Blog 9: Hardware beveiligen

Jan-Jelle Huizinga is een enthousiaste techneut en oud-student van Hogeschool Dirksen. Hij laat een nieuw huis bouwen. In zijn blog vertelt hij hoe hij zelf de domotica-installatie voor de ledverlichting voor de nieuwbouw maakt.
We hebben zojuist nog bij het huis gekeken en de dakpannen liggen erop! Prognose van de oplevering is mei 2020, dus het loopt wel iets meer uit dan gehoopt. Ondertussen zijn we in blijde verwachting van een derde kindje dat, als alles goed gaat, in april komt. Al met al is de timing niet eens zo slecht.

Welke hardware beveiligingen kun je toepassen op elektrische systemen?
Prototypen, hardware, ethernet, protocol. Er zijn al aardig wat onderwerpen de revue gepasseerd. Wat nog op de agenda staat is hardware beveiligingen, software risico's, printplaat-ontwerp en assemblage en de integratie van het geheel. In deze blog gaan we in op de hardware beveiligingen.

Beveiligingen in een elektrisch systeem
In een elektrisch systeem, of eigenlijk elk systeem, zijn beveiligingen best wel basaal. Vaak zijn ze technisch eenvoudig, maar toch worden ze nog wel eens over het hoofd gezien. Er zijn meerdere aspecten waar beveiligingen op toegepast moeten worden en er zijn ook meerdere manieren om deze aspecten te beveiligen.

Toch is het makkelijk om, zodra een engineer in een stuk detail engineering zit met complexe onderdelen, de beveiligingen te vergeten of te onderschatten. Men denkt: ‘dat doen we achteraf wel even.’

Welke beveiligingen pas ik toe?
Binnen het domoticasysteem waar deze blog over gaat, pas ik op een aantal vlakken beveiligingen toe:

  • Galvanische scheiding
  • Overstroom
  • Overspanning

Galvanische scheiding beveiligen
Voor de consequente lezer van mijn blogs is dit onderwerp bekend. Galvanische scheiding is uitvoerig besproken in blog 5 dus voor de details hiervan is het beter om onderaan dit blog even terug te zoeken naar dat hoofdstuk. In een notendop is galvanische scheiding het scheiden van 2 elektrische circuits, zodat er bij problemen in het ene circuit geen overbelasting kan plaatsvinden in het andere circuit. Galvanische scheiding wordt op meerdere vlakken toegepast binnen het domotica-systeem, namelijk:

  • in het voedingscircuit
  • op het relais uitgang
  • op de I/O van de microcontroller m.b.v. opto-couplers

Het voedingscircuit bestaat uit een DC/DC-converter, die de ingangsspanning van 12VDC omzet naar 5VDC. Deze converter heeft een isolatiescheiding tussen de 2 spanningen van 1000VDC, dus dan is er wel wat ruimte voor problemen.

Het relais uitgang en de opto-couplers zijn uitgebreid toegelicht in blog 5. 

Overstroom beveiliging
Beveiliging op overstroom is vrij eenvoudig. Meestal zijn overstroombeveiligingen componenten, die in serie staan met het elektrische circuit dat beveiligd moet worden. De stroom door deze componenten is dus net zo hoog als de stroom in het hele circuit. Als er ergens in het circuit een overstroom ontstaat door bijvoorbeeld kortsluiting, dan schakelt het component uit en loopt er geen stroom meer.

De meest voorkomende vorm van deze beveiliging vind je terug in elk huishouden, namelijk de groepenkast. Vroeger waren dit smeltzekeringen, tegenwoordig zijn dit automatische zekeringen.

Het type overstroom beveiliging wat op de printplaat en de uitgangsmodules (dimmer en relais) worden toegepast is een polyfuse. Dit zijn kleine componenten welke op de printplaat gesoldeerd worden en werken op warmte. Als er meer stroom door een component loopt, zal er meer warmteontwikkeling zijn. Als de temperatuur hoog genoeg is, scheiden intern de 2 aansluitingen van de zekering en is het circuit afgeschakeld. Eenvoudig, maar doeltreffend.

Er kleeft wel een nadeel aan dit type zekeringen. Ze zijn niet heel snel en ze zijn niet heel nauwkeurig. Wanneer er een hoge stroom loopt door kortsluiting dan laat deze zekering dit een bepaalde periode door, totdat deze warm genoeg is om af te schakelen. Hoewel deze periode alsnog erg kort zal zijn, 0.5 seconden bijvoorbeeld, kan dit lang genoeg zijn om gevoelige componenten in het circuit erachter kapot te maken. Het afschakelbereik van de zekering is ook niet heel precies. Dit houdt in dat de zekering tussen bijvoorbeeld 1 en 1.4 ampère afschakelt. Ertussen is een grijs gebied. Als een polyfuse is afgeschakeld, dan moet de spanning van de zekering gehaald worden en zal deze weer automatisch resetten. Best handig!

Overspanning beveiligen
Overstroom is een probleem, overspanning is heel iets anders. Overspanning kan eigenlijk alleen maar ontstaan omdat er iets mis gaat met bijvoorbeeld de voedingsspanning of als iets verkeerd wordt aangesloten. Als er een voedingsspanning van 12V wordt toegepast, kan dit immers niet zomaar 20 volt worden. Doordat er een verkeerde voedingsspanning wordt aangesloten, of de voedingsadapter is stuk, kun je dit voorkomen.

Om de printplaat op overspanning te beveiligen, heb ik een zenerdiode toegepast. Een zenerdiode is een diode die aangesloten wordt in sperrichting en bij het bereiken van de zenerspanning deze spanning constant houdt. Je zoekt dus een zenerdiode uit met een zenerspanning naar keuze, in mijn geval een zenerdiode met een zenerspanning van 12VDC. De kathode van de diode wordt aangesloten op de + van de voedingsspanning en de anode van de diode wordt aangesloten op de – van de voedingsspanning. Als de spanning 12V, of gelijk aan 12V is, gebeurt er niks en voegt de diode weinig toe. Zodra de spanning hoger wordt dan 12V, dan zal de diode de spanning stabiliseren door een stroom te laten lopen door de diode en blijft de spanning dus op 12V hangen. Als de spanning echter hoger wordt dan de zenerdiode mag hebben in sperrichting, zal deze opblazen en is er geen beveiliging meer.

Dit zijn de hardware beveiligingen die toegepast zijn in het domotica-systeem. Ik heb nog verder nagedacht over een stuk beveiliging van de software via een Watchdog-chip, wat eigenlijk een combinatie is van software en hardware beveiliging. Hier wil ik de volgende keer iets over vertellen. Hopelijk vonden jullie het weer interessant!

Tot ziens.

Lees ook de eerder verschenen blogs van Jan-Jelle:
Blog 1: Nieuwe resultaten bij ROV SCADA-systeem afstudeerproject
Blog 2: Domotica en waarom ik het graag wil toepassen
Blog 3: Specificaties, prototyping en dimmen van mijn nieuwe ledverlichting
Blog 4: MQTT en de aannemer
Blog 5: Galvanische scheiding, van spartelende kikkerpoten tot brandende ledlampen
Blog 6: Beveiliging van elektronica, randapparatuur, kabels en gebruiksgemak
Blog 7: In-circuit Serial Programming, ofwel ICSP
Blog 8: W5500 ethernet interface en level shifting