堅牢な動作検知器の設計：信頼性の高い低部品数赤外線ソリューション

外部擾乱に対して堅牢な動作検知器設計を確保する概念について、部品数を大幅に削減し製品性能と信頼性を向上させる赤外線検知器アセンブリを提示しながら議論します。

スマートホームとビルは、より便利で、より安全で、エネルギー効率の高いものにするインテリジェント技術の恩恵を受けています。図1は、住宅とビルの両方で利用可能な幅広い製品を示しています。これらの製品は、家庭内の消費者やビル管理担当者によって自動的に監視および制御できます。

利便性、安全性、省エネを兼ね備えた製品の一つが赤外線動作検知器です。赤外線動作検知器はエリア内の占有を検知し、照明、HVACシステム、または警報を作動させることができます。動作検知器がセキュリティ機能を提供する場合、1日24時間、週7日、確実に動作する必要があります。

 

図1. 住宅とビルにおけるセキュリティ、利便性、安全性、効率的なエネルギー管理を実現するインテリジェントデバイス

 

受動赤外線技術は、信頼性の高い性能と低コストの組み合わせにより、動作検知の主要技術となっています。市場は13%以上の健全な年間複合成長率を経験しており、2025年までに35億ドルを超えると予測されています¹。成長を促進する要因には以下が含まれます：

• 監視によるセキュリティへの住宅需要
• 無線接続とIoTネットワークによる設置コストの削減
• 公共部門と商業部門で採用されている政府の省エネ施策
• 成長する市場が新規、革新的な設計の機会を提供
   

保護、制御、センシングコンポーネント

受動赤外線動作検知器は室内監視または屋外監視のいずれかに使用されるため、これらの製品は環境擾乱に対して堅牢でなければなりません。ACラインで駆動される場合、AC電力線に伝播する過電流サージと過電圧トランジェントに耐えられる必要があります。回路保護に加えて、効率的な制御と信頼性の高いセンシング性能は、品質の高い製品を実現するために不可欠です。

図2は、赤外線動作検知器の一例と、製品の信頼性と性能を高める推奨保護、制御、センシングコンポーネントを示しています。

 

図2. 推奨保護、制御、センシングコンポーネントを示す受動赤外線動作検知器の一例

 

図3では、受動赤外線動作検知器のブロック図を示し、推奨保護、センシング、制御コンポーネントを配置すべき回路を示します。コンポーネントが推奨される各ブロックについて説明します。

 

図3. 推奨コンポーネントが配置される回路を示す受動赤外線動作検知器のブロック図

 

AC/DC電源段

AC/DC電源段は、他の回路ブロックのためのDC電力を供給します。この回路はAC電力線とインターフェースし、過電流サージと過電圧トランジェントの影響を受けます。過電圧トランジェントと電流サージは、落雷、モーターのオン/オフによる誘導スパイク、電力線電圧変動によるトランジェントが原因で発生する可能性があります。

これらの潜在的な擾乱に対して、AC/DC電源段基板の第一線の防御として酸化金属被膜バリスタ（MOV）を推奦します。MOVを、基板上のAC電圧入口にできるだけ近い位置に配置し、基板上でのACライントランジェントの伝播経路を最小限に抑えます。以下の特性を持つMOVを選択してください：

• ピークサージ電流10kAまたはパルスエネルギー150Jまで安全に吸収し、落雷から下流回路を保護
• 下流回路を損傷しない低クランプ電圧
• 検知器の指定環境範囲で機能する動作温度範囲（フェノール樹脂コーティング版MOVは最大125℃まで安全に動作可能）
• ULまたはIEC認定で、国家認定規格試験所による認定時間を短縮

AC/DC電源段の出力側では、トランジェントサプレッサ（TVS）ダイオードを使用して、電源上のすべての負荷回路をさらに保護することを推奨します。TVSダイオードは、各負荷回路の電力コンポーネントへのトランジェントストレスを最小限に抑えます。TVSダイオードは回路保護において以下のメリットを提供します：

• ピークパルス電力600Wまたはピークサージ電流100Aまで吸収
• 空中放電または直接接触のいずれかによる最大30kVのESD保護
• トランジェントに対する1ps未満の超高速応答
• クランプ電圧10Vまでの低電圧版を用意
• ULまたはIECコンポーネント認定

図4に示すように、TVSダイオードは双方向（パッケージ内の2つのシリーズダイオード）または単方向（単一ダイオード）があります。保護機能に加えて、TVSダイオードは少量の電力を消費します。正常な擾乱のない動作時、コンポーネントは1µA未満を消費します。最後に、基板実装面積を節約するためにTVSダイオードの表面実装版も利用可能です。

 

図4. ESDおよびその他の電気的トランジェントから保護する双方向および単方向TVSダイオード

 

動作センサーとMCU

受動赤外線検知器の主要要素は、赤外線放射センサーとマイクロコントローラユニットです。センサー、レンズ、マイクロコントローラユニットを含む完全なパッケージが利用可能であることに注意してください（図5参照）。完全なパッケージは以下を提供します：

• センサーがマイクロコントローラチップに直接接続されるため、設計の部品表（BOM）を削減
• 検知および処理エレクトロニクスの完全な設計に必要なすべての回路を含むマイクロコントローラ。CPU、RAM、タイマー、コンパレータ、A/Dコンバータ、通信インターフェース、センサー用ファームウェアを内蔵
• レンズと組み合わせた2素子または4素子センサーが、さまざまな視野オプションを提供
• 電解コンデンサ（漏れ電流が大きく製品寿命が短い）に代わって、より低コストで小型のセラミックコンデンサが使用可能
• 感度、範囲、検知視野の管理を提供する高度な動作検知アルゴリズム
• ユーザー定義アプリケーション機能の実装を可能にするマイクロコントローラの柔軟性

省電力のため、動作が検知されないときに低消費電力モードを持つアセンブリを探してください。図6は赤外線動作検知器パッケージの一例を示します。より少ない部品数の統合パッケージと電解コンデンサなしの組み合わせは、全体的な製品信頼性を向上させ、基板スペースを節約し、コストを削減します。

 

図5. レンズ、センサー、マイクロコントローラアセンブリの組み合わせブロック図

 

図6. レンズ・センサー・マイクロコントローラ赤外線動作検知器アセンブリの一例。このアセンブリはZilog製。レンズとセンサーは基板上部に、マイクロコントローラはセンサーの下に配置。

 

警報

警報回路は、赤外線センサーが適切な量の動作を検知したときに作動します。通常、点滅LEDライトまたはLEDライトとスピーカーの組み合わせを駆動します。警報回路には、外部デバイスを駆動する制御コンポーネントが必要です。リードリレーまたはソリッドステートリレーのいずれかを検討してください。両方とも、高電力ドライブを低電力ロジック回路からガルバニック絶縁します。ソリッドステートリレーは出力ドライブ接点の寿命が長く、リードリレーは消費電力が低いです。

リードリレーはコンパクトな単列インラインパッケージで利用可能です。コイル駆動回路を保護する内蔵バックEMFサプレッサダイオード付きや、コイルEMIが制御回路に入るのを防ぐ磁気シールドオプション付きのリードリレーも入手可能です。さらに、リードリレー接点は従来の電磁リレーより寿命が長く、広範な環境温度範囲に比較的強いです。

ソリッドステートリレーは、入力LEDと出力フォトディテクタトランジスタの間を光結合で制御します。ソリッドステートリレーは入力と出力間で最大1500Vrmsの絶縁を持つことができます。多くはゼロクロススイッチングでスイッチングを開始するロジックにより、EMI/RF発生を排除するように設計されています。オフ状態出力漏れ電流1µA未満の低消費電力版も利用可能です。省スペースの表面実装パッケージで提供されます。

駆動コンポーネントの選択は、使用される出力タイプに対して接点または出力が十分な駆動容量を持つことを確保することに依存します。サイズ、消費電力、コストも駆動コンポーネント選択の際に考慮すべき要因です。

 

受動赤外線動作検知器の安全規格

表1は、設計が準拠すべき重要な規格を示しており、認証取得と市場受容を可能にします。これらの規格をプロジェクト開発の一部として遵守することで、認証コストと認証時間を削減できます。IEC規格への準拠により、世界中のすべての地域で製品を販売できます。

 

表1. 受動赤外線動作検知器の安全性と最低運用要件を規定する規格

 

堅牢で信頼性の高い設計は低部品数と低開発コストで実現可能

赤外線検知器設計において、堅牢な設計にはわずかな保護コンポーネントしか必要ありません。レンズ/センサー/マイクロコントローラパッケージを活用して部品数を削減し、製品信頼性を最大化できます。規格準拠を開発プロジェクトの重要な要素として位置づけ、認証時間とコストを節約してください。メーカーのアプリケーション専門知識を活用して、保護および制御コンポーネントの選定で時間を節約し、大幅な設計時間を短縮することを推奨します。メーカーはまた、設計に適用される規格についてのガイダンスと、コンプライアンスを確保する方法についてのガイダンスを提供できます。これらの推奨事項は、フィールド故障を減らし、よりコスト効率が良く収益性の高い製品につながる堅牢で信頼性の高い設計の達成に役立ちます。
 

参考文献

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

参考資料

詳細については、Littelfuse, Inc.提供の「ビルオートメーション アプリケーションガイド」および「回路保護選定ガイド」をダウンロードしてください。

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