur de sortie. Les relais statiques peuvent avoir une isolation allant jusqu'à 1500 Vrms entre l'entrée et la sortie. Beaucoup sont conçus pour éliminer la génération EMI/RF avec une logique qui initie la commutation aux croisements de tension zéro. Les versions de relais à semi-conducteurs peuvent avoir un faible courant de fuite de sortie à l'état bloqué inférieur à 1 µA pour minimiser la consommation d'énergie. Ils sont disponibles dans des boîtiers à montage en surface peu encombrants.

Votre choix de composant d'entraînement dépendra de la garantie que les contacts ou la sortie ont une capacité d'entraînement suffisante pour les types de sorties qui seront utilisées. La taille, la consommation d'énergie et le coût seront d'autres facteurs que vous voudrez prendre en compte dans votre choix de composant d'entraînement.

Normes de sécurité pour les détecteurs de mouvement infrarouges passifs

Le tableau 1 répertorie les normes critiques auxquelles votre conception doit se conformer afin qu'elle puisse être certifiée et obtenir l'acceptation du marché. L'adhésion à ces normes dans le cadre du projet de développement réduira les coûts de certification et réduira le temps de certification. Le respect des normes IEC permettra la vente de votre produit dans toutes les régions du monde.

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

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

Pour une conception de détecteur infrarouge, une conception robuste ne nécessite que quelques composants de protection. Vous pouvez profiter d'un ensemble objectif/capteur/microcontrôleur pour réduire le nombre de pièces et maximiser la fiabilité du produit. Assurez-vous d'inclure la conformité aux normes en tant qu'élément important du projet de développement pour économiser du temps et des coûts de certification. Nous vous suggérons de profiter de l'expertise d'applications d'un fabricant pour gagner du temps avec la sélection des composants de protection et de contrôle et gagner un temps de conception important. Le fabricant peut également fournir des conseils sur les normes qui s'appliquent à la conception et fournir des conseils sur la façon d'assurer la conformité. Ces recommandations vous aideront à obtenir une conception robuste et fiable qui se traduira par moins de pannes sur le terrain et un produit plus rentable et plus rentable.

Références

1.) Marché des capteurs d'occupation. Marchés et marchés. Juillet 2020.

Littérature de référence

Pour en savoir plus, téléchargez le Building Automation Application Guide et le Circuit Protection Selection Guide, avec l'aimable autorisation de Littelfuse, Inc.

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