スマートホームロックとアクセス制御のためのインテリジェントな回路保護とセンシング設計

この記事では、エンジニアが設計で使用できるさまざまな保護およびセンシングソリューションについて説明することにより、スマートホームおよび工業用建物のアクセス制御トポロジの概要を説明します。

スマートフォン、ネットワーキング、モノのインターネット（IoT）テクノロジーの組み合わせにより、スマートホームと高度なビルディングオートメーションの両方の開発が可能になりました。これらのテクノロジーにより、自動化、制御、セキュリティが強化され、住宅所有者やオフィスの居住者の利便性が向上し、安全性が向上します。住宅所有者やオフィスの居住者はどこにいても、ドアロックや窓やドアの状態を確認できます。

スマートロックや窓やドアの検知デバイスなどの住宅や建物のセキュリティ製品を設計するエンジニアは、デバイスが顧客に誤った安心感を与えないようにする必要があります。設計者は、適用される安全基準に準拠し、安全で堅牢で信頼性の高い製品を確保するために必要な保護およびセンシングコンポーネントを理解する必要があります。

スマートロックだけの市場は高成長市場であり、革新の機会があります。スマートロックの世界的な成長率は25％の複合年間成長率（CAGR）で、ユニットの成長は2019年の約700万ユニットから20241年には約2300万ユニットに拡大すると予想されます。住宅市場が成長の大部分を占めます。 、これは約70パーセントになります。

スマートロックと同様に、個人のセキュリティに対する意識の高まりは、特に発展途上国において、窓やドアのセンサーの世界的な成長を促進します。出荷台数は、2019年の約3億台から、20242年には約4億6500万台に増加すると予想されています。この成長率は、約9％のCAGRです。スマートホームセキュリティ製品の市場は、健全で魅力的な市場です。

SmartLockデザインの保護

スマートロックは、手動アクセス用のキーパッド、ソフトウェアアプリケーションを介したスマートフォンアクセス用のワイヤレスプロトコルリンク、ドアハンドルの位置を監視するセンサー、ドアをロックまたはロック解除するア​​クチュエータ、および回避する努力を検出するセンシングで構成されますロック。図1は、信頼性の高い操作を保証するために推奨される保護および検知コンポーネントを備えたスマートドアロックの例を示しています。図2に、スマートロックの詳細なブロック図を示します。この図は、推奨される保護およびセンシングコンポーネントの推奨される配置を示しています。

静電放電（ESD）は、スマートロック電子機器にとって最大の危険です。ユーザーインターフェイスとワイヤレスインターフェイスの両方が、ユーザーからのESDの影響を受けやすくなっています。

ユーザーインターフェイスには、事前にプログラムされたアクセスコードを入力するために人が連絡するキーパッドが含まれています。特に乾燥した環境では、個人がESDの発生源になります。設計者は、敏感な電子機器への損傷を避けるために、ユーザーインターフェイス回路ブロックをESDから保護する必要があります。

図1。 推奨される保護および検知ソリューションを備えたスマートロック

図2。 保護およびセンシングコンポーネントが推奨される回路ブロックを示すスマートロックブロック図

ESD保護のために、設計者は過渡電圧抑制装置（TVS）ダイオードまたはダイオードアレイを検討する必要があります。 TVSダイオードは、シリコンアバランシェ技術で構築されたツェナーダイオードであり、ESD電圧の±15kVの最小保護レベルを提供できます。 TVSダイオードアレイは、5つのツェナーダイオードを収容して5つの信号線を保護し、グランドリファレンスを提供できます。図3を参照してください。アレイの利点は、0402表面実装パッケージの1つの省スペースコンポーネントで最大5本のラインを保護できることです。

回路ブロックへの影響は最小限です。 TVSダイオードアレイのリーク電流はわずか1µAです。より高いレベルのESD保護が必要な場合は、個々のダイオードで各信号線にESD保護を提供できます。図4に示す単一のTVSダイオードは、最大±30kVに耐えることができます。どちらの構成を使用する場合でも、ESDトランジェントが回路に侵入するのを防ぐために、TVSダイオードを回路の入力のできるだけ近くに配置してください。

図3。 5ラインTVSダイオードアレイの例

図4。 単一のTVSダイオード

ワイヤレスインターフェイスは、セルラーネットワークまたはワイヤレスLAN、WiFiネットワークにリンクして、スマートフォンまたは別のネットワークデバイスと通信します。外部環境にさらされるため、ワイヤレスインターフェイスにはESD保護が必要です。推奨されるコンポーネントは、ポリマーESDサプレッサーです。

ポリマーESDサプレッサーの価値は、ワイヤレスインターフェイス出力の特性インピーダンスにほとんど影響を与えずに、ESDトランジェントに応答して吸収する能力です。ポリマーESDサプレッサーは、±8kVの直接接触ESDおよび±15kVの空爆に耐えることができます。コンポーネントの一般的な静電容量は0.06pFと低くなっています。トランジェントへの応答時間は非常に速く、1ns未満です。配置は、入力アンテナコネクタのできるだけ近くに配置する必要があります。図5は、ポリマーESDサプレッサーの2つの構成、双方向コンポーネントを示しています。

図5。 ポリマーESDサプレッサー、双方向コンポーネントの構成

スマートロックのセンシングに関する推奨事項

ドアがドアフレームに完全に装着されていることを確認するための検出には、センサーが必要です。磁気アクチュエーターを備えたリードスイッチは、バッテリー駆動のスマートロック用の低電力センシングソリューションです。リードスイッチは駆動力を必要とせず、どのような環境でも長寿命のために密閉されています。バージョンは、最大0.5Aまたは最大200Vの定格で10Wを切り替えることができます。スイッチは、低電圧コントローラー回路での使用に非常に適しています。さらに、表面実装バージョンは、自動回路基板アセンブリに使用できます。

設計者は、ドアフレームなどのフレームに取り付けるために設計された円筒形の磁気アクチュエータを検討する必要があります。アルニコ磁石が推奨される材料です。また、サイズは5 mm x 25mmまで小さくすることができます。

改ざん検出回路ブロックには、ロックが解除されてドアが開いた場合にユーザーに警告するセンサーも必要です。繰り返しになりますが、リードスイッチとアクチュエータが推奨されます。リードスイッチとアクチュエータの組み合わせは、バッテリ寿命を最大化するために最小限の電力を消費します。設計者は、改ざんされたロックへの迅速な応答を保証するために、感度を調整できるリードスイッチとアクチュエータのペアを検討できます。

スマートロックの保護と検知の両方を提供するのに必要なコンポーネントはわずか4つです。これらのコンポーネントは最小限の回路基板のスペースを消費し、安全で信頼性の高い製品を保証します。

ワイヤレスドアおよびウィンドウセンサーの設計の保護

ワイヤレスドアおよびウィンドウセンサーは、ウィンドウおよびドアの状態に関する情報を提供します。ユーザーは、どこからでも窓やドアが開いているか閉じているかに関する情報を取得できます。図6は、ワイヤレスドアセンサーとワイヤレスウィンドウセンサーの両方のハードウェア構成を示しています。この図には、各ハードウェア要素に推奨される保護および検出コンポーネントも示されています。

図6。 推奨される保護および検知コンポーネントを備えたワイヤレスウィンドウおよびドア検知システム

図7に、システムの2つの主要な要素のブロック図を示します。センサー回路は、窓やドアの位置を検出し、情報をコントローラーに報告します。コントローラーは、ユーザーのインターフェースでもあり、任意の場所への情報の送信者でもあります。検知回路はドアと窓にあり、動きを許容する必要があります。したがって、回路はバッテリ駆動である必要があります。キーパッド付きのユーザーインターフェイスコントローラーは固定された場所にあるため、ACライン電源を使用できます。 ACライン電源は、商用インストールの一般的なアプリケーションです。

図7。 回路ブロックと推奨される保護および検知コンポーネントを示す窓およびドアセンサーシステムのブロック図

スマートロックと同様に、設計者は近接検出用のリードスイッチ磁気アクチュエータを検討する必要があります。起動電力を必要としないリードスイッチは、センサーシステムのバッテリー寿命を延ばします。センサーとユーザーインターフェイスコントローラーのワイヤレスインターフェイス回路ブロックは、ポリマーESDサプレッサーを使用して、RF伝送の完全性を維持しながらESDからの保護を確保できます。また、スマートロックと同様に、キーパッドを備えたユーザーインターフェイス回路ブロックは、人との接触からESD保護されている必要があります。 TVSダイオードアレイは、敏感な信号線をESD過渡から保護することができます。

AC電源とAC-DC電源がユーザーインターフェイスコントローラーに電力を供給する場合、設計者はACラインからの潜在的な脅威からコントローラーを保護する必要があります。電子機器への潜在的な損傷は、過電流状態、落雷やその他の過渡電圧、およびESD過渡現象から発生する可能性があります。設計者は、融着および過渡保護装置を使用して、これらの条件から設計を保護できます。

ヒューズには、幅広い設計目標を満たすためのヒューズの動作特性やケーススタイルなど、多数のオプションがあります。設計者は、迷惑なシャットダウンを回避するために、時間遅延またはスローブロヒューズを検討する必要があります。さらに、設計者は、必要に応じて突入電流などの短期的な過負荷に対応できるようにヒューズの定格電流を選択する必要があります。その他の考慮事項には、ヒューズが遮断できる最大過負荷電流を定義する遮断定格が含まれます。このパラメータは、ヒューズのサイズとトレードオフになります。小さなヒューズが必要な場合、設計者は、ヒューズがACラインから供給される利用可能な短絡電流に耐えられることを確認する必要があります。最後の考慮事項は、ヒューズの耐寒性です。消費電力が最大の関心事である場合、設計者は耐寒性の低いヒューズを探す必要があります。

雷またはモーターのターンオンおよびターンオフスパイクによるACラインの過渡電圧からエネルギーを安全に吸収するために、設計者は金属酸化バリスタ（MOV）の使用を検討する必要があります。 MOVは、8/20 µsの過渡パルスから最大10,000Aの電流サージを吸収できます。 20mm MOVは、530Jものエネルギーを吸収することもできます。

MOVの代替コンポーネントはTVSダイオードです。雷やその他の過渡現象から回路を保護するために開発されたモデルは、10/1000 µsパルスからの1500Wもの電力に耐えることができます。消費電力を最小限に抑えるために、TVSダイオードは通常の動作条件下で1 µA未満を消費します。さらに、TVSダイオードは1ps未満でトランジェントに迅速に応答できます。組み立て作業を最小限に抑えるために、表面実装バージョンが利用可能です。図8に、TVSダイオードの記号を示します。設計者は、双方向ダイオードまたは単方向ダイオードのいずれかを選択できます。

図8。 双方向および単方向TVSダイオードの構成

スマートロックと同様に、窓やドアの検知回路を保護するために多くのコンポーネントを必要としません。設計者には、製品に最適なバージョンを選択するためのいくつかのオプションがあります。

電子セキュリティ製品の業界標準への準拠

設計者は、プロジェクトの開発段階で要件を組み込むことができるように、開発している製品に適用される標準に精通している必要があります。標準に適合しないと、潜在的に費用のかかる再設計作業や製品導入の遅れにつながる可能性があります。

ESD、電気的に速い過渡現象、および雷に耐える要件を定義するIEC 61000シリーズなどの一般的な製品安全規格に加えて、電子ロックおよび関連製品には特定の規格があります。表1に、電子ロックおよび関連デバイスに適用される規格を示します。これらの規格は、北米市場と中国を対象としています。これらのドキュメントは、スマートロックや窓やドアのセンサーの設計者にとって不可欠な参考資料です。

表1.北米および中国向けの電子ロックおよび関連製品の基準

概要

品質、信頼性、および利便性に対する評判は、スマートロックおよび窓やドアの検知製品のメーカーにとって大きな競争上の優位性です。適切な保護およびセンシングコンポーネントを組み込むことは、安全で堅牢な製品の実現に貢献します。幸いなことに、設計者は、製品を完全に保護し、安全基準に準拠するために必要なコンポーネントはごくわずかです。低エネルギーセンサーを使用すると、設計者はバッテリー寿命を最大化して、バッテリー交換の頻度を最小限に抑えることができます。設計者には、使用できる代替コンポーネントがいくつかあります。最適な設計を実現するための最後の推奨事項の1つは、コンポーネントメーカーの専門知識を活用して、アドバイスを求めることです。

回路保護、センシングデバイス、およびコンポーネントの選択基準の詳細については、回路保護選択ガイドおよびリテルヒューズ提供のセンシング製品選択ガイドを参照してください。

参考資料

1. スマートロックの市場規模。グランドビューリサーチ。 2020年2月。
2. ウィンドウセンサー市場の見通し。展望市場調査。 2019年5月。

業界記事は、業界パートナーが編集コンテンツに適さない方法でAll About Circuitsの読者と有用なニュース、メッセージ、テクノロジーを共有できるようにするコンテンツの形式です。すべての業界記事は、読者に有用なニュース、技術的専門知識、またはストーリーを提供することを目的とした厳格な編集ガイドラインの対象となります。業界記事で表明されている見解や意見はパートナーのものであり、必ずしもAll AboutCircuitsやそのライターのものではありません。