堅牢なモーションディテクタの開発は、動くターゲットである必要はありません

この記事では、部品点数を大幅に削減して改善できる赤外線検出器アセンブリを紹介することで、モーション検出器の設計が外乱に対して堅牢になるようにするためのいくつかの概念について説明します。製品の性能と信頼性。

スマートホームやビルは、より便利で、より安全で、エネルギー効率の高いインテリジェントテクノロジーの恩恵を受けています。図1は、住宅と建物の両方で利用できるさまざまな製品を示しています。これらの製品は、自宅の消費者や建物の管理担当者が自動的に監視および制御できます。

利便性、安全性、省エネ性を兼ね備えた製品のひとつに、赤外線人感センサーがあります。赤外線モーションディテクタは、エリア内の占有を検知し、照明、HVACシステム、またはアラームをアクティブにすることができます。モーションディテクタがセキュリティ機能を提供している場合、24時間年中無休で確実に動作する必要があります。

図1。 家や建物のセキュリティ、利便性、安全性、効率的なエネルギー管理を可能にするインテリジェントデバイス

パッシブ赤外線技術は、信頼性の高いパフォーマンスと低コストの組み合わせにより、モーションセンシングの主要な技術です。市場は13％を超える健全な複合年間成長率を経験しており、2025年には35億ドルを超えると予想されています ¹ 。成長を促進する要因は次のとおりです。

• 監視を使用したセキュリティに対する住宅需要
• ワイヤレス接続とIoTネットワークによる設置コストの削減
• 公共および商業部門で採用されている省エネのための政府のイニシアチブ
• 成長する市場は、新しい革新的なデザインの機会を提供します
  

保護、制御、およびセンシングコンポーネント

パッシブ赤外線モーションディテクタは、屋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障害に対して堅牢である必要があります。検出器がACラインから電力を供給されている場合、AC電力ラインで伝播する可能性のある電流過負荷および過渡電圧に耐えることができなければなりません。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、高品質の製品を実現するために不可欠です。

図2は、赤外線モーションディテクタの例を示しており、製品の信頼性とパフォーマンスを向上させる推奨される保護、制御、およびセンシングコンポーネントを示しています。

図2。 推奨される保護、制御、およびセンシングコンポーネントを示すパッシブ赤外線モーション検出器の例

図3に、パッシブ赤外線モーションディテクタのブロック図を示します。また、推奨される保護、検知、および制御コンポーネントを配置する回路を示します。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ている回路を示すパッシブ赤外線モーション検出器のブロック図

AC / DCパワーステージ

AC / DC電源段は、他の回路ブロックにDC電源を供給します。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過渡現象の影響を受けます。過電圧の過渡現象と電流サージは、落雷、モーターのオンとオフによる誘導スパイク、および電力線の電圧変動による過渡現象から発生する可能性があります。

これらの潜在的な障害に対して、AC / DC電源ステージボードの最初の防衛線として金属酸化バリスタ（MOV）をお勧めします。回路基板上のACライントランジェントの伝搬経路を最小限に抑えるために、回路上のAC電圧の入口のできるだけ近くにMOVを配置します。次の特性を持つMOVを選択してください：

• 最大10kAのピークサージ電流または150Jのパルスエネルギーを安全に吸収して、下流の回路を落雷から保護します
• 下流の回路に損傷を与えない低いクランプ電圧
• コンポーネントが検出器の指定された環境範囲で機能することを保証する動作温度範囲（フェノールコーティングを施したMOVのバージョンは125°Cまで安全に動作できます）
• ULまたはIEC-全国的に認められた標準ラボによって認定時間を短縮することが認められています

AC / DCパワーステージの出力では、電源のすべての負荷回路をさらに保護するために、トランジェントサプレッサー（TVS）ダイオードを使用することをお勧めします。 TVSダイオードは、さまざまな負荷回路の電源コンポーネントへの過渡ストレスを最小限に抑えます。 TVSダイオードは、回路保護のために次の利点を提供します。

• 600Wのピークパルス電力または100Aのピークサージ電流の吸光度
• 空中ストライキまたは直接接触のいずれかから30kVまでのESD保護
• トランジェントに対する1ps未満の超高速応答
• クランプ電圧が10Vと低いバージョン
• ULまたはIECコンポーネントの認識

図4に示すように、TVSダイオードは、パッケージ内の双方向の2つの直列ダイオード、または単方向の単一のダイオードにすることができます。 TVSダイオードは、保護機能に加えて、少量の電力を消費します。通常の外乱のない動作では、コンポーネントは1 µA未満で消費されます。最後に、PCボードのスペースを節約するために、表面実装バージョンのTVSダイオードを利用できます。

図4。 ESDおよびその他の電気的過渡現象から保護するための双方向および単方向TVSダイオード

モーションセンサーとMCU

パッシブ赤外線検出器の主要な要素は、赤外線放射センサーとマイクロコントローラーユニットです。センサー、レンズ、マイクロコントローラー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を参照）。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ーチップに直接接続されるため、設計の部品表が削減されます。
• 電子機器の検出と処理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ー。マイクロコントローラーには、CPU、RAM、タイマー、コンパレーター、A / Dコンバーター、通信インターフェース、およびセンサーのファームウェアが含まれています。
• レンズと組み合わせて、さまざまな視野に対応する多数のオプションを提供できる2要素または4要素のセンサー。
• 漏れが多く製品寿命が短い電解コンデンサの一般的な使用法と比較して、低コストで小型のセラミックコンデンサを使用できる設計
• 検出管理の感度、範囲、およびフィールドを提供する高度なモーション検出アルゴリズム
• ユーザー定義の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ーの柔軟性

電力を節約するには、動きが検出されないときに低電力モードのアセンブリを探します。図6に、赤外線モーションディテクタパッケージの例を示します。コンポーネントが少なく、電解コンデンサがない統合パッケージの組み合わせにより、製品全体の信頼性が向上し、プリント基板のスペースが節約され、コストが削減されます。

図5。 レンズ、センサー、マイクロコントローラーの組み合わせアセンブリのブロック図

図6。 レンズ-センサー-マイクロコントローラーの赤外線モーションディテクターアセンブリの例。このアセンブリはZilogからのものです。レンズとセンサーはボードの上にあります。マイクロコントローラーはセンサーの下にあります。

アラーム

赤外線センサーが適切な量の動きを検出すると、アラーム回路が作動します。回路は通常、点滅する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。アラーム回路には、外部デバイスに電力を供給するための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。どちらも、低電力ロジック回路から高電力ドライブを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を延ばし、リードリレーは消費電力を抑えます。

リードリレーは、コンパクトなシングルインラインパッケージで提供されます。また、コイル駆動回路を保護するための内蔵バックEMFサプレッサーダイオードと、コイルEMIが制御回路に入るのを防ぐための磁気シールドオプションを備えたリードリレーを入手することもできます。さらに、リードリレー接点は従来の電気機械式リレーよりも寿命が長く、広範囲の環境温度の影響を比較的受けません。

ソリッドステートリレーは、入力LEDと出力光検出器トランジスタ間の制御を光学的に結合します。ソリッドステートリレーは、入力と出力の間に最大1500Vrmsのアイソレーションを持つことができます。多くは、ゼロ電圧交差でスイッチングを開始するロジックを使用してEMI / RF生成を排除するように設計されています。ソリッドステートリレーのバージョンでは、消費電力を最小限に抑えるために、オフ状態の出力リーク電流を1 µA未満に抑えることができます。省スペースの表面実装パッケージで利用できます。

ドライブコンポーネントの選択は、接点または出力に、使用する出力のタイプに対して十分なドライブ容量があることを確認する必要があります。サイズ、消費電力、およびコストは、ドライブコンポーネントの選択で考慮したい他の要因になります。

パッシブ赤外線モーションディテクターの安全基準

表1に、設計が認定されて市場で受け入れられるようにするために、設計が準拠する必要のある重要な標準を示します。開発プロジェクトの一環としてこれらの基準を順守することで、認証コストが削減され、認証時間が短縮されます。 IEC規格に準拠することで、世界中のすべての地域で製品を販売できるようになります。

表1.パッシブ赤外線モーションディテクターの安全性と最小操作要件を規定する基準

堅牢で信頼性の高い設計では、コンポーネント数と開発コストを低く抑えることができます

赤外線検出器の設計の場合、堅牢な設計に必要な保護コンポーネントはわずかです。レンズ/センサー/マイクロコントローラーパッケージを利用して、部品点数を減らし、製品の信頼性を最大化できます。認証の時間とコストを節約するために、開発プロジェクトの重要な要素として標準への準拠を含めるようにしてください。メーカーのアプリケーションの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択にかかる時間を節約し、設計時間を大幅に節約することをお勧めします。製造業者は、どの規格が設計に適用されるかについてのガイダンスを提供し、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することもできます。これらの推奨事項は、現場での故障を減らし、より費用効果が高く収益性の高い製品をもたらす、堅牢で信頼性の高い設計を実現するのに役立ちます。

参考資料

1.）占有センサー市場。市場と市場。 2020年7月。

参考文献

詳細については、Littelfuse、Inc。提供のビルディング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択ガイドをダウンロードしてください。

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。