Diseño de detección y protección de circuitos inteligentes para cerraduras y controles de acceso inteligentes para el hogar

La combinación de tecnologías de teléfonos inteligentes, redes e Internet de las cosas (IoT) ha permitido el desarrollo tanto del hogar inteligente como de la automatización avanzada de edificios. Estas tecnologías proporcionan mayor automatización, control y seguridad, brindando al propietario de la vivienda o al ocupante de la oficina una mayor comodidad y la reconfortante sensación de mayor seguridad. Dondequiera que esté el propietario o el ocupante de la oficina, puede ver el estado de la cerradura de su puerta y de sus ventanas y puertas.

Los ingenieros que diseñan productos de seguridad para el hogar y la construcción, como cerraduras inteligentes y dispositivos sensores de puertas y ventanas, deben asegurarse de que sus dispositivos no creen una falsa sensación de seguridad para sus clientes. Los diseñadores deben comprender los componentes de protección y detección necesarios para cumplir con los estándares de seguridad aplicables y garantizar productos seguros, robustos y confiables.

El mercado de cerraduras inteligentes por sí solo es un mercado de alto crecimiento y es oportunista para la innovación. Se espera que el crecimiento global de las cerraduras inteligentes tenga una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 25 por ciento, con un crecimiento unitario que se expandirá de aproximadamente siete millones de unidades en 2019 a aproximadamente 23 millones de unidades en 20241. El mercado residencial representará la mayor parte del crecimiento. , que rondará el 70 por ciento.

Al igual que con las cerraduras inteligentes, la mayor conciencia sobre la seguridad personal impulsará el crecimiento global de sensores de puertas y ventanas, especialmente en las economías en desarrollo. Se espera que los envíos aumenten de aproximadamente 300 millones de unidades en 2019 a alrededor de 465 millones de unidades en 20242. Este crecimiento tiene una tasa compuesta anual de alrededor del nueve por ciento. El mercado de productos de seguridad para el hogar inteligente es un mercado saludable y atractivo.

Una cerradura inteligente consta de un teclado para acceso manual, un enlace de protocolo inalámbrico para acceso a un teléfono inteligente a través de una aplicación de software, un sensor para monitorear la posición de la manija de la puerta, actuadores para bloquear o desbloquear la puerta y sensores para detectar un esfuerzo por eludir La cerradura. La Figura 1 muestra un ejemplo de cerradura de puerta inteligente con componentes de protección y detección sugeridos para garantizar un funcionamiento confiable. La Figura 2 proporciona un diagrama de bloques detallado de una cerradura inteligente; y el diagrama muestra la ubicación recomendada para los componentes de protección y detección sugeridos.

La descarga electrostática (ESD) es el principal peligro para la electrónica de las cerraduras inteligentes. Tanto la interfaz de usuario como la interfaz inalámbrica son susceptibles a ESD por parte del usuario.

La interfaz de usuario contiene el teclado con el que una persona contacta para ingresar el código de acceso preprogramado. Un individuo es una fuente de ESD, particularmente en un ambiente seco. Los diseñadores deben proteger el bloque de circuitos de la interfaz de usuario contra ESD para evitar daños a los componentes electrónicos sensibles.

Para la protección ESD, los diseñadores deben considerar un diodo supresor de voltaje transitorio (TVS) o una matriz de diodos. Los diodos TVS son diodos Zener construidos con tecnología de avalancha de silicio y pueden ofrecer un nivel de protección mínimo de ±15 kV de voltaje ESD. Una matriz de diodos TVS puede albergar seis diodos Zener para proteger cinco líneas de señal y proporcionar una referencia a tierra. Consulte la Figura 3. La ventaja de una matriz es que un componente que ahorra espacio en un paquete de montaje en superficie 0402 puede proteger hasta cinco líneas.

El impacto en el bloque del circuito es mínimo; una matriz de diodos TVS puede tener una corriente de fuga de sólo 1 µA. Si se desea un mayor nivel de protección ESD, un diodo individual puede proporcionar protección ESD para cada línea de señal. Un solo diodo TVS, que se muestra en la Figura 4, puede soportar hasta ±30 kV. Cualquiera que sea la configuración utilizada, coloque los diodos TVS lo más cerca posible de la entrada del circuito para evitar que un transitorio ESD penetre en el circuito.

La interfaz inalámbrica se vincula a la red celular o una LAN inalámbrica, una red WiFi, para comunicarse con un teléfono inteligente u otro dispositivo en red. Dado que está expuesta al entorno externo, la interfaz inalámbrica debe tener protección ESD. El componente recomendado es un supresor de ESD de polímero.

El valor de un supresor de ESD de polímero es su capacidad para responder y absorber transitorios de ESD mientras tiene un impacto insignificante en la impedancia característica de la salida de la interfaz inalámbrica. Los supresores de ESD de polímero pueden resistir una ESD de contacto directo de ±8 kV y un ataque aéreo de ±15 kV. La capacitancia típica del componente es baja, 0,06 pF. El tiempo de respuesta a un transitorio es extremadamente rápido, inferior a 1 ns. La ubicación debe ser lo más cerca posible del conector de la antena de entrada. La Figura 5 muestra dos configuraciones para supresores de ESD de polímero, componentes bidireccionales.

La detección para garantizar que la puerta esté completamente asentada en el marco de la puerta requiere un sensor. Un interruptor de láminas con actuador magnético es una solución de detección de baja potencia para una cerradura inteligente que funciona con baterías. Los interruptores de láminas no requieren alimentación eléctrica y están sellados herméticamente para una larga vida útil en cualquier entorno. Las versiones pueden conmutar 10 W con clasificaciones de hasta 0,5 A o hasta 200 V. Los interruptores son muy adecuados para su uso en circuitos controladores de bajo voltaje. Además, hay disponibles versiones de montaje en superficie para el montaje automatizado de placas de circuito.

Los diseñadores deberían considerar un actuador magnético cilíndrico diseñado para montarse en un marco como el de una puerta. El material recomendado es un imán de AlNiCo; y el tamaño puede ser tan pequeño como 5 mm x 25 mm.

El bloque de circuito de detección de manipulación también requiere un sensor para alertar al usuario si la cerradura se ha visto comprometida y la puerta se ha abierto. Nuevamente, se recomienda un interruptor de láminas y un actuador. La combinación de interruptor de láminas y actuador consume una cantidad mínima de energía para maximizar la duración de la batería. Los diseñadores pueden considerar un par de interruptor de láminas y actuador con sensibilidad ajustable para garantizar una respuesta rápida ante una cerradura manipulada.

Solo se necesitan cuatro componentes para brindar protección y detección a una cerradura inteligente. Estos componentes consumen un mínimo de espacio en la placa de circuito y garantizan un producto seguro y confiable.

Los sensores inalámbricos de puertas y ventanas proporcionan información sobre el estado de ventanas y puertas. El usuario puede obtener información sobre si ventanas y puertas están abiertas o cerradas desde cualquier lugar. La Figura 6 muestra una configuración de hardware para un sensor de puerta inalámbrico y un sensor de ventana inalámbrico. La figura también muestra los componentes de protección y detección recomendados para cada uno de los elementos de hardware.

La Figura 7 muestra el diagrama de bloques de los dos elementos principales del sistema. El circuito del sensor detecta la posición de la ventana o puerta y reporta la información a un controlador que también es la interfaz para el usuario y el transmisor de información a cualquier ubicación. El circuito de detección está en la puerta y la ventana y debe permitir el movimiento; por lo tanto, el circuito debe funcionar con baterías. El controlador de interfaz de usuario con el teclado está en una ubicación fija para que pueda recibir alimentación de línea de CA. La línea de alimentación de CA es una aplicación típica para instalaciones comerciales.

Al igual que con la cerradura inteligente, los diseñadores deberían considerar un actuador magnético con interruptor de láminas para la detección de proximidad. Sin necesidad de energía de activación, el interruptor de láminas extiende la vida útil de la batería del sistema de sensores. Los bloques de circuitos de la interfaz inalámbrica en el sensor y el controlador de la interfaz de usuario pueden usar supresores de ESD de polímero para garantizar la protección contra ESD y al mismo tiempo mantener la integridad de la transmisión de RF. También similar a la cerradura inteligente, el bloque de circuito de la interfaz de usuario con su teclado debe tener protección ESD contra el contacto humano. Una matriz de diodos TVS puede proteger las líneas de señal sensibles de transitorios ESD.

Cuando la alimentación de CA y una fuente de alimentación de CA-CC energizan el controlador de interfaz de usuario, los diseñadores deben proteger el controlador de posibles amenazas de la línea de CA. Los posibles daños a los componentes electrónicos pueden deberse a condiciones de sobrecorriente, rayos y otros transitorios de voltaje, y transitorios de ESD. Los diseñadores pueden proteger sus diseños de estas condiciones con fusibles y dispositivos de protección contra transitorios de voltaje.

Existen numerosas opciones de fusibles, incluidas las características operativas del fusible y el estilo de la caja, para cumplir con una amplia gama de objetivos de diseño. Los diseñadores deben considerar fusibles de retardo de tiempo o de acción lenta para evitar paradas molestas. Además, los diseñadores deben seleccionar la clasificación de corriente del fusible para adaptarse a sobrecargas a corto plazo, como corrientes de entrada, cuando corresponda. Otras consideraciones incluyen la clasificación de interrupción que define la corriente de sobrecarga máxima que el fusible puede interrumpir. Este parámetro se compensa con el tamaño del fusible. Si se necesita un fusible pequeño, el diseñador deberá asegurarse de que el fusible pueda soportar la corriente de cortocircuito disponible suministrada por la línea de CA. Una última consideración es la resistencia al frío de los fusibles. Si el consumo de energía es una preocupación principal, entonces los diseñadores deberían buscar un fusible con baja resistencia al frío.

Para absorber de forma segura la energía de un voltaje transitorio en la línea de CA debido a rayos o picos de encendido y apagado del motor, los diseñadores deberían considerar emplear un varistor de óxido metálico (MOV). Los MOV pueden absorber un aumento de corriente de hasta 10.000 A a partir de un pulso transitorio de 8/20 µs. Un MOV de 20 mm también puede absorber hasta 530 J de energía.

Un componente alternativo a un MOV es un diodo TVS. Los modelos desarrollados para proteger circuitos contra rayos y otros transitorios pueden soportar hasta 1500 W de potencia con un pulso de 10/1000 µs. Para minimizar el consumo de energía, un diodo TVS consume menos de 1 µA en condiciones normales de funcionamiento. Además, un diodo TVS puede responder rápidamente a un transitorio en menos de 1 ps. Hay versiones de montaje en superficie disponibles para minimizar la mano de obra de montaje. La Figura 8 muestra los símbolos de un diodo TVS. Los diseñadores pueden seleccionar un diodo bidireccional o un diodo unidireccional.

Al igual que con una cerradura inteligente, no se necesitan muchos componentes para proteger los circuitos de detección de puertas y ventanas. Los diseñadores tienen varias opciones para seleccionar las versiones más adecuadas para sus productos.

Los diseñadores deben conocer los estándares que se aplican a los productos que están desarrollando para poder incorporar los requisitos durante la fase de desarrollo de su proyecto. No adaptarse a las normas puede dar lugar a trabajos de rediseño potencialmente costosos y retrasos en la introducción del producto.

Además de los estándares generales de seguridad de productos, como la serie IEC 61000, que define los requisitos para resistir ESD, transitorios eléctricamente rápidos y rayos, existen estándares específicos para cerraduras electrónicas y productos relacionados. La Tabla 1 enumera los estándares aplicables para cerraduras electrónicas y dispositivos relacionados. Estos estándares cubren el mercado norteamericano y China. Los documentos son materiales de referencia esenciales para los diseñadores de cerraduras inteligentes y sensores de puertas y ventanas.

Tabla 1. Estándares para cerraduras electrónicas y productos relacionados para América del Norte y China

Una reputación de calidad, confiabilidad y conveniencia es una enorme ventaja competitiva para los fabricantes de cerraduras inteligentes y productos de detección de puertas y ventanas. La incorporación de los componentes de protección y detección adecuados contribuirá a conseguir productos seguros y robustos. Afortunadamente, los diseñadores sólo necesitan una pequeña cantidad de componentes para proteger completamente sus productos y cumplir con los estándares de seguridad. Con sensores de baja energía, los diseñadores pueden maximizar la duración de la batería para minimizar la frecuencia de reemplazo de la batería. Los diseñadores tienen varios componentes alternativos que pueden utilizar. Una última recomendación para lograr un diseño óptimo es aprovechar la experiencia de los fabricantes de componentes y buscar su asesoramiento.

Para obtener más información sobre protección de circuitos, dispositivos sensores y criterios de selección de componentes, consulte la Guía de selección de protección de circuitos y la Guía de selección de productos de detección, cortesía de Littelfuse.

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