Smart Home

(Bild: Littlefuse)

Immer mehr Heimgeräte werden zu Smart Devices. Damit können Nutzer von den Vorteilen des Internets der Dinge (IoT) profitieren. Dieser Trend findet nicht nur in Privatwohnungen, sondern auch an Arbeitsplätzen und Gebäuden statt. Überall dort hält die IoT-Technologie Einzug mit Produkten in den Bereichen Beleuchtungssteuerung, Umgebungskontrolle, Information und Unterhaltung – für mehr Komfort und Sicherheit.

Solche Smart Devices werden bereits häufig in den aktuellen Haus- und Gebäudeentwürfen berücksichtigt. Alleine der Markt für intelligente Steckdosen nimmt mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von rund 25 Prozent1 zu. Für intelligente Lichtdimmer wird eine jährliche Steigerung von über 15 Prozent2 auf einen Umfang von 15 Millionen Einheiten bis 2024 prognostiziert.

Auch andere Vorrichtungen wie Erdschluss-Schutzschalter (GFCIs), Lichtbogen-Schutzschalter (AFCIs) und USB-Steckdosen werden immer intelligenter. Der Markt für GFCI/AFCI-Komponenten wird auf eine Wachstumsrate von etwa 5 Prozent geschätzt, während der Markt für USB-Steckdosen mit einer Rate von 10 Prozent ansteigt. Weitere Smart Home Devices sind zum Beispiel intelligente Türschlösser, Tür- und Fenstersensorik, Garagentore, Video-Türklingeln, Sicherheitskameras, Rauchmelder, Thermostate, Aufzugssysteme sowie Strom-, Gas- und Wasserzähler.

Doch was macht ein Gerät überhaupt intelligent? Ein Smart Device verfügt über eine elektronische Schaltung, die Steuerung, Systemkoordination und Statusrückmeldung ermöglicht. Das intelligente Gerät lässt sich durch Audio (Sprache), manuelle oder elektronische Steuerung programmieren. Nutzer können aus der Ferne über ein drahtloses Kommunikationsprotokoll wie Mobilfunk, WiFi oder Bluetooth auf ein intelligentes IoT-Gerät zugreifen und dieses steuern. Die Kommunikation mit den Smart Devices funktioniert dabei problemlos über Personal Computer, Tablet, Smartphone oder einen virtuellen Assistenten.

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Hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit

Entwickler müssen dafür sorgen, dass diese neuen intelligenten Geräte sicher und zuverlässig funktionieren. Denn die Verbraucher erwarten eine hohe Ausfallsicherheit. Daher benötigen die Geräte einen Überspannungs- und Überstromschutz, um ihren Betrieb auch dann aufrechtzuerhalten, wenn sie einer Vielzahl von Umweltgefahren wie Blitzüberspannungen, induzierten Stromstößen, elektrostatischen Entladungen und schnellen elektrischen Transienten ausgesetzt werden.

Häufig kommt eine Sicherung für den Überstromschutz zum Einsatz. Die Sicherung unterbricht den Strom, wenn er über einen definierten Zeitraum seinen Nennwert überschreitet. Bei der Auswahl einer Sicherung sind der normale Betriebsstrom, die Anwendungsspannung, die Umgebungstemperatur, die Überstrombedingungen, der maximale Fehlerstrom, der Widerstand und die behördliche Zulassung zu berücksichtigen.

Ein Blitzschlag kann einen induzierten Stromstoß auf der Stromleitung erzeugen, der eine Überspannungstransiente auslöst, die möglicherweise zum Ausfall des Geräts führt. Zum Schutz wählt der Entwickler normalerweise Metalloxid-Varistoren (MOVs) und/oder Dioden zur Unterdrückung von Überspannungen (TVS) aus.

MOVs und TVS sind beide dafür ausgelegt, transiente Stromstöße zu absorbieren. TVS-Dioden haben eine schnellere Ansprechzeit von unter einer Pikosekunde. MOVs können je nach ausgewähltem Bauteil mehr Energie absorbieren. Die richtige Komponentenwahl hängt vom genauen Systemlayout und anderen Komponenten im System ab. Betriebsspannung, Klemmspannung, Überspannungsanforderungen und Komponentenkosten sind dabei zu berücksichtigen.

Der Building and Home Automation Application Guide bietet einen Überblick über die Littelfuse Technologien, welche in verschiedenen Anwendungen der Gebäude- und Heimautomation verwendet werden.

Schutz vor elektrostatischer Entladung

Die Schaltungen sind häufig der äußeren Umgebung einschließlich menschlicher Berührung ausgesetzt. Daher sollten sie vor elektrostatischer Entladung (ESD) geschützt werden. Die Wahl der optimalen Sicherungstechnologie hängt vom Bedrohungsgrad, der Systemarchitektur und dem Formfaktor ab.

Komponenten zur Unterdrückung von ESD schützen sowohl die Wireless-Chipsätze als auch den digitalen Schaltkreis hinter der drahtlosen Schnittstelle. TVS-Diodenarrays und Polymer-ESD-Unterdrücker stellen zwei mögliche Lösungen dar. TVS-Diodenarrays besitzen die Vorteile einer möglichst niedrigen Klemmspannung und einer minimalen Gehäusegröße. Beide Komponenten weisen einen geringen Leckstrom und eine niedrige Kapazität von unter 1 pF auf. Eine typische TVS-Diode für diese Anwendung widersteht +/- 12 kV ESD gemäß der Norm IEC 61000-4-2.

Sowohl TVS-Diodenarrays als auch Polymer-ESD-Unterdrücker haben eine kleine Grundfläche und verbrauchen damit nur wenig Platz auf der Leiterplatte. Sehr wichtig ist, dass diese Bauelemente je nach ausgewählter Komponente bis zu 30 kV aus direktem Kontakt und bis zu 30 kV aus Übertragung durch die Luft gemäß IEC61000-4-2 widerstehen können. Die Polymer-ESD-Bauteile reagieren auf ESD-Spannungen in weniger als einer Nanosekunde, während die TVS-Dioden in weniger als einer Pikosekunde reagieren. Die Polymer-ESD-Bauteile haben eine maximale Grundfläche (Länge der Pads) von 3 mm, während die TVS-Dioden eine maximale Grundfläche von 9 mm aufweisen.

Schutz und Steuerung für Heimgeräte

Viele Heimgeräte beziehen ihre Energie aus dem Stromnetz. Sie benötigen daher einen Schutz der Stromleitung. Zudem ist ESD-Schutz erforderlich, um die Schaltkreise eines manuell gesteuerten Schalters und anderer Kontaktpunkte während der Produktion und Installation abzusichern. Die typischen Möglichkeiten für Überstromschutz, Überspannungsschutz und Leistungssteuerung sind in Abbildung 1 dargestellt.

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Empfohlene Schutz- und Steuerkomponenten am Beispiel intelligenter Lichtdimmer und Steckdosen.
Abbildung 1: Empfohlene Schutz- und Steuerkomponenten am Beispiel intelligenter Lichtdimmer und Steckdosen. (Bild: Littelfuse)

Da diese intelligenten Geräte mit Netzstrom betrieben werden, ist die Einhaltung der entsprechenden UL- oder IEC-Normen erforderlich. Welche spezifische Norm gilt, hängt vom Standort ab, an dem das Gerät eingesetzt werden soll. Die Nichtbeachtung einer Norm kann zu einer verlängerten Produktentwicklungszeit und zusätzlichen Projektkosten führen, wenn eine zuständige Zertifizierungsstelle das Produkt nicht zulässt. Tabelle 1 enthält eine Liste von nationalen und internationalen Normen für diese Art von Produkten.

Der Building and Home Automation Application Guide bietet einen Überblick über die Littelfuse Technologien, welche in verschiedenen Anwendungen der Gebäude- und Heimautomation verwendet werden.

Liste von anwendbaren nationalen und internationalen Normen
Tabelle 1: Liste von anwendbaren nationalen und internationalen Normen (Bild: Littlefuse)

Fazit

Intelligente Heimgeräte benötigen einen Überspannungs- und Überstromschutz, der sie vor Blitzschlag, induzierten Stromstößen, elektrostatischen Entladungen und schnellen elektrischen Transienten absichert. Mit Hilfe geeigneter Komponenten wie Sicherungen, MOVs, TVS-Dioden und ESD-Unterdrücker, aber auch Schottky-Dioden, TRIACs, MOSFETs, Reed-Schalter oder SCRs lässt sich dieser Schutz gewährleisten. Dabei sind nationale und internationale Normen zu beachten, um die jeweilige Zertifizierung zu erreichen. Welche Schutztechnologien für welche Anwendungen geeignet sind, zeigt dieser Leitfaden.

 


1 Global Smart Outlet Report 2019. Industry Research. März 2019.

2 Report on Global Dimmers Market.  Market Research Future. Januar 2020. 


Weitere Informationen: littelfuse.com

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