Eckdaten

Alarmanlagen sind für eine zuverlässige, vertrauenswürdige Funktion auf professionelle PIR-Sensoren angewiesen. Es kommt deshalb auf die Verwendung von PIR-Sensoren an, die die verschiedenen einschlägigen Vorschriften erfüllen oder möglichst übertreffen.

Meist ist das eigentliche Sensorelement eines PIR-Sensors zusammen mit Hilfsschaltungen auf einer kleinen Leiterplatte montiert. Hinzu kommt eine Fresnel-Linse aus Kunststoff, die in den überwiegenden Anwendungen im äußeren Gehäuse integriert und so konstruiert ist, dass bestimmte Vorgaben wie der Erfassungswinkel in X- und Y-Richtung, das Erfassungsmuster sowie die Reichweite eingehalten werden.

Da diese Sensoren in Tausenden von großen Alarmanlagen zum Einsatz kommen, zählt die Detektierungs-Performance zu ihren zentralen Eigenschaften. Einerseits müssen die Sensoren Bewegungen innerhalb des Erfassungsbereichs sicher erkennen und andererseits Fehlalarme unterdrücken. Erforderlich ist zudem eine Selbsttest-Funktion, die der Anlage eine nicht bestandene Selbstdiagnose des Sensors signalisiert. Sensoren, die nicht die Anforderungen professioneller Sicherheitssysteme erfüllen, bringen nicht nur Unannehmlichkeiten mit sich, sondern können im Fall von Fehlalarmen auch Regressforderungen von Rettungsdiensten zur Folge haben. Zudem kann der Ruf des Sensorherstellers und des Alarmanlagen-Installateurs hierunter leiden. Hinsichtlich der geltenden Vorschriften sind ebenfalls einige Aspekte zu beachten. Zunächst beschreibt der Artikel erst einmal die Funktionsweise des Sensors.

Auf der Oberseite des versiegelten Gehäuses befinden sich zwei rechteckige Schlitze aus einem Material, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Dahinter sind zwei separate, angepasste Infrarotsensor-Elektroden angebracht, von denen eine ein positives und die andere ein negatives Ausgangssignal liefert. Ist kein Objekt zu detektieren, empfangen beide Sensoren die gleiche Menge an Infrarotstrahlung, die vom jeweiligen Raum mit seinen Wänden und so weiter ausgeht. Beide Signale heben sich somit auf, sodass am Ausgang kein Signal anliegt (Bild 1). Sollte beispielsweise ein Mensch oder ein Tier den Erfassungsbereich der Infrarotquelle passieren, erzeugt zunächst die eine und danach die andere Elektrode ein Signal, was die Sensorelektronik dazu veranlasst, den Ausgang auf High-Status zu setzen.

Für Spannungen von 2 V bis 15 VDC

Ein Beispiel für einen solchen PIR-Sensor ist der IRA-S210ST01 von Murata. Dieser Baustein mit drei Anschlüssen kann an Spannungen von +2 V bis +15 VDC betrieben werden und enthält einen JFET. Der rauscharme JFET dient zur Umsetzung der Elektrodenausgänge auf einen besser nutzbaren Logikausgangspegel. 45° beträgt der Erfassungsbereich, also der maximale Winkel, innerhalb dessen beide Elektroden dasselbe Objekt erfassen können. Außerdem zeichnet sich der Sensor durch eine große Unempfindlichkeit gegen externe Einflüsse wie etwa Vibrationen oder Hochfrequenz-Störgrößen aus.

Bild 1. Funktionsprinzip des PIR-Sensors.

Bild 1. Funktionsprinzip des PIR-Sensors. Murata

Entwickler von Alarmanlagen müssen eine Reihe international anerkannter Normen erfüllen, wenn sie ihre Produkte vermarkten wollen. Eine dieser Normen, die EN 50130, bezieht sich speziell auf die Detektierungs-Testkriterien, die das betreffende Sicherheitsprodukt erfüllen muss. In der EN 50131 sind die Kriterien für PIR-Detektoren zusammengefasst. Zu den technisch anspruchsvollsten Tests für PIR-Detektoren gehören die Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) auf Basis der Norm EN 61000. Diese Norm gibt das Maß an HF-Störgrößen und weißem Rauschen an, das unterdrückt werden muss, damit der Sensor in professionellen Sicherheitssystemen eingesetzt werden kann.

Internationale Normen

Die Norm EN 50131-2-2 formuliert viele wichtige Performance-Kriterien wie etwa einen standardisierten Begehversuch mit den genauen mechanischen Abmessungen des beweglichen Objekts sowie den Temperaturen an fünf verschiedenen Punkten des Körpers vom Kopf bis zu den Füßen. Weitere Tests beziehen sich auf die Immunität des Sensors gegen Funktionsfehler sowie eine Reihe von Selbsttests, die der Sensor durchlaufen sollte, um seine korrekte Funktion zu verifizieren. Darin eingeschlossen ist die Erkennung jeglicher Versuche, das Sensorgehäuse zu manipulieren oder darin einzudringen. Zu den Immunitätsprüfungen gehören Pass/Fail-Tests bei Konfrontation des Sensors mit einem erzwungenen heißen Luftstrom, die Unterdrückung einer sichtbaren Lichtquelle und das Ausbleiben der Reaktion auf Licht von Leuchtstoff-Leuchtmitteln oder Kfz-Scheinwerfern.

Auch wenn es nicht zu den Aufgaben des Elektronikentwicklers gehört, ist auch das Design der Linse wichtig. Mithilfe einer Fresnellinse, die das Licht bündelt und den Erfassungsbereich des Sensors vergrößert, lassen sich Detektierungswinkel und Erfassungsmuster auf die Belange der jeweiligen Anwendung abstimmen. Unter anderem ist es möglich, einen großen Erfassungsbereich mithilfe mehrerer Fresnellinsen in verschiedene kleine Bereiche aufzuteilen.

Bild 2. Aufteilung des Erfassungsbereichs in mehrere Teilsegmente.

Bild 2. Aufteilung des Erfassungsbereichs in mehrere Teilsegmente. Murata

Bei einem PIR-basierten Sensordesign sollten Designer auf einen Sensor mit Analogausgang setzen. Dieser bietet die größte Flexibilität beim Design der Verstärkerstufe und bei der Einbindung verschiedener Filter zur Aufbereitung des Signals. Ein Evaluation-Board ist ebenfalls sehr hilfreich beim Erstellen eines Designs, beim Prototyping sowie beim Test vor der endgültigen Freigabe. Für den PIR-Sensor von Murata gibt es das Evaluation-Board IMX-037-80. Das Board enthält eine Verstärkerschaltung mit einer Verstärkung von 80 dB mit einem 1,46-Hz-Tiefpass und einem 0,48-Hz-Hochpass für einen Analogausgang sowie einer Komparatorschaltung zur Bereitstellung eines digitalen Ausgangssignals.