Intelligentes Schaltkreisschutz- und Sensordesign für Smart-Home-Schlösser und Zugangskontrollen

Die Kombination von Smartphone-, Netzwerk- und Internet-of-Things-Technologien (IoT) hat die Entwicklung sowohl des Smart Home als auch der fortschrittlichen Gebäudeautomation ermöglicht. Diese Technologien sorgen für mehr Automatisierung, Kontrolle und Sicherheit und geben dem Hausbesitzer oder dem Büronutzer mehr Komfort und das beruhigende Gefühl größerer Sicherheit. Wo auch immer sich der Hausbesitzer oder der Büronutzer befindet, kann er den Status seines Türschlosses sowie seiner Fenster und Türen einsehen.

Ingenieure, die Heim- und Gebäudesicherheitsprodukte wie intelligente Schlösser sowie Fenster- und Türsensoren entwickeln, müssen sicherstellen, dass ihre Geräte bei ihren Kunden kein falsches Sicherheitsgefühl vermitteln. Entwickler müssen die Schutz- und Sensorkomponenten verstehen, die erforderlich sind, um die geltenden Sicherheitsstandards einzuhalten und sichere, robuste und zuverlässige Produkte zu gewährleisten.

Allein der Markt für intelligente Schlösser ist ein Markt mit hohem Wachstum und bietet Chancen für Innovationen. Es wird erwartet, dass das weltweite Wachstum bei intelligenten Schlössern eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 25 Prozent aufweist, wobei das Stückwachstum von etwa sieben Millionen Einheiten im Jahr 2019 auf etwa 23 Millionen Einheiten im Jahr 2024 ansteigt1. Der Wohnimmobilienmarkt wird den Großteil des Wachstums ausmachen , die bei rund 70 Prozent liegen wird.

Wie bei intelligenten Schlössern wird das gestiegene Bewusstsein für die persönliche Sicherheit das weltweite Wachstum von Fenster- und Türsensoren vorantreiben, insbesondere in Entwicklungsländern. Es wird erwartet, dass die Auslieferungen von rund 300 Millionen Einheiten im Jahr 2019 auf rund 465 Millionen Einheiten im Jahr 20242 steigen werden. Dieses Wachstum liegt bei einer jährlichen Wachstumsrate von rund neun Prozent. Der Markt für Smart-Home-Sicherheitsprodukte ist ein gesunder und attraktiver Markt.

Ein intelligentes Schloss besteht aus einer Tastatur für den manuellen Zugriff, einer drahtlosen Protokollverbindung für den Smartphone-Zugriff über eine Softwareanwendung, einem Sensor zur Überwachung der Position des Türgriffs, Aktoren zum Verriegeln oder Entriegeln der Tür und einer Sensorik zur Erkennung eines Umgehungsversuchs das Schloss. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein intelligentes Türschloss mit empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Abbildung 2 zeigt ein detailliertes Blockdiagramm eines Smart Locks. und das Diagramm zeigt die empfohlene Platzierung der empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten.

Elektrostatische Entladung (ESD) ist die größte Gefahr für die Elektronik intelligenter Schlösser. Sowohl die Benutzeroberfläche als auch die drahtlose Schnittstelle sind anfällig für ESD durch den Benutzer.

Die Benutzeroberfläche enthält die Tastatur, die eine Person kontaktiert, um den vorprogrammierten Zugangscode einzugeben. Eine Person ist eine ESD-Quelle, insbesondere in einer trockenen Umgebung. Entwickler sollten den Schaltungsblock der Benutzerschnittstelle vor ESD schützen, um Schäden an empfindlicher Elektronik zu vermeiden.

Für den ESD-Schutz sollten Entwickler eine Transient-Voltage-Suppressor-Diode (TVS) oder ein Diodenarray in Betracht ziehen. TVS-Dioden sind Zener-Dioden, die mit Silizium-Avalanche-Technologie hergestellt werden und einen Mindestschutzpegel von ±15 kV ESD-Spannung bieten können. Ein TVS-Diodenarray kann sechs Zenerdioden aufnehmen, um fünf Signalleitungen zu schützen und eine Erdungsreferenz bereitzustellen. Siehe Abbildung 3. Der Vorteil eines Arrays besteht darin, dass eine platzsparende Komponente in einem 0402-Oberflächenmontagegehäuse bis zu fünf Leitungen schützen kann.

Die Auswirkungen auf den Schaltkreisblock sind minimal; Ein TVS-Diodenarray kann einen Leckstrom von nur 1 µA haben. Wenn ein höherer Grad an ESD-Schutz gewünscht wird, kann eine einzelne Diode für den ESD-Schutz für jede Signalleitung sorgen. Eine einzelne TVS-Diode (siehe Abbildung 4) kann bis zu ±30 kV aushalten. Unabhängig davon, welche Konfiguration verwendet wird, platzieren Sie die TVS-Dioden so nah wie möglich am Eingang des Schaltkreises, um zu verhindern, dass ein ESD-Transient in den Schaltkreis eindringt.

Die drahtlose Schnittstelle verbindet sich mit dem Mobilfunknetz oder einem Wireless LAN, einem WiFi-Netzwerk, um mit einem Smartphone oder einem anderen vernetzten Gerät zu kommunizieren. Da die drahtlose Schnittstelle der äußeren Umgebung ausgesetzt ist, sollte sie über einen ESD-Schutz verfügen. Die empfohlene Komponente ist ein Polymer-ESD-Unterdrücker.

Der Wert eines Polymer-ESD-Unterdrückers liegt in seiner Fähigkeit, auf ESD-Transienten zu reagieren und diese zu absorbieren, während er gleichzeitig einen vernachlässigbaren Einfluss auf die charakteristische Impedanz des drahtlosen Schnittstellenausgangs hat. Polymer-ESD-Unterdrücker können einer ESD bei direktem Kontakt von ±8 kV und einem Luftangriff von ±15 kV standhalten. Die typische Kapazität der Komponente liegt bei niedrigen 0,06 pF. Die Reaktionszeit auf einen Transienten ist mit unter 1 ns extrem schnell. Die Platzierung sollte so nah wie möglich am Eingangsantennenanschluss erfolgen. Abbildung 5 zeigt zwei Konfigurationen für Polymer-ESD-Unterdrücker, bidirektionale Komponenten.

Um sicherzustellen, dass die Tür vollständig im Türrahmen sitzt, ist ein Sensor erforderlich. Ein Reed-Schalter mit magnetischem Aktuator ist eine stromsparende Sensorlösung für ein batteriebetriebenes Smart Lock. Reed-Schalter benötigen keine Antriebsenergie und sind hermetisch abgedichtet, um in jeder Umgebung eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Versionen können 10 W mit Leistungen bis 0,5 A oder bis 200 V schalten. Die Schalter eignen sich sehr gut für den Einsatz in Niederspannungsreglerkreisen. Darüber hinaus sind oberflächenmontierte Versionen für die automatisierte Leiterplattenbestückung erhältlich.

Designer sollten einen zylindrischen Magnetantrieb in Betracht ziehen, der für die Montage an einem Rahmen, beispielsweise einem Türrahmen, konzipiert ist. Als Material wird ein AlNiCo-Magnet empfohlen; und die Größe kann nur 5 mm x 25 mm betragen.

Der Schaltungsblock zur Manipulationserkennung erfordert außerdem einen Sensor, der den Benutzer warnt, wenn das Schloss kompromittiert und die Tür geöffnet wurde. Auch hier werden ein Reed-Schalter und ein Aktuator empfohlen. Die Reed-Schalter-Aktor-Kombination verbraucht nur minimal Strom, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Entwickler können ein Reed-Schalter-Betätiger-Paar mit einstellbarer Empfindlichkeit in Betracht ziehen, um eine schnelle Reaktion auf ein manipuliertes Schloss zu gewährleisten.

Es sind nur vier Komponenten erforderlich, um ein intelligentes Schloss sowohl zu schützen als auch zu erfassen. Diese Komponenten beanspruchen nur ein Minimum an Platz auf der Leiterplatte und gewährleisten ein sicheres und zuverlässiges Produkt.

Drahtlose Tür- und Fenstersensoren liefern Informationen über den Zustand von Fenstern und Türen. Der Benutzer kann von jedem Ort aus Informationen darüber erhalten, ob Fenster und Türen geöffnet oder geschlossen sind. Abbildung 6 zeigt eine Hardwarekonfiguration für einen drahtlosen Türsensor und einen drahtlosen Fenstersensor. Die Abbildung zeigt auch die empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten für jedes der Hardwareelemente.

Abbildung 7 zeigt das Blockdiagramm der beiden Hauptelemente des Systems. Die Sensorschaltung erkennt die Position des Fensters oder der Tür und meldet die Informationen an einen Controller, der auch als Schnittstelle für den Benutzer und als Übermittler von Informationen an jeden beliebigen Ort dient. Die Sensorschaltkreise befinden sich an der Tür und am Fenster und müssen Bewegungen zulassen. Daher muss die Schaltung batteriebetrieben sein. Der Benutzerschnittstellen-Controller mit der Tastatur befindet sich an einem festen Standort und kann daher über das Wechselstromnetz mit Strom versorgt werden. Wechselstromnetz ist eine typische Anwendung für gewerbliche Anlagen.

Wie beim Smart Lock sollten Entwickler für die Näherungserkennung einen Reed-Schalter-Magnetaktor in Betracht ziehen. Da keine Aktivierungsenergie erforderlich ist, verlängert der Reed-Schalter die Batterielebensdauer des Sensorsystems. Die Wireless-Interface-Schaltkreisblöcke im Sensor und im Benutzerschnittstellen-Controller können Polymer-ESD-Unterdrücker verwenden, um den Schutz vor ESD zu gewährleisten und gleichzeitig die Integrität der HF-Übertragung aufrechtzuerhalten. Ähnlich wie das Smart-Schloss sollte auch der Benutzerschnittstellen-Schaltkreisblock mit seiner Tastatur über einen ESD-Schutz vor menschlichem Kontakt verfügen. Ein TVS-Diodenarray kann die empfindlichen Signalleitungen vor ESD-Transienten schützen.

Wenn Wechselstrom und ein Wechselstrom-Gleichstrom-Netzteil den User Interface Controller mit Strom versorgen, müssen Entwickler den Controller vor potenziellen Bedrohungen durch die Wechselstromleitung schützen. Mögliche Schäden an der Elektronik können durch Überstromzustände, Blitzeinschläge und andere Spannungsspitzen sowie ESD-Störungen entstehen. Entwickler können ihre Designs mit Sicherungs- und Spannungstransientenschutzgeräten vor diesen Bedingungen schützen.

Es gibt zahlreiche Optionen für Sicherungen, einschließlich der Betriebseigenschaften der Sicherung und der Gehäuseform, um ein breites Spektrum an Designzielen zu erfüllen. Entwickler sollten zeitverzögerte oder träge Sicherungen in Betracht ziehen, um störende Abschaltungen zu vermeiden. Darüber hinaus sollten Konstrukteure den Nennstrom der Sicherung so wählen, dass sie ggf. kurzzeitigen Überlastungen wie Einschaltströmen Rechnung trägt. Weitere Überlegungen umfassen die Abschaltleistung, die den maximalen Überlaststrom definiert, den die Sicherung unterbrechen kann. Dieser Parameter hängt von der Sicherungsgröße ab. Wenn eine kleine Sicherung benötigt wird, muss der Konstrukteur sicherstellen, dass die Sicherung dem verfügbaren Kurzschlussstrom der Wechselstromleitung standhält. Eine letzte Überlegung ist der Kältewiderstand der Sicherungen. Wenn der Stromverbrauch im Vordergrund steht, sollten Entwickler nach einer Sicherung mit geringem Kältewiderstand suchen.

Um die Energie eines Spannungsstoßes auf der Wechselstromleitung durch Blitzschlag oder Ein- und Ausschaltspitzen des Motors sicher zu absorbieren, sollten Entwickler den Einsatz eines Metalloxid-Varistors (MOV) in Betracht ziehen. MOVs können einen Stromstoß von bis zu 10.000 A aus einem transienten Impuls von 8/20 µs absorbieren. Ein 20-mm-MOV kann außerdem bis zu 530 J Energie absorbieren.

Eine alternative Komponente zu einem MOV ist eine TVS-Diode. Modelle, die zum Schutz von Schaltkreisen vor Blitzschlag und anderen Transienten entwickelt wurden, können einer Leistung von bis zu 1500 W aus einem 10/1000-µs-Impuls standhalten. Um den Stromverbrauch zu minimieren, verbraucht eine TVS-Diode unter normalen Betriebsbedingungen weniger als 1 µA. Darüber hinaus kann eine TVS-Diode schnell in weniger als 1 ps auf einen Transienten reagieren. Zur Minimierung des Montageaufwands sind Versionen zur Oberflächenmontage erhältlich. Abbildung 8 zeigt die Symbole für eine TVS-Diode. Entwickler können zwischen einer bidirektionalen oder einer unidirektionalen Diode wählen.

Wie bei einem intelligenten Schloss sind zum Schutz der Fenster- und Türsensorkreise nicht viele Komponenten erforderlich. Designer haben zahlreiche Möglichkeiten, die am besten geeigneten Versionen für ihre Produkte auszuwählen.

Designer sollten die Standards kennen, die für die von ihnen entwickelten Produkte gelten, damit sie die Anforderungen während der Entwicklungsphase ihres Projekts berücksichtigen können. Die Nichteinhaltung der Standards kann zu potenziell kostspieligen Neukonstruktionsarbeiten und Verzögerungen bei der Produkteinführung führen.

Zusätzlich zu allgemeinen Produktsicherheitsstandards wie der IEC 61000-Reihe, die Anforderungen an die Beständigkeit gegen ESD, elektrisch schnelle Transienten und Blitzschlag definieren, gibt es spezielle Standards für elektronische Verriegelungen und verwandte Produkte. Tabelle 1 listet die geltenden Normen für elektronische Schließsysteme und zugehörige Geräte auf. Diese Standards decken den nordamerikanischen Markt und China ab. Die Dokumente sind unverzichtbare Referenzmaterialien für Entwickler von intelligenten Schlössern sowie Fenster- und Türsensoren.

Tabelle 1. Standards für elektronische Schlösser und verwandte Produkte für Nordamerika und China

Der Ruf für Qualität, Zuverlässigkeit und Komfort ist ein enormer Wettbewerbsvorteil für Hersteller von intelligenten Schlössern sowie Produkten zur Fenster- und Türerkennung. Der Einbau geeigneter Schutz- und Sensorkomponenten trägt dazu bei, sichere und robuste Produkte zu erhalten. Glücklicherweise benötigen Designer nur eine kleine Anzahl von Komponenten, um ihre Produkte vollständig zu schützen und Sicherheitsstandards einzuhalten. Mit Niedrigenergiesensoren können Entwickler die Batterielebensdauer maximieren und so die Häufigkeit des Batteriewechsels minimieren. Designer verfügen über eine Reihe alternativer Komponenten, die sie verwenden können. Eine letzte Empfehlung zur Erzielung eines optimalen Designs besteht darin, das Fachwissen der Komponentenhersteller zu nutzen und sich von ihnen beraten zu lassen.

Weitere Informationen zu Schaltkreisschutz, Sensorgeräten und Komponentenauswahlkriterien finden Sie im Circuit Protection Selection Guide und im Sensing Products Selection Guide mit freundlicher Genehmigung von Littelfuse.

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