Pertimbangan Desain Perlindungan, Kontrol, dan Penginderaan Sirkuit untuk Aplikasi Keamanan Rumah Pintar

Artikel ini membahas komponen yang melindungi dan mengontrol sirkuitnya dalam aplikasi keamanan rumah pintar, khususnya komponen untuk melindungi kamera keamanan berkabel dan nirkabel serta kamera bel pintu berkabel.

Kemajuan dalam teknologi IoT memungkinkan pengembangan sistem keamanan rumah pintar yang menawarkan keamanan, kenyamanan, dan efisiensi energi kepada konsumen. Teknologi penginderaan baru dan protokol nirkabel seperti LAN nirkabel (Wi-Fi) telah menciptakan berbagai perangkat yang dapat memantau dan mengontrol peralatan keamanan, peralatan kontrol akses, peralatan, peralatan manajemen energi, stopkontak, pencahayaan, dan sistem hiburan. Gambar 1 mengilustrasikan luasnya teknologi IoT yang memungkinkan rumah pintar.

Gambar 1. Manfaat teknologi rumah pintar mencakup kontrol hiburan, peralatan, akses, daya, dan energi, serta keamanan.

Pasar keamanan rumah pintar adalah pasar yang dinamis. Pengiriman unit kamera keamanan perumahan diperkirakan akan tumbuh dari 54 juta unit pada 2018 menjadi 120 juta unit pada 2023. Itu mewakili tingkat pertumbuhan tahunan majemuk (CAGR) yang substansial sebesar 17%. Ada peluang besar untuk inovasi dan produk baru di pasar ini.

Keandalan Sama dengan Keamanan

Produk keamanan rumah pintar harus sangat andal untuk memenangkan pangsa pasar. Karena semakin banyak vendor memasuki pasar dan diferensiasi produk menyempit, kualitas produk akan menjadi faktor penentu yang lebih besar bagi konsumen. Dengan demikian produk harus kuat terhadap kelebihan beban dan transien. Paragraf berikut akan memberikan rekomendasi kepada perancang sistem keamanan rumah untuk menggunakan dan memilih komponen yang melindungi dan mengontrol sirkuitnya. Komponen untuk melindungi produk berikut akan disajikan:

• Kamera keamanan berkabel dan nirkabel
• Kamera bel pintu berkabel
  

Kamera Keamanan Berkabel

Sistem kamera keamanan berkabel biasanya adalah sistem keamanan yang dipasang tetap untuk memantau area di sekitar tempat tinggal. Gambar 2 menunjukkan kamera keamanan berkabel dan komponen yang direkomendasikan untuk melindungi dan mengendalikan kamera. Kamera-kamera ini bertenaga saluran AC dan tunduk pada kelebihan beban dan transien yang disebarkan pada saluran listrik AC. Selain itu, semua sambungan ke lingkungan eksternal tunduk pada pelepasan muatan listrik statis (ESD).

Desainer perlu melindungi sirkuit kamera mereka dari kerusakan akibat kondisi berbahaya ini. Gambar 3 menunjukkan diagram blok kamera keamanan berkabel dan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan untuk memastikan produk yang kuat.

Gambar 2. Contoh kamera keamanan berkabel dan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan

Gambar 3. Diagram blok kamera keamanan berkabel yang menunjukkan sirkuit dan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan.

Adaptor Daya

Adaptor daya berinteraksi dengan saluran listrik AC dan memerlukan perlindungan dari lonjakan arus saluran listrik dan transien tegangan. Kami menyarankan sekering untuk perlindungan kelebihan beban, varistor oksida logam (MOV) untuk perlindungan dari lonjakan arus transien, dan dioda penekan tegangan transien (TVS) untuk perlindungan dari transien tegangan. Ketiga komponen ini, dengan parameter yang dipilih untuk spesifikasi desain Anda, akan memastikan Adaptor Daya tahan terhadap beban berlebih dan transien.

Pilih sekering tiup lambat untuk menghindari gangguan bukaan sekering karena arus masuk suplai switching. Namun, untuk menghindari kerusakan pada sirkuit Adaptor Daya, pilihlah sekring yang akan merespon dengan cepat terhadap kelebihan beban yang terus menerus seperti dalam beberapa detik hingga kelebihan beban 200%. Jangan mengabaikan parameter kunci lainnya saat memilih sekering. Pastikan bahwa peringkat tegangan sekering melebihi tegangan saluran maksimum yang akan dilihat oleh catu daya. Selain itu, pastikan bahwa peringkat interupsi lebih tinggi daripada kelebihan beban arus kasus terburuk yang diperkirakan akan dihadapi sirkuit.

Peringkat interupsi yang sesuai akan menghindari kerusakan fisik pada sekring karena kelebihan beban transien yang besar dari saluran AC. Karena ruang sangat mahal dalam catu daya, carilah sekering kecil yang memenuhi persyaratan. Terakhir, gunakan sekering dengan sertifikasi UL/IEC untuk menyederhanakan dan mempercepat kualifikasi kepatuhan keamanan produk.

Untuk lonjakan energi tinggi dan besar yang disebabkan oleh petir, misalnya, lindungi suplai dengan varistor oksida logam (MOV) yang terletak sedekat mungkin dengan input suplai. MOV dapat menyerap arus surja setinggi 10 kA, dan dapat menyerap lebih dari 500 J energi pulsa puncak. Karena MOV bersentuhan dengan saluran listrik, gunakan komponen bersertifikat UL/IEC.

Elemen perlindungan ketiga yang ingin Anda pertimbangkan adalah dioda penekan tegangan transien (TVS) untuk melindungi sirkuit hilir dari transien tegangan. Dioda TVS merespon transien dengan sangat cepat, di bawah 1 ps. Saat menekan transien, dioda TVS menjepit outputnya pada tegangan rendah untuk melindungi sirkuit sensitif. Dioda TVS tersedia dalam versi uni-directional atau bi-directional dan memiliki rentang tegangan klem yang luas yang bisa serendah 10 V.

Tahap Masukan DC

Tahap Input DC memasok tegangan DC untuk memberi daya pada papan kontrol, drive motor, dan Antarmuka Sensor Gambar. Kami merekomendasikan perlindungan kelebihan arus dan perlindungan tegangan transien untuk sirkuit ini. Baik sekering konvensional atau sekering koefisien suhu positif polimer (PPTC) yang dapat disetel ulang adalah pilihan. Versi pemasangan permukaan dari kedua jenis sekering ini tersedia, jadi konsumsilah ruang PCB minimum. Dioda TVS juga tersedia dalam paket pemasangan di permukaan yang hemat tempat dan dapat menahan transien dengan daya pulsa puncak hingga 5000 W.

Papan Kontrol

Papan kontrol berisi kecerdasan untuk sirkuit kamera. Papan kontrol termasuk MCU, penyimpanan memori video, dan sirkuit antarmuka kabel yang mengirimkan informasi melalui saluran listrik AC menggunakan protokol PoE. Dua dari sirkuit papan kontrol harus memiliki komponen perlindungan. Kedua sirkuit tersebut adalah Wired Interface dan sirkuit memori.

Antarmuka kabel terhubung dengan lingkungan eksternal dan harus memiliki kelebihan arus dan perlindungan tegangan transien. Seperti tahap input DC, pilih sekering konvensional atau sekering yang dapat disetel ulang untuk perlindungan arus berlebih. Untuk perlindungan terhadap transien tegangan, kami merekomendasikan komponen khusus, array dioda TVS. Array dioda TVS melindungi jalur I/O PoE dari ESD dan transien tegangan tinggi lainnya.

Gambar 4 menunjukkan susunan dioda dua arah yang digabungkan dengan dioda Zener untuk menahan serangan ESD ±30 kV. Dioda ini memiliki kapasitansi 1pF/port rendah yang meminimalkan dampaknya pada sinyal transmisi dan penerimaan protokol POE. Konfigurasi susunan dioda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 tersedia dalam paket pemasangan permukaan, yang menggunakan ruang PCB paling sedikit.

Gambar 4. Array dioda TVS dirancang untuk perlindungan ESD dari beberapa port I/O

Kartu SD menyimpan data yang diperoleh kamera. Kami merekomendasikan dioda TVS untuk melindungi sirkuit penting ini dari ESD hingga ±30 kV. Dioda TVS memiliki arus bocor yang rendah di bawah 1 A untuk mengurangi konsumsi daya.

Penggerak Motor

Blok penggerak motor memiliki sirkuit motor pan dan tilt yang memposisikan kamera untuk melacak pergerakan. Untuk sirkuit ini, kami merekomendasikan komponen kontrol, sakelar solid-state yang diisolasi secara optik. Isolasi optik mencegah kebisingan motor dan transien dari kopling kembali ke sirkuit kontrol pan dan tilt. Peralihan solid-state menyediakan peralihan bebas pantulan untuk kontrol motor yang lebih mulus. Cari sakelar solid-state dengan sakelar zero crossing untuk meminimalkan transien start-up motor. Juga, cari sakelar dengan pembatas arus untuk melindungi dari kondisi motor mati.

Kamera Keamanan Nirkabel

Untuk memantau ruang internal, kamera keamanan nirkabel berukuran kecil dan dapat ditempatkan dengan mudah di mana saja. Lihat Gambar 5 untuk contoh kamera nirkabel. Gambar 6 menunjukkan diagram blok untuk kamera nirkabel dan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan untuk perangkat ini.

Gambar 5. Contoh kamera keamanan nirkabel dengan komponen perlindungan yang direkomendasikan

Gambar 6. Blok diagram kamera keamanan nirkabel dan komponen perlindungan dan sensor yang direkomendasikan

Adaptor

Adaptor USB adalah catu daya untuk kamera keamanan nirkabel. Karena terhubung ke listrik AC, adaptor USB harus dilindungi dari kelebihan arus dan transien tegangan. Mirip dengan adaptor daya yang memberi daya pada kamera keamanan berkabel, adaptor USB harus memiliki sekering untuk perlindungan arus berlebih, MOV untuk sambaran petir, dan dioda TVS untuk perlindungan ESD.

Jika desain akan menggunakan protokol USB Tipe-C, maka konektor berkepadatan tinggi USB Tipe-C memerlukan penginderaan termal untuk mendeteksi hubungan pendek antara pin konektor. Elemen penginderaan termal yang dirancang agar sesuai dengan desain USB Tipe-C akan menghindari kerusakan pada kabel dan konektor jika debu atau kotoran membuat pendek pin konektor yang berdekatan. Lihat Standar USB Type-C. ² Elemen penginderaan menyetel ulang dirinya sendiri dengan resistansi rendah saat masalah yang menyebabkan kenaikan suhu diperbaiki.

Paket Baterai

Baterai harus dipantau untuk kondisi arus lebih jika sel baterai gagal dalam kondisi korsleting dan terlalu panas. Selain itu, unit manajemen baterai dan USB dapat dikenai ESD. Kami merekomendasikan sekering yang dapat disetel ulang, sekering pemasangan permukaan PPTC, untuk melindungi dari arus berlebih karena kegagalan sel baterai. Sekering PPTC akan trip dalam waktu kurang dari satu detik hingga kelebihan beban 200% untuk mencegah satu baterai korsleting menyebabkan kerusakan pada beberapa baterai.

Unit manajemen baterai dan sirkuit USB harus memiliki perlindungan ESD. Kami merekomendasikan varistor oksida logam multi-lapisan yang memiliki tegangan penjepitan rendah untuk melindungi komponen semikonduktor. Saat menghemat ruang PCB merupakan pertimbangan penting, versi MOV multi-lapisan dalam paket pemasangan permukaan 0402 yang hemat ruang dapat digunakan.

Jika sirkuit USB sesuai dengan protokol USB Tipe-C, maka elemen penginderaan termal yang identik dengan yang direkomendasikan untuk Adaptor USB harus digunakan untuk melindungi soket USB yang berpasangan di sirkuit USB. Detail selengkapnya tentang mendesain indikator sensor termal ke dalam sirkuit USB Tipe-C ada di panduan desain dan pemasangan kami. ³

Papan Kontrol

Papan kontrol berisi elektronik digital yang mengontrol kamera dan menyimpan data video. Papan kontrol membutuhkan perlindungan dari transien dan ESD. Untuk rangkaian ini, kami merekomendasikan dioda Zener TVS yang tahan terhadap pemogokan ± 30 kV. Dioda TVS, dengan arus bocor di bawah 0,5 A, menarik daya minimum dari rangkaian. Dioda juga memakan sedikit ruang PCB dan dapat ditempatkan dalam paket pemasangan permukaan 0201.

Antarmuka Nirkabel

Antarmuka nirkabel berkomunikasi dengan perangkat nirkabel eksternal seperti komputer, telepon pintar, dan komputer tablet seluler. Karena sirkuit ini terkena lingkungan internal, sirkuit ini rentan terhadap ESD. Dalam hal ini, pertimbangkan penekan ESD polimer. Sebuah penekan ESD polimer akan melindungi sirkuit dari serangan ESD setinggi ± 15 kV melalui udara dan ± 8 kV dari kontak manusia. Selain itu, kapasitansinya yang rendah di bawah 0,2 pF tidak menurunkan transmisi atau penerimaan sinyal.

Kamera Bel Pintu

Kamera bel pintu berkabel telah menjadi produk yang sangat populer untuk melihat pengunjung dari jarak jauh. Gambar 7 menunjukkan contoh kamera bel pintu dan Gambar 8 menunjukkan diagram blok dengan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan.

Gambar 7. Contoh kamera bel pintu berkabel dan solusi perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan

Gambar 8. Diagram blok kamera bel pintu berkabel dengan komponen perlindungan dan kontrol yang direkomendasikan

Unit Catu Daya

Unit Catu Daya berinteraksi dengan tegangan AC yang diturunkan dari saluran listrik AC dan dapat mengalami kelebihan arus dan transien tegangan seperti transien yang disebabkan oleh petir. Seperti sirkuit suplai lainnya, sekering akan melindungi dari kondisi kelebihan beban saat ini. Untuk melindungi dari transien tegangan pada saluran AC, pilih dioda TVS yang dapat menyerap transien dengan daya setinggi 4 kW. Pertimbangkan untuk menggunakan relai solid-state yang diisolasi secara optik untuk mengontrol daya ke sirkuit lain dan untuk menjaga kebisingan dan transien dari saluran listrik agar tidak menyebar ke sirkuit hilir.

Paket Baterai

Paket Baterai menyediakan daya cadangan ke Papan Kontrol dan Antarmuka Pengguna. Paket Baterai dan sub-unitnya, Unit Manajemen Baterai, dan sirkuit USB memerlukan perlindungan dari kondisi arus berlebih dan transien menggunakan komponen serupa yang direkomendasikan untuk sirkuit identik di kamera nirkabel. Menambahkan dioda TVS akan memastikan penekanan transien tegangan dan pemogokan ESD. Seperti paket baterai di kamera nirkabel, kami merekomendasikan sensor termal untuk sirkuit USB jika protokol USB Tipe-C merupakan persyaratan desain.

Antarmuka Pengguna

Antarmuka pengguna tunduk pada ESD dari kontak manusia. Gunakan dioda TVS untuk melindungi Antarmuka Pengguna dari ESD. Jika kamera bel pintu akan dipasarkan di Eropa, Anda harus menyertakan sakelar antara mengaktifkan bel pintu dan kamera untuk mematuhi peraturan privasi Eropa. Pertimbangkan untuk menggunakan relai solid-state untuk menghilangkan pantulan kontak relai mekanis dan timbulnya interferensi elektromagnetik (EMI).

Papan Kontrol dan Antarmuka Nirkabel

Papan kontrol dan sirkuit antarmuka nirkabel berfungsi untuk kamera bel pintu seperti halnya untuk kamera nirkabel. Komponen perlindungan yang direkomendasikan untuk sirkuit ini di kamera nirkabel akan berlaku untuk sirkuit yang sama di kamera bel pintu.

Pandemi COVID-19 Mempengaruhi Desain Kamera Keamanan

Beberapa produsen kamera keamanan sedang beradaptasi dengan kehidupan "normal baru" akibat pandemi COVID-19. Mereka menambahkan teknologi penginderaan termal inframerah ke kamera sehingga suhu pengunjung rumah atau bisnis dapat dipantau secara terpisah. Pengukuran suhu bisa menjadi fitur standar dalam sistem keamanan rumah pintar di masa depan. Saat kamera keamanan menjadi semakin canggih untuk menyertakan aspek keselamatan kesehatan ini, menggabungkan perlindungan sirkuit yang tepat membantu mengembangkan perangkat yang lebih andal dan tangguh.

Gambar 9. Kamera keamanan menambahkan pemindaian termal untuk memantau suhu tubuh pasca COVID-19

Standar yang Berlaku untuk Kamera Keamanan Rumah

Dua standar keselamatan, yang ditunjukkan pada Tabel 1, menetapkan persyaratan untuk peralatan teknologi komunikasi audio/video dan untuk baterai seperti baterai lithium. IEC 62368-1 membahas persyaratan keselamatan untuk peralatan pengawasan; dan, standar kedua, IEC 62311-2, menentukan persyaratan untuk memastikan keamanan sel litium dan baterai. Perakitan dan pengoperasian baterai lithium yang tidak benar dapat menyebabkan potensi kebakaran; dengan demikian, pemantauan jenis baterai ini sangat penting. Kegagalan untuk mematuhi standar ini akan mengakibatkan pekerjaan desain ulang dan pengajuan kedua untuk sertifikasi ke badan standar. Biaya proyek akan meningkat dan pengenalan produk dapat tertunda.

Tabel 1. Standar Keamanan untuk produk dengan kamera pengintai

Nilai dalam Perlindungan

Dengan menyertakan komponen perlindungan dan penginderaan sebagai tujuan desain dan memasukkan kepatuhan standar di awal proyek, Anda dapat mengembangkan sistem keamanan rumah pintar yang tangguh dan andal dengan hemat biaya. Tentu saja, desain Anda selalu merupakan trade-off antara kinerja dan total biaya kepemilikan. Sementara beberapa teknologi mungkin lebih mahal daripada yang lain, faktor tambahan mungkin menunjukkan bahwa total biaya kepemilikan terendah memerlukan teknologi komponen biaya yang lebih tinggi. Manfaatkan keahlian teknik pabrikan komponen saat memilih komponen proteksi, kontrol, dan sensor. Menggunakan vendor tepercaya menghemat waktu dan sumber daya Anda.

Keandalan dan efisiensi meningkatkan reputasi sistem keamanan rumah pintar Anda. Reputasi untuk kualitas tinggi dapat menghasilkan pertumbuhan pangsa pasar dan pertumbuhan pendapatan. Itu mengarah pada peningkatan profitabilitas.

Untuk informasi lebih lanjut tentang perlindungan sirkuit, perangkat penginderaan, dan kriteria pemilihan komponen, lihat Panduan Pemilihan Perlindungan Sirkuit dan Panduan Pemilihan Produk Sensing milik Littelfuse.

Referensi

1. Pasar Pengawasan Video menurut Sistem. PasardanPasar. April 2020.
2. Spesifikasi Kabel dan Konektor Universal Serial Bus Type-C. Revisi 2.0. Agustus 2019. Forum Pelaksana USB (USB-IF), Inc.
3. Indikator Suhu Digital untuk Kabel USB Tipe-C Panduan Desain dan Pemasangan. Panduan Aplikasi Littelfuse. April 2019.

Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah milik mitra dan belum tentu milik All About Circuits atau penulisnya.