Vantagens de se substituir reed switches em sensores sem fio de alarme para detecção de abertura e fechamento de portas e janelas por sensores magnéticos da Crocus

 

Introdução

Na maioria dos sensores de sistemas de alarme para detecção de abertura de portas e janelas, um reed switch (chave magnética simples), é usado em conjunto com um ímã permanente para esta função. Quando o sensor em questão é um sensor sem fio, que envia uma mensagem por rádio para uma central de alarmes, a vida útil da bateria que alimenta o sensor é uma das principais preocupações a se ter em mente neste tipo de projeto.

Mesmo sendo relativamente barato e bastante confiável, um reed switch quando usado nesta função, de chave magnética acionada por um ímã, apresenta problemas e desvantagens, tais como a fragilidade mecânica (quebra facilmente), susceptibilidade em gerar falso alarme de abertura ou fechamento por choque mecânico e ainda, por incrível que pareça, por ser um item passivo, apresentar consumo excessivo que reduza a vida útil da bateria.
O consumo não é do reed switch em si, uma vez que é um item passivo e que apresenta resistência em aberto muito alta, e sim do circuito que precisa ser implementado para detectar o estado desta chave. 

Neste breve artigo, será feita uma análise do uso de reed switches como sensor magnético em sistemas de alarme sem fio para detecção de intrusão em portas e janelas, e quais as vantagens de se substituir este dispositivo por sensores magnéticos da Crocus, como os da família CT8XX, em particular o item CT836SK, o mais indicado para esta função.

Reed switches

Reed switches são dispositivos simples, chaves simples ou duplas que são acionadas por campos magnéticos, e que podem ser encontradas em vários formatos, tamanhos, tensão de isolação e capacidade de corrente diferentes. O diagrama de dois reed switches típicos pode ser visto na Fig. 1 a seguir.

Fig. 1 – Diagrama de dois Reed Switches típicos

 

Os reed switches são chaves magnéticas, compostas por uma ampola externa de vidro, preenchida com gás inerte sob pressão, para reduzir o centelhamento ao se abrir e fechar os contatos e aumentar a durabilidade dos contatos, além de evitar a oxidação das lâminas e dos contatos, e que também mantêm a integridade mecânica do componente e o alinhamento correto das lâminas e dos contatos. Têm duas ou mais lâminas de metal em geral magnético, magnetizadas previamente ou não, e que podem ser aproximados ou afastadas quando um campo magnético com intensidade suficiente e na direção apropriada é aplicado ao componente, permitindo assim que estas lâminas se aproximem ou se afastem e que se feche ou se abra o contato presente na ponta das lâminas. Estes contatos são, em geral, de um material condutor  resistente à corrosão e que degradem menos devido ao centelhamento do que o material do qual é composta a lâmina em si, e pode ser um elemento adicional ou apenas a ponta da lâmina banhada neste material mais resistente, em geral ligas de metais nobres, como Rh, Ru, Ir, ou W.

Os reed switches são ainda hoje o principal sensor usado para detectar a presença de campo magnético em sensores de sistemas de alarmes residenciais ou comerciais que detectam a intrusão por abertura de portas ou janelas. O princípio de operação deste tipo de sensor pode ser visto na imagem da Fig. 2, a seguir.

 
Fig. 2 – Diagrama de funcionamento de um reed switch como sensor de campo magnético

Neste tipo de sensor, o ímã permanente é normalmente fixado à porta ou à janela a ser monitorada, o sensor em si é fixado ao umbral da porta ou da janela, alinhado ao sensor como mostrado na imagem da Fig. 2. 
Quando a porta ou janela está fechada, o ímã fica próximo o suficiente do sensor para que o contato do reed switch se feche, indicando assim para o sensor que a porta está fechada. Ao se abrir a porta ou a janela, o ímã se afasta do reed switch o suficiente para que o campo magnético não seja mais suficiente para manter o contato fechado, e o contato entre as lâminas do reed switch se abre, sinalizando assim para o sensor que a porta ou janela está aberta.

O mecanismo de funcionamento é simples, mas o sistema usando o reed switch apresenta alguns problemas e desvantagens, mencionados a seguir.

1) A fragilidade mecânica do reed switch. Por ser de vidro, o reed switch quebra, e é bem fácil quebrar um reed switch de vidro normal. Para mitigar este problema, existem reed switches disponíveis com uma cobertura plástica revestindo o vidro, e assim melhorando a resistência mecânica do componente.

2) Quando a chave fecha, normalmente há o efeito de bounce ou repique, onde as lâminas, ao se tocarem, abrem e fecham rapidamente várias vezes antes de fecharem definitivamente. Este efeito tem que ser “corrigido” por software, em geral aguardando algumas dezenas ou centenas de milissegundos antes de amostrar novamente o sinal, para garantir que a chave realmente está fechada. O uso de ímãs com maior campo magnético podem ser usados para reduzir o tempo de repique, mas isso aumenta o custo total do sistema, por exigir ímãs maiores ou de material mais caro.

3) Variações bruscas e grandes de temperatura podem romper a ampola de vidro.

4) O tempo de abertura e fechamento da chave é relativamente grande, e varia de dispositivo para dispositivo (mesmo que pouco). Para aplicação como sensor de abertura de portas ou janelas, esta desvantagem não afeta significativamente o uso destes dispositivos para esta aplicação. Principalmente para reed switches de usados nestes equipamentos, que são pequenos.

5) Todo reed switch tem uma frequência de ressonância. Ou seja, se for vibrado fisicamente na frequência de ressonância, passa a abrir e fechar nesta frequência ao se abrir e fechar os contatos nesta frequência. Para este tipo de aplicação, esta característica não é, em geral, um problema.

6) Todo reed switch é sensível a vibração mecânica. Ou seja, quando aberto ou fechado, se submetido a um choque mecânico grande, pode mudar de estado. No caso, ao se submeter o sensor a um choque mecânico, o sensor pode mudar de estado mesmo sem alteração no campo magnético ao qual está submetido.

7) Variação de característica entre itens do mesmo tipo e mesmo do mesmo lote. Por ser um componente mecânico, é possível observar variação na intensidade magnética que permite a abertura ou fechamento do reed switch. Com isso, devido à esta grande tolerância de campo entre componentes diferentes, mesmo do mesmo lote, a distância entre o sensor e o ímã deve ser pequena o suficiente para garantir que mesmo os reed switches de menor sensibilidade sejam acionados pelo campo magnético do ímã, reduzindo assim a distância de instalação entre o ímã e o sensor.

8) Mesmo para correntes baixas, os reed switches tem vida útil em termos de número de aberturas e fechamentos. O valor é em geral alto (> 108 vezes para a maioria dos componentes) e também não afeta este tipo de aplicação.
Mas os reed switches também apresentam vantagens quando usados como sensores magnéticos, se comparados com outros tipos de sensores magnéticos disponíveis no mercado, tais como não precisar de energia para funcionar (Não precisa ser alimentado e portanto não tem consumo de corrente quando desativado), apresenta impedância muito alta quando aberto (> 1010 Ω) e muito baixa quando fechado (Em geral, na ordem de alguns poucos mΩ para dispositivos maiores, e de dezenas de mΩ para itens fisicamente menores). Tem também capacidade alta de condução de corrente (Em geral, da ordem de centenas de mA até alguns amperes para itens fisicamente maiores) e tensão de operação elevada (Em geral, > 100 V, mesmo para dispositivos fisicamente pequenos).

Em sensores de abertura de porta ou janelas sem fio, por ser um item passivo, o reed switch deve fazer parte de um circuito com pelo menos um resistor a mais para permitir polarizar a saída para um valor alto quando a chave estiver aberta e, ao ser fechada, apresentar um valor baixo. O circuito tipicamente utilizado é mostrado na figura Fig. 3 a seguir.

 
Fig. 3 – Circuito típico de um sensor magnético utilizando um reed switch

Neste tipo de circuito, o resistor usado, R3 na figura acima, deve ter o maior valor possível, pois como em uma aplicação típica deste tipo de sensor a porta ou janela fica fechada a maior parte do tempo, a corrente circulará de VCC (+5V, na figura acima) passando pelo resistor (R3), ou seja, com o reed switch fechado (Condição do reed switch quando a porta ou janela está fechada e o ímã está próximo do reed switch). O valor do resistor deve ser o mais alto possível, mas deve ser suficiente para que, na entrada do controlador do sistema o sinal seja reconhecido como nível lógico alto. Este valor, na maior parte dos circuitos, é acima de 1 MΩ, sendo em alguns casos de 10 MΩ, pois valores acima de 10  MΩ corre-se o risco de o processador do sistema não reconhecer o sinal de entrada, de forma consistente, como estando em nível lógico 1, e portanto, apresentar falsos eventos.
Considerando o sistema acima, como, em geral, na maior parte do tempo a porta ou janela deve ficar fechada, e considerando uma alimentação de 3.3V ou menos, para um resistor de 10  MΩ de pull-up, a corrente média que irá ser drenada da bateria será de 330 nA (3.3V/107). Uma corrente baixa, mas que possivelmente vai ser o maior consumo constante da bateria no sistema.

Quando a porta ou janela for aberta, o reed switch é aberto e este consumo deixa de existir, a menos que a porta de entrada do controlador usado drene nesta condição alguma corrente para nível lógico de entrada alto.

Sensores magnéticos da Crocus

A Crocus Tecnology, empresa inovadora que desenvolve e fabrica sensores magnéticos de diversos tipos, tem seus sensores baseados na tecnologia TMR (Tunnel Magneto-Resistance), uma tecnologia que permite, com baixo consumo de corrente, medir o campo magnético que atravessa o sensor e converter este campo magnético, de forma bastante linear, em uma tensão de saída, e tem uma linha completa de sensores magnéticos, com saída analógica ou digital, e que permite detectar com precisão o campo magnético incidente, com ou sem polarização, e com opções com saída analógica ou digital.

O princípio de operação de um sensor de campo magnético do tipo TMR é quântico, e pode ser visto na figura Fig. 4 a seguir.

 
Fig. 4 – Princípio de operação de um sensor magnético TMR

No sensor, uma camada de material magnético já com orientação magnética definida, a camada superior, é sobreposta a uma camada de material magnético não magnetizado que servirá como sensor, e cuja orientação magnética pode ser alterada por um campo externo, e estas duas camadas são separadas por uma camada isolante muito fina (De poucos átomos de material isolante). De acordo com a intensidade e direção do campo magnético aplicado sobre o sensor, a resistência à passagem da corrente elétrica que atravessa o sensor completo será alterada, podendo esta variação na corrente chegar a 70%.

Baseado no sensor descrito brevemente acima, a Crocus criou uma célula chamada MLU™ (Magnetic Logic Unit™) que é capaz de converter o campo magnético aplicado em uma tensão de saída diretamente. Dependendo do produto no qual será aplicado, a MLU™ pode ser implementada para diferenciar a direção do campo magnético ou não.

Na família CT8xx da Crocus, o diagrama de bloco completo do sensor pode ser visto na figura Fig. 5 a seguir. O circuito completo é composto por uma MLU™, um front-end analógico, que amplifica a diferença de tensão gerada pela MLU, e uma máquina de estados, que analisa a saída do front-end analógico e decide se o campo magnético presente é suficiente ou não para acionar a saída, e finalmente um driver de saída, que vai atuar no pino de saída, gerando ou uma saída do tipo push-pull (Que sempre estará ativa, acionando com 0 ou 1 a saída) ou do tipo open-drain, onde a saída apenas é acionada quando for para nível lógico “0”, neste caso conectando o pino de saída ao GND, mas se o nível de saída for “1”, a saída é deixada em aberto, devendo, neste caso, o circuito externo ao sensor prover um resistor externo de pull-up para gerar o nível de saída de tensão correto.

 
Fig. 4 – Diagrama de blocos de um sensor magnético Crocus da linha CT8xx

A forma típica de se ligar este componente é apresentado na figura Fig. 5 a seguir. As conexões necessárias são muito simples, como pode ser visto no diagrama apresentado a seguir. Uma alteração que pode ser feito neste diagrama, para permitir que o sistema possa trabalhar corretamente sob condições de baixa carga na bateria, pode-se, no diagrama abaixo, inserir um diodo de baixa corrente de fuga e baixa corrente entre a bateria e VCC do CT8xx e aumentar o valor do capacitor de 1 uF para 10 uF.

 

Fig. 5 – Diagrama de ligação do sensor CT836SX

Da linha CT8xx da Crocus, o sensor mais indicado para esta aplicação é o CT836SK, pelas seguintes características:

    Tensão de operação mínima : 2.4V
    Consumo de corrente média típica : 230 nA
    Limiares de campo magnético de acionamento e abertura : BOP ±0.9 mT, BRP ±0.5 mT e BHYST  0.4 mT
    Encapsulamento : SOT-23 ou LGA 4 pinos, ambas dimensionalmente muito pequenas
    Saída digital tipo push-pull
    Taxa de amostragem : 10 Hz (100 ms entre duas amostras sucessivas)

Outro ponto interessante dos sensores da Crocus é a implementação de uma curva de histerese na abertura e fechamento da chave. Como pode ser visto acima, o limiar de acionamento da chave (Saída passando de “1” a “0”) típico é de ±0.9 mT e o limiar de abertura da chave (Saída passando de “0” a “1”) típico é de ±0.5 mT, ou seja, existe uma diferença de 0.4 mT entre o campo necessário para acionar e desligar o sensor. Esta diferença pode ser vista na Fig. 6 a seguir. A principal vantagem desta curva de histerese é que o sensor não gera “repique” ao abrir e fechar, e principalmente, permite que o sensor se afaste mais do ímã antes de sinalizar a abertura da porta ou janela, e exige que o sensor se aproxime mais do ímã para sinalizar que a porta ou janela foi fechada.

 Fig. 5 – Diagrama de ligação do sensor CT836SX

Vantagens do uso de um sensor da Crocus substituindo um reed switch

As principais vantagens do uso de um sensor Crocus como substituto de um reed switch tradicional são:

1) Maior robustez mecânica. Por ser fisicamente menor e não ter partes de vidro, e sim de plástico como qualquer componente tradicional, os sensores da Crocus não tem o mesmo problema de fragilidade mecânica de uma ampola de reed switch.

2) Imune a vibração. Diferentemente de um reed switch tradicional, o sensor da Crocus não sofre efeitos de vibração mecânica que sofre um reed switch. Não alterará o valor da sua saída caso sofra vibração mecânica.

3) Menor consumo de potência do que o reed switch. Mesmo usando resistores de pull-up de valor tão alto quanto 10 MΩ, valor comumente usado, drena da bateria 330 nA para uma bateria nova, enquanto a solução da Crocus, o BT836 drena, tipicamente, 230 nA, valor 30% inferior ao do consumo do reed switch.

4) Maior confiabilidade. Por ser implementada em silício, a solução da Crocus é feita em um dispositivo em estado sólido, mais confiável do que um reed switch, que apresenta partes móveis mecânicas (as duas lâminas), e não apresenta também nenhuma restrição em relação ao número de aberturas e fechamentos, como acontece com o reed switch.

5) Maior sensibilidade. Em relação a um sensor usando reed switch, a solução da Crocus apresenta uma sensibilidade, em termos de distância de um mesmo magneto em relação aos dois sensores, de 20 a 40% maior, permitindo uma separação maior entre o ímã e o sensor para que o sensor mude de estado. Por ter maior sensibilidade, permite a correta operação do sensor mesmo com um desalinhamento entre o ímã e o sensor que faria com que, para um sensor baseado em reed switch, o sistema não funcionasse corretamente, já o sensor magnético da Crocus não afeta o funcionamento.

6) Redução do consumo de bateria por parte do processador, por não apresentar o problema de repique existente no reed switch. Por implementar um sistema de histerese, o sensor da Crocus é intrinsecamente imune a repique, e portanto, ao detectar a variação na entrada do sensor, o processador não precisa gastar tempo para filtrar qualquer repique, e sim, atuar imediatamente de acordo com a mudança do estado do sensor.

7) Maior facilidade de montagem e uso de menor área em placa. Por ser fisicamente menor que um reed switch, e ser um componente SMD padrão (SOT-23 ou LGA de 4 pinos), pode ser montado na placa sem necessitar qualquer cuidado adicional e ocupando uma área em placa menor que a de um reed switch tradicional, permitindo a implementação de soluções fisicamente menores e mais leves.

8) Em termos de custo, mesmo em uma comparação direta de custo, a solução da Crocus é competitiva quando comparada à solução tradicional com reed switch, e se as vantagens acima forem levadas em conta, se torna realmente muito competitiva.
9) Longevidade da solução. Uma tendência que tem sido observada no mercado é a redução do número de empresas que fornecem solução de reed switch. O principal motivo para esta redução é a dificuldade de produção em larga escala deste tipo de produto e o custo desta produção.

Conclusão

Como pôde ser visto na análise acima, a substituição de reed switches por sensores magnéticos da Crocus, como os da família CT8xx e em particular pelo CT836SK, apresenta uma série de vantagens interessantes em circuitos sensores de intrusão de portas e janelas sem fio, como maior vida útil da bateria, aumentando assim a vida útil da bateria no sensor, maior robustez mecânica, maior sensibilidade, além de ter hoje custo inferior ao dos reed switches.

Links e referências:

Reed switch : https://en.wikipedia.org/wiki/Reed_switch

Reed switch FAQ : https://www.reed-sensor.com/general-reed-switch-faq/

Página da Crocus Technology :  https://crocus-technology.com/

Tunel Magnetoresistance principle : https://en.wikipedia.org/wiki/Tunnel_magnetoresistance

Digital TMR Latch : https://crocus-technology.com/digital-tmr-latch/

CT832BV data sheet : https://crocus-technology.com/wp-content/uploads/2018/11/CT83x-Datasheet-v1.0.pdf