Das Themen-Magazin für Entwickler...logie bekannter wird und dass die Entwicklung neuer Produkte...

2 elektronik journal 01 / 2020

www.all-electronics.de


Das Themen-Magazin für Entwickler

POWEREnergie ohne Batterie:

Energy Harvesting versorgt

IoT-Geräte 14

BOARDS + DISPLAYSIn 13 Schritten zum

passen den Display:

Kriterien für die Auswahl 22

BAUELEMENTEDie Qual der Wahl:

Embedded-Speicher von der

SD-Karte bis zum FRAM 28

PassiveCPU-Kühlkörper 8

EMBEDDEDSYSTEME PERFEKT GEKÜHLT

Februar 2020

EMBEDDED + WIRELESS

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Editorial

EDITORIAL

IoT für alle

Was früher Fernüberwachung,

externer Sensor etc. hieß, ist

jetzt zu einem sehr preiswer-

ten Teil des IoTs geworden. Neben den

Halbleitern trugen zu einem ganz ent-

scheidenden Teil die Entwicklungskits

und Tools dazu bei, denn sie senkten die

Einstiegshürde in die Thematik drastisch.

Auf der CES 2020 zeigte sich überdeutlich,

wie sehr das IoT auch in den persönlichen

Bereich weit jenseits des Handys vorge-

drungen ist. Per infoDIREKT 150ae0120

finden Sie auf all-electronics.de Beispiele,

welche praktischen und skurrilen (Con-

sumer-)Produkte 2020 angekündigt wur-

den. Zwar braucht die Menschheit längst

nicht jedes dieser Produkte, aber für ein

von Chefredakteur Alfred Vollmer

[email protected]

Besuchen Sie Mouser auf der embedded world

25.-27. Februar 2020

Nürnberg

Halle 3A, Stand 111

weder so viele Dev-Kits noch eine derar-

tige Fülle von Software, Algorithmen und

Lösungsideen. Nicht nur darauf aufbauend

präsentieren wir Ihnen mit dieser Ausga-

be viele Lösungsansätze für Ihr professi-

onelles IoT-Design.

Kann sich der Planet

das IoT leisten?Renesas

14

paar herzhafte Lacher können sie schon

sorgen – bei weitem nicht nur bei Nerds.

In der professionellen Elektronik profitie-

ren wir auch von diesem Consumer-Boom,

obwohl die Anforderungen im diesem

Umfeld erheblich anspruchsvoller sind als

in dem oft als Jux-Elektronik belächelten

hochvolumigen Endkundenmarkt. Nur für

die professionellen Entwickler gäbe es wohl

4 elektronik journal 01/2020

Februar 2020


MÄRKTE + TECHNOLOGIEN

06 News und Meldungen

COVERSTORY

08 Passive CPU-Kühlkörper

Leistungsfähige Embedded-Systeme

perfekt gekühlt

ELEKTROMECHANIK

12 In neue Technologien investieren

Harting: Zukunftssichere Connectivity

für Industrie und IT

13 Highlights

W+P Products, Rafi

POWER

14 Kann sich der Planet das Internet

der Dinge leisten?

Energie ohne Batterie: Energy Harvesting

versorgt Milliarden IoT-Geräte

18 Stromversorgung in digitalen

Zeiten

Mit LED-Treibern Illuminationswendun-

gen im IoT umsetzen

19 Highlights

Maxim Integrated, Recom

BOARDS + DISPLAYS

22 In 13 Schritten zum passenden

Display

Kriterien für die Display-Auswahl

26 Highlights

Comp-Mall, Schurter, Fortec Elektronik,

Kontron

BAUELEMENTE

28 Die Qual der Wahl

Embedded Speicher: Von der SD-Karte

bis zum FRAM

32 Maschinengeräusche richtig

verstehen

Schall- und Vibrationsanalyse: KI

verlängert die Anlagenverfügbarkeit

36 Gassensor für Sicherheit und

Umweltschutz

Treibhausgase in Kühlanlagen gemäß

EU-Verordung messen

38 Nicht zu groß, nicht zu klein

Drucksensoren in der Pneumatik

anwendungsbezogen auswählen

41 Highlights

Framos, Sensirion

08





POWEREnergie ohne Batterie:

Energy Harvesting versorgt

IoT-Geräte 14

BOARDS + DISPLAYSIn 13 Schritten zum

passen den Display:

Kriterien für die Auswahl 22

BAUELEMENTEDie Qual der Wahl:

Embedded-Speicher von der

SD-Karte bis zum FRAM 28

PassiveCPU-Kühlkörper 8

EMBEDDEDSYSTEME PERFEKT GEKÜHLT

Februar 2020

EMBEDDED + WIRELESS

Titelseite gesponsert

von CTX

Perfekt kombiniert:

Ergänzend zum gedruckten Heft finden

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auf unserem Online-Portal. Dort erhal-

ten Sie durch Eingabe der infoDIREKT-

Nummer teilweise auch ausführlichere

Versionen der Beiträge.

www.all-electronics.as

Februar 2020

WIRELESS

42 Mobilfunk im Wandel

5G: Wann und wie wird die Leistungsfä-

higkeit der Technologie spürbar?

46 Flickenteppich Stromnetze

Ein Smart Grid muss interoperabel

zwischen Stromnetzen agieren können

RUBRIKEN

03 Editorial

IoT für alle

50 Impressum

50 Verzeichnisse

Inserenten-/Personen-/

Unternehmensverzeichnis

22 32

MACHEN SIE SICH EIN BILD VON UNS...

25. - 27.02.2020

Embedded WorldHalle 5, Stand 467

20. - 24.04.2020

Hannover MesseHalle 9, Stand 620

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www.all-electronics.de6 elektronik journal 01/2020

Märkte + Technologien Meldungen

Speicher und Security-ModuleSwissbit eröffnet Elektronikfertigung in Berlin-Marzahn

Internet der DingeST Microelectronics ergänzt das Board der Zigbee AllianceST Microelectronics ist dem Board of Directors

der Zigbee Alliance, die offene globale Stan-

dards für das Internet der Dinge entwickelt, bei-

getreten. Das Unternehmen möchte durch seine

Mitgliedschaft erreichen, dass die neue Techno-

logie bekannter wird und dass die Entwicklung

neuer Produkte mit verbesserter Interoperabili-

tät und technologieübergreifender Kompatibili-

tät beschleunigt wird. Der Lieferant von ARM-

Cortex-M -ICs hat sich in seiner 2,4-GHz-Pro-

dukt-Roadmap dazu bekannt, die Zigbee-Tech-

nologie weiterzuverbreiten.

ST Microelectronics ist dem Board der Zigbee

Alliance beigetreten.

Arrow und Microchip haben zusam-

men die Ende-zu-Ende-Plattform

Shield 96 entwickelt.

Swissbit startet eine neue Elektronikfertigung

in Berlin.

Bild

: Zig

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Bild: Arrow

IR-Ultra-Wideband-TechnologieQorvo übernimmt Decaware

Qorvo, Anbieter von HF-Lösungen, hat die Über-

nahme des Fabless-Halbleiterunternehmens De-

cawave für 400 Millionen US-Dollar angekündigt.

Von der Übernahme verspricht sich Decawave ei-

ne breitere Marktdurchdringung seiner IR-UWB-

Technologie (Ultra Wideband). Die Technologie

basiert auf einem aufkommenden IEEE-Standard

und ermöglicht eine präzise Ortung. Derzeit

kommt IR-UWB bereits in Smartphones und Au-

tos und in mehr als 40 anderen Systemen zum

Einsatz. Ihre Stärken liegen in der präzisen Or-

tung in Gebäuden und einer sicheren Kommuni-

kation. Zudem bietet die Technologie von Deca-

wave kontextbezogene Benutzeroberflächen

und fortschrittliche Analysen. Die nächsten Ziele

bei der Etablierung der Technologie sollen weite-

re Beiträge zum IEEE, dem Car Connectivity Fo-

rum, der FiRa und der UWB-Allianz sein, um PHYs

und Protokolle der nächsten Generation zu defi-

nieren. Dies soll die Interoperabilität zwischen

den Anwendungen unterstützen. B

ild: S

wiss

bit

Edge-IoT-SicherheitArrow Electronics und Microchip kooperieren

Swissbit, Spezialist für die Speicherung und

Schutz von Daten in Industrieanwendungen

und im Internet der Dinge, hat eine neue Elek-

tronikfertigung am Standort Berlin-Marzahn

eröffnet. Seit 2002 produziert das Unterneh-

men in Deutschland, nun stärkt es seine Bin-

dung an den Standort Berlin und verdreifacht

mit der neuen Fertigung seine Produktionska-

pazitäten für hochintegrierte Elektronikmodu-

le. In der neuen Fabrik fährt das Unternehmen

auf knapp 2600 m2 Produktionsfläche die Fer-

tigung von industrietauglichen Speicher- und

Security-Modulen hoch. Mit der neuesten Ge-

neration von Flash-Speichern wie auch mit Se-

curity-Produkten für Embedded-IoT-Lösungen

wie Speichermodulen mit integrierten Chips

für Authentifizierung und Datenverschlüsse-

lung bedient Swissbit Wachstumsmärkte.

Nach Einschätzung des Unternehmens wird

die zunehmende Vernetzung von Geräten im

Internet der Dinge die Anforderungen an den

Schutz von Daten und Geräten und damit die

Nachfrage nach intelligenten Security-Pro-

dukten für Embedded-IoT-Lösungen massiv

steigern. Ein Anwendungsgebiet der neuen

Lösung ist die Fälschungssicherheit von Regis-

trierkassenaufzeichnungen, die in Deutsch-

land ab diesem Jahr Pflicht ist.

infoDIREKT 165ae0120

Microchip und Arrow Electronics arbeiten im

Bereich Engineering Services zusammen. Arrow

wird das Portfolio von Microchip mit diversen

Engineering-Services ergänzen, was OEMs die

Möglichkeit bietet, ihre Markteinführungszeit

künftig maßgeblich zu verkürzen und aktuelle

IoT-Sicherheitsrichtlinien zu erfüllen. Das Port-

folio an Sicherheitslösungen von Microchip um-

fasst etwa sichere Kommunikation, Krypto-Au-

thentisierung und Zertifikatsmanagement. Die

erste sichere Ende-zu-Ende-Plattform, die aus

dieser Zusammenarbeit entstand, ist Shield96.

Diese Plattform ermöglicht es Entwicklern, die

erforderliche Sicherheitsbasis direkt in das Refe-

renzdesign zu integrieren. Bei dem Shield96-

Board handelt es sich um eine Linux-Plattform,

die mit der integrierten Security-Suite Emspark

von Sequitur Labs ausgestattet ist, um sicher-

heitskritische Anwendungen wie IoT-Edge-Ge-

räte zuverlässig zu schützen. Das mit einem Pro-

zessor des Typs SAMA5D2-SiP von Microchip be-

stückte Shield96-Board nutzt hardwarebasierte

Sicherheit wie Trustzone-Architektur, Manipula-

tionserkennung oder Secure Boot.


Dynamic Application SecuritySynopsys erwirbt Tinfoil

Synopsys hat Tinfoil Se-

curity, einen Anbieter

von Sicherheitstestlö-

sungen für dynamische

Anwendungen (Dynamic

Application Security Tes-

ting, DAST) übernom-

men. Die Web-Scan-Lö-

sung von Tinfoil ist eine

DAST-Technology, die

Schwachstellen in Web-

Anwendungen identifi-

ziert und eng in die

Workflows von Dev Ops

integriert ist. Der API-Scanner erkennt Schwach-

stellen in APIs, einschließlich der mit dem Web

verbundenen Geräte wie mobilen Backend-Ser-

vern und IoT-Geräten. Die Synopsys-Software In-

tegrity Group will Entwickler dabei unterstützen,

sichere Software zu entwickeln und dabei die Ge-

schwindigkeit und Produktivität zu erhöhen.

Bild

: Syn

opsy

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Synopsys kauft Tinfoil.

Hier: Synopsys-Co-CEO

Dr. Chi-Foon Chan.

infoDIREKT 167ae0120 infoDIREKT 159ae0120 infoDIREKT 801ejl0120

Märkte + Technologien Meldungen

elektronik journal 01/2020 7www.all-electronics.de

AkquiseAltair erwirbt das Hf-Unter-nehmen New FasantDer Anbieter von Software- und Cloud-Lösun-

gen Altair übernimmt den Hochfrequenz-Spezi-

alisten New Fasant. Das Spin-off der Universität

von Alcalá in der Nähe von Madrid bietet Lösun-

gen im Antennendesign, bei ADAS und V2V so-

wie bei Infrarot-Signaturen. Das Software-Port-

folio von New Fasant umfasst Lösungen für

Hochfrequenzanwendungen. Das Unterneh-

men soll es Altair ermöglichen, neue Lösungen

in den Bereichen V2V, Doppler-Effekt, Radom-

Analyse, bei periodischen Strukturen und Re-

flector Arrays zu offerieren. Die Technologie

von Altair soll Anwendungen in den Bereichen

Internet of Things, Mobilfunknetze, Mobiltele-

fone, V2V, Radar und Funk unterstützen.

SicherheitslösungenWind River erwirbt Star Lab

Cloud-TechnologiePhoenix Contact bündelt Smart-Services-Geschäft in Berlin

Wind River akquiriert Star Lab.

Phoenix Contact

bündelt sein Ge-

schäft mit Smart

Services in einer

Tochtergesell-

schaft.

Altair übernimmt New Fasant.

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: Win

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Prüf- und ZertifizierungsdienstleistungenElement Materials Technology kauft Pctest

Element er-

wirbt Pctest.

Im Bild: CEO

Charles Noall.

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Die Phoenix-Contact-Gruppe bündelt ihr digi-

tales Service-Portfolio in der neuen Tochterge-

sellschaft Phoenix Contact Smart Business in

Berlin. Die Gruppe fasst dort alle Aktivitäten

rund um Cloud-Technologie und Data Analytics

sowie Software-Services zusammen. In der

neuen Gesellschaft geht das vormalige Berliner

Start-up Smart B Energy Management auf, an

dem sich die Corporate-Venture-Capital-Gesell-

schaft von Phoenix Contact 2017 beteiligt und

zuletzt 100 Prozent besessen hatte. Aus dem

Geschäftsbereich IMA (Industry Management

and Automation) mit Sitz in Bad Pyrmont verla-

gert das Unternehmen alle Geschäftstätigkei-

ten rund um die Cloudtechnologien in die neue

Gesellschaft. Phoenix Contact Smart Business

wird für die gesamte Unternehmensgruppe

Softwaredienstleistungen im Bereich Entwick-

lung, Betrieb und Vertrieb anbieten – Soft-

ware-as-a-Service. Die Tochtergesellschaft soll

ein Team von 22 Mitarbeitenden haben und als

Data Science-Center of Competence für die

Phoenix-Contact-Gruppe agieren. Geschäfts-

führer wird Mathias Weßelmann, der bisher in

der Business Unit Automation Systems das

Cloud Engineering betreute.


Element Materials Technology hat das Pctest Engineering Laboratory er-

worben. Pctest, das sich mit Forschung, Entwicklung, Zertifizierung und

Prüfung beschäftigt, hat seine Stärken in den Bereichen Mobilgeräte,

Wearables und Netzwerk-Konnektivität. Das Unternehmen hat seinen

Hauptsitz in Maryland und betreibt Labors im Silicon Valley, in Japan

und Südkorea. Mit der Übernahme schafft Element einen neuen Unter-

nehmensbereich namens Connected Technologies. Dieser soll die Kom-

petenzen in den Bereichen Wireless, Sicherheit und elektromagnetische

Verträglichkeit bündeln und die Investitionen von Pctest in 5G-Test-Fä-

higkeiten sowie eine Palette von Test- und Zertifizierungs-Lösungen

nutzen. Diese umfassen Hochfrequenz- und Absorptionsraten-Tests,

Tests von Batterieleistung und -sicherheit sowie Prüfungen von OTA-An-

tennen. Insgesamt werden 17 Labors weltweit für Connected Technolo-

gies Dienstleistungen erbringen.


Wind River übernimmt den Anbieter von Sicherheitslösungen für einge-

bettete Systeme, Star Lab. Das Unternehmen offeriert Sicherheitssoft-

ware für Linux, die Manipulationen verhindern soll, und Sicherheitslö-

sungen für eingebettete Systeme. Eingesetzt werden diese in der Luft-

und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich, können aber auch in ande-

ren kritischen Infrastrukturen genutzt werden. Durch die Übernahme er-

hält Wind River einen Systemschutz und ein Anti-Manipulationsset für

Linux, einen Open-Spource-basierten Hypervisor und eine Boot-Lö-

sung. Die Produkte basieren auf der Philosophie des Secure-by-Design

und nutzen Designmuster, die die Angriffsfläche reduzieren, kritische

Funktionen isolieren und erfolgreiche Angriffe eindämmen oder ab-

schwächen.



8 elektronik journal 01 / 2020 www.all-electronics.de

Elektromechanik Coverstory

Passive CPU-KühlkörperLeistungsfähige Embedded-Systeme perfekt gekühlt

Embedded-Systeme sind auf eine dauerhaft zuverlässige Funktion selbst in rauen Umgebungen

ausgelegt. Dazu benötigen sie entsprechend robuste, wartungsfreie Kühllösungen. CTX Thermal

Solutions liefert solch anwendungsgerecht ausgelegte Kühlkörper für Embedded-Systeme. Auch

der Schweizer Hersteller Toradex verlässt sich seit vielen Jahren bei seinen Computing-Lösungen

für eingebettete Systeme auf diese Lösungen. Autor: Wilfried Schmitz

elektronik journal 01 / 2020 9www.all-electronics.de


Ob in Automobilen, in der

Medizintechnik oder in

automatisierten Industriean-

lagen – Embedded-Systeme, also inte-

grierte Rechner, sorgen für die sichere

Funktionsfähigkeit. Dazu müssen diese Sys-

teme dauerhaft zuverlässig arbeiten und gegen

die jeweiligen Umgebungseffekte wie Vibratio-

nen, hohe Temperaturen etc. geschützt sein. Dies

gilt insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwen-

dungen, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt.

Anders als bei „normalen“ PCs, bei denen der neu-

este, superschnelle Prozessor kaufentscheidend ist,

geht es bei Embedded-Systemen um minimale Kos-

ten, möglichst wenig Platz-, Energie- und Speicher-

verbrauch und um die Funktionsfähigkeit in Echtzeit.

Wichtig ist ein langer, fehlerfreier, gegebenenfalls

auch 24/7-Einsatz, egal wie rau die Umgebung ist,

denn selbst geringste Unregelmäßigkeiten könnten

etwa die Fertigung eines Unternehmens lahmlegen.

Bewegliche Teile sind aus Verschleißgründen zu ver-

meiden, daher werden zum Beispiel stromsparende

Prozessoren, ROM- oder Flashspeicher bevorzugt,

die ohne Lüfter auskommen.

Basismodule für kürzere EntwicklungszeitenDie eingebetteten Architekturen sind sehr aufwen-

dig zu entwickeln. Daher bietet Toradex System-on-

Modules (SoM) beziehungsweise Computer-on-

Modules (CoM) an – kleine, einsatzbereite Compu-

ting-Lösungen, die aus anwendungsunabhängiger

Hard- und Software bestehen. Bei einem CoM oder

auch SoM werden die Kernkomponenten eines

Embedded-Computers auf einem kleinen Modul

platziert, inklusive SoC, RAM, Flash, Power-

Management, Ethernet, etc. Dieses Basismodul

erweitert der Kunde dann zu seinem gewünschten

Trägerboard mit dem IO und den benötigten Peri-

pheriegeräten. Das 2003 gegründete Schweizer

Unternehmen entwickelt mit 135 Mitarbeitern in

acht Büros weltweit SoM- und CoM-Lösungen für

Das Unternehmen Toradex bietet System-on-Modules (SoM) beziehungsweise

Computer-on-Modules (CoM) an, die aus anwendungsunabhängiger Hard- und

Software bestehen. Seit vielen Jahren setzen die Schweizer Kühllösungen von

CTX ein.

Eck-DATEN

kleine bis mittelgroße Projekte. Die Module von Tora-

dex kommen in den unterschiedlichsten Anwendun-

gen zum Einsatz. Sie verfügen über zahlreiche Ver-

bindungs- und Multimediafähigkeiten und einen

Industrial-Temperatur-Support, der die einwandfreie

Funktion bei Temperaturen von -40 bis +85 °C garan-

tiert. Auch unter erschwerten Bedingungen (Schlä-

ge, Vibrationen) arbeiten sie zuverlässig. Einsatzge-

biete der robusten Module sind unter anderem indus-

trielle Automation und Robotik, Edge Computing,

Transportfahrzeuge, Medizintechnik sowie Test- und

Messinstrumente.

Die Anwender profitieren vom Toradex-Konzept

durch reduzierte Komplexität sowie kurze Produktein-

führungszeiten und sparen Entwicklungskosten. Ein

weiterer Vorteil ist, dass solch ein Modul über meh-

rere CPU-Generationen verwendet werden kann.

Zudem lässt sich die Rechenleistung des eingebette-

ten Systems bedarfsgerecht skalieren. Die Basismo-

dule von Toradex sind vielfach getestet und erprobt.

Zum Beispiel werden die Vibrations- und Schocktests

von der Prüfstelle von Quinel durchgeführt, einem

unabhängigen und international akkreditierten Prüf-

laborunternehmen.

Apalis-Modul mit

aufgeschraubtem

CPU-Kühlkörper.

Bild: Toradex




Colibri und Apalis: Herz vieler Embedded-LösungenDie beiden Produktfamilien Colibri und Apalis sind

die modular aufgebauten CoM-Lösungen aus dem

Embedded-Programm von Toradex. Speziell die Apa-

lis-Architektur steht für Langlebigkeit, Erweiterbar-

keit, Benutzerfreundlichkeit, Kompatibilität und Ein-

fachheit, insbesondere beim Energiemanagement.

Die Gesamtheit an Möglichkeiten macht diesen Stan-

dard für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkei-

ten nutzbar. Das Modulkonzept gestattet den Kunden

die Wiederverwendung von Designs und die Inte-

gration in viele Embedded-Computeranwendungen.

So erlauben die pinkompatiblen Colibri- und Apalis-

Module eine schnelle, kosteneffiziente Produktein-

führung und bieten dem Kunden die notwendige

Flexibilität beim Produktdesign.

Colibri-Module kommen ohne zusätzlichen Wär-

mespreizer oder Kühlkörper aus, da sie überwiegend

über einen thermischen Drosselmechanismus verfü-

gen: Das Modul misst die aktuelle Temperatur des

SoC. Übersteigt diese einen kritischen Wert, drosselt

es die CPU-Geschwindigkeit oder schaltet das System

komplett aus, um Schäden zu vermeiden. Die Apalis-

Module dagegen benötigen in vielen Anwendungs-

fällen einen Kühlkörper um die entstehende Verlust-

leistung von maximal 15 W abzuführen und dauerhaft

zuverlässig zu funktionieren. Für die Kühllösungen

gelten nahezu die gleichen Anforderungen wie für

die Embedded-Systeme selbst: Sie müssen kompakt,

leistungsstark und möglichst mobil sein.

CPU-Kühlkörper für Embedded-LösungenToradex bezieht die Kühllösungen für seine Module

seit vielen Jahren bei CTX Thermal Solutions aus Net-

tetal. Das Handelshaus für kundenspezifische und

standardisierte Kühllösungen verfügt über ein umfas-

sendes Produktportfolio, zu dem auch CNC-gefertig-

te aktive und passive Embedded-Kühllösungen gehö-

ren: einfache Rippenkühlkörper, Wärmespreizer

(Heatspreader) mit integrierten Wärmerohren (Heat-

pipes), Kühlkörper mit Kupfer-Inlay und kühlende

Gehäuse. Das Design der eingebetteten Kühlkörper

kann dabei dem jeweiligen System individuell ange-

passt werden. Welcher Kühlkörper für die kunden-

spezifische Anwendung am besten geeignet ist, hängt

von der abzuführenden Verlustleistung und dem zur

Verfügung stehenden Bauraum ab.

Die Kühlkörper werden in der Regel direkt am Hot-

spot montiert, also dort, wo die Wärmeentwicklung

am größten ist. Starke Hitze, welche die Leistungs-

fähigkeit des Systems reduziert, kann auf diese Wei-

CPU-Kühlkörper aus

schwarzeloxiertem

Stranggussaluminium

mit vier Gewindeboh-

rungen zur Befesti-

gung auf dem Apalis-

Modul (außen) und

vier innenliegenden

Bohrungen für die

Befestigung eines

Lüfters.

Umfassendes Sorti-

ment an Kühllösun-

gen für Leistungs-

elektronik in vielen

unterschiedlichen

Anwendungen.

Bild

: CTX

Bild

: CTX

elektronik journal 01/2020 11



AutorWilfried Schmitz

Geschäftsführender Gesellschafter,

CTX Termal Solutions, Nettetal

infoDIREKT 600ejl0120

se gar nicht erst entstehen. Auch für die Embedded-

Systeme von Toradex hat CTX die passende Kühllö-

sung parat und lieferte im vergangenen Jahr viele

CPU-Kühlkörper an das Unternehmen.

Aluminium, Kupfer oder HybridCPU- oder Prozessorkühlkörper bestehen meist aus

Aluminium oder Kupfer. Eine Kombination beider

Metalle in Form von Hybrid-Kühlkörpern ist ebenfalls

möglich. Dabei vereinen Hybridkühlkörper die Vor-

teile beider Metalle: die hohe Wärmeleitfähigkeit von

Kupfer und das geringe Gewicht von Aluminium.

Angeboten werden Kühler-Lüfter-Kombinationen

ebenso wie rein passive Kühlkörper, Flüssigkeitskühl-

körper oder Wärmerohre. Immer gilt jedoch, dass

CPU-Kühlkörper mechanisch und hinsichtlich ihrer

Leistung sehr präzise zum jeweiligen Prozessor-

beziehungsweise Sockeltyp passen, gleichzeitig sehr

leicht und klein sind und durch eine entsprechend

hochgenaue Fertigung einen guten Wärmeübergang

zwischen Prozessor und Kühlkörper gewährleisten.

Kühlleistung von 5,5 W/mKToradex setzt in seinen Apalis-Modulen passive CPU-

Kühlkörper aus einer Aluminiumstranggusslegierung

mit schwarz eloxierter Oberfläche und einer Kühl-

leistung von 5,5 W/mK ein, die mit vier Schrauben

der Größe M3 auf der Trägerplatine befestigt werden.

Das Kühlkörperdesign war dabei eine besondere Her-

ausforderung, denn der zur Verfügung stehende Bau-

raum ist sehr begrenzt und die Verschraubung erfor-

dert bei den äußerst geringen Kühlkörperabmessun-

gen ein gewisses Fertigungs-Know-how. So messen

die Kühlkörper 82 mm × 59 mm bei modulabhängigen

Stärken von 0,85; 1,15; 1,3 beziehungsweise 1,4 mm.

Zusätzlich zu den Bohrungen für die Befestigungs-

schrauben sind die Kühlkörper mit Gewindebohrun-

gen ausgestattet, über die bei Bedarf ein Lüfter mon-

tiert werden kann.

Thermische SimulationIm Fall von Toradex basiert der Kühlkörperentwurf

auf langjähriger Erfahrung. Gilt es jedoch für ein

neues Produkt eine Kühllösung zu entwickeln, hilft

die thermische Simulation dabei, das optimale Kühl-

körperdesign zu finden. Mit dem analyti-

schen Prozess der thermischen Simulation

lässt sich der Temperaturzustand eines

elektrischen Bauteils anhand definierter

thermodynamischer und geometrischer

Randbedingungen berechnen. Gleichzei-

tig können mögliche thermische Probleme

frühzeitig erkannt werden. So lassen sich

das Design und die Kühlleistung optimie-

ren und zudem Kühlkörpermaterial und -gewicht

einsparen. Stellt sich dabei heraus, dass durch eine

Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten

Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbe-

lüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden

kann, spart dies Material- und Fertigungskosten in

erheblichem Maß. (neu) ■

Mögliche ther-mische Probleme

frühzeitig erkennen.

Kühllösungen für alle

Arten von Embedded-

Systemen.

Bild

: CTX


Elektromechanik Steckverbinder


Die auf der Hannover Messe

2019 vorgestellte Kooperation

im Bereich Single Pair Ether-

net (SPE) der Unternehmen Harting, TE

Connectivity und Hirose wird durch die

Gründung des „Single Pair Ethernet –

Industrial Partner Network“ erweitert.

Nun unterstützen auch die Unterneh-

men Würth Elektronik, Leoni, Murr-

elektronik und Softing IT Networks SPE

als zukünftige Infrastrukturlösung für

das IIoT.

Mit der T1 Industrial Schnittstelle bie-

tet Harting eine durchgängig genormte

Schnittstelle für industrielle M3I

3C

3E

3-

Anwendungen, also IP-67-Umgebun-

gen an. Neben der Standardisierung des

Steckgesichts haben sowohl das inter-

nationale als auch das amerikanische

Standardisierungsgremium (ISO/IEC

JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA TR42) den

T1 Industrial style schon 2018 in einem

internationalen Auswahlprozess als das

SPE-Steckgesicht für Industrie und

industrienahe Anwendungen festgelegt.

Diese Entscheidung wird vom Ethernet-

Standardisierungsgremium IEEE802.3

ebenfalls unterstützt.

Die Han-D-Serie steht für eine hohe

Kontaktdichte und geringe Abmessun-

gen. Bei Han DDD hat sich im Vergleich

zum bisherigen Standard die Anzahl der

Kontakte mehr als verdoppelt – bei

gleichbleibenden Maßen und elektri-

schen Eigenschaften. Der „Triple D“

kann mit maximal 107 Kontakten Sig-

nale oder Leistung übertragen. Im

Ergebnis kann mit den Han-DDD-

Steckverbindern der Bauraum in kon-

ventionellen Schaltschränken optimiert

werden.

Eine weitere Neuheit ist das Han-

Shielded-Power-Modul. Es bietet drei

Leistungskontakte und einen PE-Kon-

In neue Technologien investierenHarting: Zukunftssichere Connectivity für Industrie und IT

Harting baut sein Engagement für leistungsstarke Datenverbindungen aus und

investiert weiter in neue Technologien. Die geschlossene Partnerschaft mit

Perfact soll das Unternehmen vor allem im Bereich Software voranbringen.


Die T1-Industrial-Schnittstelle ist eine durch-

gängig genormte Schnittstelle für industrielle

M3I3C3E3-Anwendungen.

Der „Triple D“ kann mit maximal 107 Kontakten

Signale oder Leistung übertragen.

Bild

er: H

artin

g

takt zum Anschluss typischer dreipha-

siger Verbraucher. Hinzu kommen zwei

Signalkontakte für die Temperaturüber-

wachung, Bremsen oder ähnliches,

sowie eine großflächige Schirmüberga-

be, die eine EMV-gerechte Anbindung

des Kabelschirms direkt am Modul

ermöglicht. Es bildet eine Alternative

zur Festverdrahtung von geschirmten

Power-Leitungen und erlaubt es gleich-

zeitig, solche Verbindungen in einem

gemeinsamen Gehäuse neben anderen

Modulen der Han-Modular-Serie aus-

zuführen.

Die Partnerschaft mit Perfact aus Her-

ford soll Harting vor allem im Bereich

Software voranbringen. Perfact wurde

1998 gegründet und ist in den vergange-

nen Jahren dynamisch gewachsen. 50

Mitarbeiter entwickeln professionelle IT-

Lösungen für die Industrie. Die Vernet-

zung von Maschinen via Internet ist dabei

zentraler Bestandteil zur Fernwartung

von Maschinen. Maschinen-Informati-

onen können weltweit und jederzeit

erfasst sowie verarbeitet werden. Mit neu-

en Industrie 4.0 Technologien, wie dem

Digitalen Zwilling, ist PerFact eine wert-

volle Bereicherung für Harting. (neu) ■

Der Artikel beruht auf Unterlagen von Harting.

elektronik journal 01 / 2020 13

Elektromechanik Highlights


W+P Products erweitert sein Board-to-

Board-Programm um fünf Serien, beste-

hend aus vier Steckverbinder-Serien und

einer Kabelkonfektion in Schneidklemm-

technik. Während die Serien 9017 bis 9020

ein flexibles Anordnen von Leiterplatten

gestatten, ermöglicht die vorkonfektionier-

te Serie 998-916 einen sicheren Anschluss.

So bieten die SMT-Stift- und Buchsen-

leisten der Serien 9017 bis 9020 vielfältige

Kombinationsmöglichkeiten von Leiter-

platten: Vertikales und horizontales Ver-

binden von Platinen, ebenso ist ein Mix

aus einer stehenden und liegenden Vari-

ante möglich, die eine rechtwinkelige

Anordnung erzeugt. Zusätzliche seitliche

Die Schlüsselschalter der Serie Ramo K

von Rafi bieten eine robuste, schnell mon-

tierbare Bedienlösung für dezentrale

Anwendungen, bei denen eine Verriege-

lung von kritischen Betätigungsfunktio-

nen erforderlich ist. Wie alle Bedien- und

Anzeigeelemente aus dem Ramo-Pro-

gramm benötigen die Schlüsselschalter

kein zusätzliches Installationsgehäuse

mehr. Das rundum geschlossene Gehäu-

se in Schutzart IP65 und der M12-

Anschluss ermöglichen eine rasche Vor-

Eine sichere Funktion ist in einem Tempe-

raturbereich von -55 bis +125 °C gegeben.

Mit der Kabelkonfektions-Serie 998-916

erweitert W+P das Portfolio als Version

mit IDC-Anschluss-Technik. Sie ist beid-

seitig konfektioniert erhältlich. Vier Aus-

richtungen des Steckgesichtes sind mög-

lich. Die Länge des Flachbandkabels ist

anwendungsgerecht frei wählbar. Passend

zu den B-t-B-Serien ist die zweireihige

Schneid-Klemm-Buchse gleichfalls in

zehn verschiedenen Polzahlen lieferbar.

Der geeignete Temperaturbereich reicht

von -20 bis +105 °C. (neu) ■

VIELFÄLT IGE KOMBINATIONSMÖGLICHKEITEN VON LE ITERPLATTEN

Kompakte Board-to-Board-Lösungen

SCHALTER ZUR STAND-ALONE-MONTAGE

Schlüsselschalter mit M12-Anschluss



Lötwinkel sorgen für eine solide Befesti-

gung auf der Leiterkarte. Zehn Polzahlen

zwischen 12 und 80 Kontakten stehen zur

Verfügung. Als Kontaktmaterial wird eine

Kupferlegierung mit den Oberflächenop-

tionen von Flash vergoldet bis zu einer

Beschichtung von 0,75 μm Gold angeboten.

Ort-Montage ohne aufwendige manuelle

Verdrahtung. Durch den Plug-&-Play-

Anschluss über Standard-M12-Steckver-

binder können die Geräte der Baureihen

Ramo 22 und Ramo 30 für 22,3 mm- bezie-

hungsweise 30,3-mm-Einbauöffnungen

auch von ungeschultem Personal in Betrieb

genommen werden. Mit dem 90°-Monta-

gewinkel Ramo Edge zur abgesetzten Ein-

zelmontage lassen sich die Schalter an

allen senkrechten Oberf lächen und

40-mm-Profilschienen platzieren. Die

Schlüsselwahlschalter der Serie

Ramo K mit M12-Anschluss.

Bild

: Rafi

Erweitertes Steckverbinder-Programm.

Bild

: W+

P Pr

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NÜRNBERG25.–27.02.2020

Halle 4A, Stand 510

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IoT Low Power DC/DC Konverter 0,1–100 W Touch Metall Piezo Schalter & Keypads Power Management ICs für Energy Harvesting High Power Battery-Caps bis zu 70.000F

POWER MANAGEMENT PRODUKTE

Schlüssel-

schalter gibt es in

unterschiedlichen Varianten mit Dreh-

winkeln von 40, 60 oder 90° sowie ver-

schiedenen Drehwinkelformen. (neu) ■

14 elektronik journal 01 / 2020 www.all-electronics.de

Power IoT

Kann sich der Planet das Internet der Dinge leisten?Energie ohne Batterie: Energy Harvesting versorgt

Milliarden IoT-Geräte

Das IoT (Internet der Dinge) verbindet Milliarden von Geräten mit einer stetig

wachsenden Anzahl von Cloud-Servern. Es ermöglicht smarte Städte und Fabriken

und hilft dabei, den Alltag noch effizienter zu gestalten. Den vielen Vorteilen die

es bietet, stehen aber auch große Herausforderungen entgegen. Autor: Graeme Clark

Bild

: ©Se

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Power IoT


Das Internet der Dinge gewinnt zunehmend an Popula-

rität – kein Wunder, hilft es doch den Menschen viele

Aspekte ihres Lebens einfacher zu bewältigen. Doch

wie so oft, hat die Medaille auch eine Kehrseite. Viele der Her-

ausforderungen die es mit sich bringt, haben die Entwickler erst

sukzessive erkannt und so könnte es auch in Zukunft sein.

Probleme beim Management großer Netzwerke, bei der Bereit-

stellung der einzelnen Geräte und der Registrierung in der Cloud

sind bereits bekannt. Viele andere Probleme sind jedoch noch

nicht gelöst. Die erforderliche Leistung von einigen Serverfar-

men, die einige der größeren Clouds hosten, steht schon zur

Verfügung. Aber die Antworten auf andere wichtige Fragen sind

noch nicht gefunden – und in einigen Fällen stehen sogar die

Fragen noch aus.

Wichtige Fragen zum IoTEine der dringendsten Fragen, die es zu beantworten gilt, lautet:

Kann sich der Planet die Anforderungen des Internet der Dinge,

zumindest in seiner jetzigen Form, wirklich leisten? Auch wenn

diese intelligenten Geräte dabei helfen, viele der Prozesse und

Systeme effizienter zu gestalten, wie steht es eigentlich um die

intelligenten Geräte selbst? Welche tatsächlichen Auswirkungen

hat ein Netzwerk von Milliarden intelligenter IoT-Sensoren?

Es ist bereits bekannt, wie viele dieser Sensoren in Zukunft

aussehen. Sie verfügen typischerweise über ein analoges Sensor-

Frontend, einen Mikrocontroller, Funk und eine Art Stromver-

sorgung. Doch wieviel Strom verbrauchen diese Milliarden von

intelligenten Geräten? Woher kommt diese Energie und wie wird

sie dem Gerät bereitgestellt?

In Wirklichkeit lassen sich die wahren Vorteile vieler IoT-Gerä-

te nur mit rein drahtlosen Anwendungen realisieren, die eine

Form der Funkkommunikation und eine lokale Stromversorgung

nutzen. In den meisten Fällen besteht diese aus einer chemischen

Batterie.

IoT und BatterieDie Batterietechnologie hat sich in den letzten Jahren deutlich

verbessert. Die Energiedichte ließ sich stark erhöhen, ebenso wie

die effektive Lebensdauer der Batterie. Viele dieser Verbesserun-

gen sind jedoch durch den verstärkten Einsatz von exotischeren

– oftmals toxischen und gefährlichen – Verbindungen in der Bat-

terie bedingt. Aktuell kommt vor allem die Lithium-Ionen-Tech-

Das Internet der Dinge ist immer weiter auf dem Vormarsch. Bereits

heute gibt es Milliarden von vernetzten Geräten. Eine der großen Her-

ausforderungen in Zukunft wird es sein, diese jeweils mit ausreichend

Energie zu versorgen. Um das IoT effizient nutzen zu können, gibt es

das Bestreben, auf batteriebasierte Lösungen zu verzichten. Die not-

wendige Energie zur Versorgung der Geräte soll stattdessen durch

Energy-Harvesting „gewonnen“ werden.

Eck-DATEN

nologie bei Batterien zum Einsatz – bekanntlich mit explosivem

Potenzial. Auch die Möglichkeiten der Materialwahl der Elekt-

roden gestalten sich schwierig, da bei vielen der effizientesten

Technologien Metalle wie Cadmium, Kobalt oder Mangan zum

Einsatz kommen. Diese sind jedoch oft nur an schwer zugäng-

lichen Stellen abbaubar und können gefährlich im Umgang sein.

Die Nachfrage nach diesen Materialien besteht auch bei ande-

ren Anwendungen – insbesondere bei Elektrofahrzeugen – die

die Kosten für diese Materialien in Zukunft noch weiter nach

oben treiben.

Nicht nur die Grundmaterialien von Batterien selbst bergen

Risiken, sondern es scheint auch immer wahrscheinlicher, dass

zukünftige politische Rahmenbedingungen in Form von Geset-

zen den Einsatz zumindest einiger dieser Materialien einschrän-

ken könnten. Dies kann auch den Endanwender oder den Her-

steller des Produkts zwingen, diese Materialien am Ende der

Produktlebensdauer sicher zu entsorgen.

Ein weiteres Problem, das es zu lösen gilt, ist die Lebensdauer

von Produkten. Batterien, insbesondere solche mit höheren Ent-

laderaten, haben in der Regel keine lange Lebensdauer. Primäre

(nicht wiederaufladbare) Batterien halten normalerweise nicht

viel länger als 3 Jahre, während sekundäre (wiederaufladbare)

Batterien je nach Verwendung bis zu zehn Jahre halten können.

Und dann bleiben noch die Kosten für den Batterieaustausch.

Dazu gehören die Kosten für die neue Batterie selbst, für das

Personal, das sie austauscht, und für die Systeme, die sicherstel-

len, dass der Austausch rechtzeitig erfolgt – vorausgesetzt, dass

der Energiespeicher leicht zugänglich ist.

Woher soll die Energie kommen?Die einzige wirkliche Lösung für diese Probleme besteht darin,

auf Batterien vollständig zu verzichten oder zumindest ihre Grö-

ße zu minimieren und sich die Energie aus der unmittelbaren

Bild 1: Der Embedded

Controller RE01 für

Energy-Harvesting-

Anwendungen

Bild

: Ren

esas


Power IoT


Geräteumgebung zunutze zu machen. In Zukunft dürfte Ener-

gy Harvesting zur wichtigsten Energiequelle avancieren, um

das Internet der Dinge voranzutreiben.

Energie ist in der Umgebung überall vorhanden, sei es in Form

von Licht, Wärme oder Vibration. Viele Unternehmen arbeiten

an Lösungen, um diese Energie in jeder verfügbaren Form zu

gewinnen. Bisher reichten die geringen gewonnenen Energie-

mengen jedoch nicht aus, um intelligente Geräte zu betreiben.

Daher haben es auch nur sehr wenige Anwendungen auf den

Markt geschafft.

Mit der aktuellen Generation an Energy-Harvesting-Tech-

nologien und einer Halbleiterprozesstechnologie für die Her-

stellung von Schaltkreisen mit sehr geringer Leistungsaufnah-

me ist es nun tatsächlich möglich, intelligente Kommunikati-

onsanwendungen zu entwickeln, die sich vollständig mit Ener-

gie aus der Umgebung betreiben lassen.

Mikrocontroller für Energy HarvestingRenesas hat seine aktuelle RE-Mikrocontrol-

ler-Familie für Energy Harvesting entwickelt.

Diese basiert auf der SOTB-Prozesstechnolo-

gie (Silicon on Thin Buried Oxide), um den

beschriebenen Herausforderungen zu begeg-

nen. Das erste Mitglied der RE-Familie, der

RE01, kombiniert einen Cortex M0+ Core mit

bis zu 64 MHz und integriert bis zu 1,5 MByte

Flash und 256 kByte On-Chip-SRAM mit einer Vielzahl inte-

grierter Funktionsblöcke beziehungsweise Peripherieschnitt-

stellen. Dazu gehören komplexe und wenig energiehungrige

Timerfunktionen, erweiterte analoge Funktionen und ein

Memory-in-Pixel-Display-Treiber.

Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild des Bausteins, der sich für viele

tragbare und Medizin-Anwendungen sowie für ein breites Spek-

trum an industriellen Anwendungen eignet. Der RE01 lässt sich

mit nur 20 μA/MHz im aktiven Modus und 150 nA im Standby-

Modus betreiben.

Zudem verfügt er über viele speziell entwickelte Peripherie-

funktionen mit geringem Stromverbrauch, einschließlich eines

Analog-Digital-Wandlers, der weniger als 4 μA verbraucht,

während er einen einzelnen Kanal bei 1,6 kHz mit 14-Bit-Auf-

lösung abtasten kann.

IoT ohne Batterie betreibenEines der Hauptziele der RE-Familie ist es, die beschriebenen

Herausforderungen des IoT anzugehen und einen Weg zu finden,

Geräte des IoT in Zukunft ohne Batterien zu betreiben. In jedem

Mitglied der RE-Familie ist ein Energy Harvesting Controller

(EHC) implementiert. Er ermöglicht es, Energie aus einer Viel-

zahl verschiedener erneuerbarer Energiequellen zu gewinnen

und eine externe wiederaufladbare Batterie oder einen Super-

kondensator automatisch zu steuern. Der EHC kann auch Strom

aus gewonnener Energie an externe Komponenten wie Funk und

Sensoren liefern, was die Entwicklung intelligent kommunizie-

render Systeme ermöglicht. Eine der größten Herausforderungen

mit jedem Embedded-Baustein in Energy-Harvesting-Anwen-

dungen ist der Einschaltstrom. Hierbei handelt es sich um den

Strom, den der Baustein beim ersten Einschalten benötigt und

der typischerweise recht hoch ist. Das Risiko

besteht hierbei darin, dass der Einschaltstrom

die Möglichkeiten der meisten typischen Ener-

giequellen für die Energiegewinnung über-

steigt, was dazu führt, dass der Baustein nicht

richtig funktioniert. Renesas hat den EHC spe-

ziell entwickelt, um dieser Herausforderung zu

begegnen. Er verarbeitet die kleinen verfügba-

ren Energiemengen, um einen sicheren und

zuverlässigen Start des Mikrocontrollers aus

Niedrigstromquellen zu ermöglichen, die nur

5 μA Strom liefern. Damit lassen sich erstmalig echte Energy-

Harvesting-Anwendungen mit leistungsfähigeren Anwendungen

entwickeln. Bild 2 zeigt den EHC, der in allen neuen Embedded

Controllern der RE-Familie implementiert ist. Mit der richtigen

Schaltung zur Leistungsdimensionierung ermöglicht der EHC

den Betrieb dieser Bausteine mit verschiedenen Energiequellen.

Hierzu zählt eine breite Palette an Solar- oder Photovoltaikzel-

len, Vibrations- und thermischen Harvestern.

Photovoltaik- und Vibration-Energy-HarvestingMit den Photovoltaik-Energy-Harvesting-Bausteinen mit hohem

Konversionsgrad von Lightricity lässt sich ein Sensor oder ein

IoT-Gerät mit bis zu sechsmal mehr Strom versorgen. Dies erüb-

rigt den mehrfachen Austausch von Knopfzellen- oder von AAA-

AA-Batterien. Diese Leistungssteigerung lässt sich dazu nutzen,

Bild 3: Kinergizer hat eine Methode entwickelt, drahtlose Sensoren mit Vib-

rations-Energy-Harvestern zu betreiben (rechts).

Bild

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Bild 2 (links): Der Energy Harvesting Controller (EHC).Bild

: Ren

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Der EHC kann „gewonnene“ Energie an

externe Komponenten wie Sensoren weiterleiten.

Power IoT

Der Name Microchip und das Microchip-Logo sind eingetragene Warenzeichen der Microchip Technology Incorporated in den USA und in anderen Ländern. Alle anderen Marken sind im Besitz der jeweiligen Eigentümer. © 2019 Microchip Technology Inc. Alle Rechte vorbehalten. MEC2310A-GER-12-19

Analoge Steuerungen digital aufwertenKombinieren Sie die Geschwindigkeit analoger Steuerungen mit der Flexibilität digitaler Mikrocontroller

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Kein System kann ohne zuverlässige Stromversorgung auskommen. Unsere DEPA-Lösungen (Digitally Enhanced Power Analog) kombinieren die ®-Mikrocontrollers (MCU). Damit lassen

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Die Single-Chip-Lösungen akzeptieren einen High-Voltage-Eingang und regeln einen weiten Ausgangsstrom- oder Spannungsbereich, wodurch sie einen

Autor Graeme Clark

Product Marketing Manager

bei Renesas


mehr Gerätefunktionalität bereitzustellen oder die physikali-

schen Abmessungen des Gesamtsystems auf wenige Quadrat-

zentimeter zu reduzieren.

So kann beispielsweise die Energy-Harvesting-Komponente

von Lightricity eine ständige Energiequelle für stromintensive

Luftqualitätssensoren in der Gebäudeautomation liefern. Ein

autonomer drahtloser CO2-, Temperatur-, Licht- und Feuchtig-

keitssensor, der mit nur einem 10 cm2 großen PV-Baustein alle

2,5 Minuten bei 200 Lux alle Umweltmessungen durchführen

und übertragen kann, haben Techniker in einer Betriebsumge-

bung demonstriert. Über eine typische Produktlebensdauer von

10 Jahren lassen sich bis zu 150 Batteriewechsel vermeiden,

wodurch der Endverbraucher Wartungs- und Batteriekosten

reduzieren kann.

Ein weiteres Beispiel, das für viele Entwickler von Interesse

ist, ist die Energiegewinnung aus den Vibrationen von Maschi-

nen oder Motoren. Dies ist besonders nützlich, wenn Sensoren

an unzugänglichen Stellen innerhalb der Maschine zu platzie-

ren sind. Kinergizer, mit Sitz in den Niederlanden, kann draht-

lose Sensoren mit Vibrations-Energy-Harvestern (Bild 3) betrei-

ben, was wiederum erhebliche Einsparungen bei den Kosten

für den Batteriewechsel ermöglicht. Die Breitbandtechnologie

des Unternehmens ermöglicht die Energiegewinnung in einem

breiten Frequenzspektrum für industrielle Anwendungen. Es

hat sich unter anderem bewährt, Anwendungen in der Zustands-

und Anlagenüberwachung mit Industriezertifikaten erfolgreich

zu betreiben.

Neue Klasse intelligenter GeräteDie Embedded Controller der RE-Serie mit integriertem Energy

Harvesting Controller, kombiniert mit einigen der aktuellen Ener-

gy-Harvesting-Lösungen, die jetzt auf den Markt kommen,

ermöglichen eine neue Klasse von intelligenten Geräten. Diese

lassen sich mit Energie aus der unmittelbaren Baustein-Umgebung

betreiben, können Informationen erfassen und kommunizieren

und teilweise oder vollständig ohne Batterie laufen.

Diese Technologie kann in der Zukunft grundlegend dazu bei-

tragen, dass sich unser Planet das Internet der Dinge dann auch

wirklich leisten kann. (aok) ■


Power LED-Treiber


Ob in der vernetzten Gebäudetechnik, bei komplexen

Beleuchtungssystemen, dem Transportwesen, der IT-

und Kommunikationstechnik oder der regenerativen

Energieerzeugung – überall wächst der Bedarf an digitalen

Stromversorgungen, die entsprechende Informationen zur Ver-

fügung stellen. Die Nutzer benötigen Betriebsdaten wie etwa

Strom, Spannung oder Temperatur, um ihre Systeme besser zu

verstehen und effizient zu betreiben.

Digitale Netzteile stellen hier die entscheidenden System-

daten bereit. Insbesondere die LED-Beleuchtungstechnik treibt

im Internet of Things (IoT) und bei smarten Anwendungen die

Entwicklung voran. Es genügt heute in vielen Fällen nicht mehr,

wenn sich ein Netzteil ein- und ausschalten oder bestenfalls

noch dimmen lässt. Heutige LED-Treiber steuern beispielswei-

se mehrfarbige LED-Strahler direkt über DALI-Signale (Digital

Addressable Lighting Interface) und erzeugen damit unter-

schiedliche Lichtstimmungen.

Möglich macht dies der Einsatz von Mikrocontrollern. Mit

ihnen lässt sich Leistungselektronik effizient über den ganzen

Lastbereich optimal regeln. Für die Steuerung und Kommuni-

kation stehen eine Vielzahl unterschiedlicher Bussysteme zur

Verfügung. Bei Beleuchtungssystemen setzt das DALI-Signal

den Standard. Mit einer Basisisolierung zur Netzversorgung

und einer doppelten Isolation zum Sekundärkreis im Netzteil

ist es zwar recht aufwendig umzusetzen, bietet jedoch mit der

einfachen Verdrahtung für den Anwender Vorteile. Daneben

verlangt der Endkundenmarkt aber auch nach Implementierung

von DMX, Powerline und WiFi. Im industriellen Einsatz finden

hauptsächlich Bussysteme wie I²C, RS232 oder RS485, CAN,

Ethernet, RFID Verwendung. Der Power Management Bus

(PMBus) versucht, diesen Wildwuchs einzudämmen und einen

gemeinsamen Standard zu schaffen. Ob er sich durchsetzen

kann, wird sich allerdings erst in den kommenden Jahren zei-

gen. Bis es soweit ist, bleibt es Aufgabe des Entwicklers in enger

Abstimmung mit dem Anwender die passenden Schnittstellen

einzubinden. Die Digitalisierung der Leistungselektronik birgt

Risiken, aber auch Chancen. Nur in enger Zusammenarbeit mit

Kunden und Anwendern lassen sich die technischen Heraus-

forderungen in Zukunft meistern. (prm) ■

Stromversorgung in digitalen ZeitenMit LED-Treibern Illuminationswendungen im IoT umsetzen

Die Digitalisierung macht auch vor der Leistungselektronik nicht halt: Intelligente Systeme verlangen nach

intelligenten Netzteilen. Autor: Hermann Püthe

AutorHermann Püthe

Geschäftsführender Gesellschafter von Inpotron


Mit diesem Vierkanal-LED-Treiber lassen über das DALI-Signal eindrucks-

volle Fassadenilluminationen bis 200 W direkt realisieren.Bi

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Power Highlights


Die Verbraucher verlangen kleinere Kon-

sumgüter, insbesondere bei Wearables, für

Komfort und Bequemlichkeit im täglichen

Leben. Entwickler von Wearables mit klei-

ner Leistungsaufnahme können die Grö-

ße der Strom- und Kommunikations-

schnittstelle zur Ladestation mit dem

Recom erweitert sein Angebot an LED-

Treibern mit der RCDE-48-Serie. Dabei

handelt es sich um eine Reihe von Modu-

len, die einen konstanten Strom von bis

zu 350 mA, 700 mA oder 1050 mA liefern

können, um Strings von bis zu 15 LEDs

mit hoher Helligkeit und einem Wirkungs-

grad von bis zu 97 Prozent anzusteuern.

Der Eingangsspannungsbereich reicht von

6 bis 60 VDC

für 12-V-, 24-V- oder

48-V-Nennversorgungsschienen. Ein line-

arer Analog- oder PWM-Dimmereingang

von 0 bis 100 Prozent ist mit 3,3-V-Logik

kompatibel und eignet sich daher bei-

spiel sweise f ü r IoT-K noten oder

μC-Dimmer. Zudem lässt sich der Dimm-

Pin auch als EIN/AUS-Fernbedienung ver-

wenden. Die Bauteile können ohne Leis-

versorgung und die Kommunikation über

eine einzige Leitung erfolgen, eliminiert

der MAX20340 Pins und diskrete Bauele-

mente, die für die Kommunikation zwi-

schen einem Ladegerät und einem Nie-

derspannungsendprodukt erforderlich

sind. Dies reduziert die Kosten, begrenzt

die Fehlerquellen und erhöht die Zuver-

lässigkeit. Darüber hinaus ermöglicht der

MAX20340 die automatische Erkennung

eines zu ladenden Gerätes in der Ladesta-

tion. Dies erlaubt ein flexibles Design und

macht unzuverlässige und kostspielige

alternative Methoden wie mechanische

Pogo-Pins oder Halleffekt-Sensoren über-

flüssig. Das Gerät wird über einen einzel-

nen externen Widerstand entweder als

Kommunikations-Master oder -Slave kon-

figuriert. Mehrere Betriebsarten bieten

dem Entwickler die Möglichkeit, den

Stromverbrauch entsprechend seinen

Anwendungsanforderungen zu minimie-

ren. (prm) ■

te verfügen über Übertemperaturschutz,

UVLO, Ausgangs- und Kurzschlussschutz

für eine hohe MTBF von 1,3 Millionen

Stunden. (prm) ■

BIS ZU 80 PROZENT WENIGER PLATZAUFWAND

PLC für Stromversorgung und Kommunikation

FÜR BIS ZU 15 LEDS

Dimmbare 1-A-LED-Treiber



kleinsten bidirektionalen 2-Pin-Powerli-

ne-Kommunikations-IC (PLC) der Indus-

trie, dem MAX20340 von Maxim Integra-

ted, deutlich verringern. Dieser PLC-Chip

minimiert die Anzahl der mechanischen

Kontaktpunkte für die Lade- und Kom-

munikationsschnittstelle. Da die Strom-

tungsreduzierung oder forcierte Kühlung

bei hohen Umgebungstemperaturen (+ 80

°C für den 350-mA-Teil) betrieben werden,

sodass sie für Beleuchtungsanwendungen

im Innen- und Außenbereich bis zu einer

Höhe von 5000 m geeignet sind. Alle Gerä-

Lesen und Schreiben erfolgen über I²C, wobei der MAX20340 die gesamte Kommunikation über die

Schnittstelle steuert.

Die LED-Treibermodule

sind in einem Standard-

DIP-24-Gehäuse mit den

Abmessungen 32,1 ×

20,8 × 12,3 mm3 erhält-

lich.

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22 elektronik journal 01/2020www.all-electronics.de

Boards + Displays Entscheidungshilfe

In 13 Schritten zum passenden DisplayKriterien für die Display-Auswahl

Wenn bei neuentwickelten Geräten eine einfache Statusanzeige

nicht ausreicht, muss sich der Entwickler auf die Suche nach einem

für seine Applikation geeigneten Display machen. Schukat gibt

Tipps, welche Aspekte bei der Wahl der richtigen Anzeige helfen.

Autor: Thomas Biller

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ctor

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Stoc

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Beim ersten Schritt geht es um die Frage: „Was soll darge-

stellt werden?“ Am Anfang des Auswahlprozesses ist zu

klären, in welcher Form die Informationen auf der Anzei-

ge dargestellt werden, denn davon hängen die Darstellungsmög-

lichkeiten ab. Ist nur die Abbildung von Zahlen beziehungsweise

Zahlen und Buchstaben notwendig, empfiehlt sich aus Kosten-

und Aufwandsgründen die Wahl einer 7-Segment- oder Dot-Mat-

rix-Anzeige. Reicht die Anzeige alphanumerischer Zeichen jedoch

nicht aus, geht die Entscheidung in Richtung Grafikdisplay.

2. Umfang der darzustellenden Informationen

Neben dem Inhalt ist der Umfang der darzustellenden Informa-

tionen ausschlaggebend für die Display-Wahl. Bei alphanume-

rischen Anzeigen bedeutet das die Anzahl der erforderlichen

Zeichen und Zeilen, bei Grafik-Anzeigen die Anzahl der für eine

klare Darstellung erforderlichen Bildpunkte. Mit der benötigten

Auflösung wird auch bereits das Darstellungsformat (Hochfor-

mat / Querformat) festgelegt.

3. Erscheinungsbild / Seitenverhältnis der Anzeige

Das Erscheinungsbild der Anzeige hängt eng mit dem Darstel-

lungsumfang und der Displaygröße (Punkt 4) zusammen. Ist der

Darstellungsumfang festgelegt, bleiben dem Anwender gewisse

Wahlmöglichkeiten beim Seitenverhältnis, denn durch unter-

schiedliche Segment- beziehungsweise Pixelgeometrien können

die Display-Hersteller unterschiedliche Erscheinungsbilder und

Seitenverhältnisse für gleiche Zeichengrößen beziehungsweise

Auflösungen in gewissen Grenzen realisieren.

4. Welche Anzeigengröße ist erforderlich und zulässig?

Bei der Festlegung der Anzeigengröße ist zwischen der Größe

der Anzeige selbst (Zeichenhöhe beziehungsweise Sichtbereich,

„Viewing Area“) und den Außenabmessungen (Einbaumaße)

der Anzeige zu unterscheiden.

Bei geplanten normalen Ableseentfernungen limitieren oftmals

die Applikation, das Gerät oder das Gehäuse die Anzeigengröße,

zum Beispiel bei Handheld-Geräten mit festgelegten maximalen

Abmessungen oder der Geräte-/Einbaugröße für die Anzeige. Bei

einer beabsichtigten großen Ableseentfernung erfordert es eine

bestimmte Mindestgröße der Anzeige. Sind die äußeren Abmes-

sungen noch nicht durch das zu entwickelnde Gerät vorgegeben,

erfolgt die Dimensionierung der Anzeigengröße unter Berücksich-

tigung der vorgesehenen Ableseentfernung sowie des Auflösungs-

vermögens und des Gesichtsfeldes (Scharfsicht ohne Kopf- oder

größere Augenbewegungen) des Auges. Das Auflösungsvermögen

des menschlichen Auges beträgt bis zu einer Winkelminute (1/60

Grad), das Gesichtsfeld horizontal zirka 40 Grad und vertikal zirka

30 Grad. Daraus ergeben sich folgende Werte:

● Für normale Ableseentfernungen (30 bis 50 cm): maximale

Anzeigengröße 22 cm × 16 cm bis 36 cm × 27 cm, minimale Auf-

lösung des Auges: 0,09 bis 0,15 mm

Bei der Display-Auswahl, die in diesem Beitrag auf die gängigen Aus-

führungen in industriellen Anwendungen eingeht, ist die Reihenfolge

der nach Kosten- und Entwicklungsaufwand orientierten Schritte vari-

abel. Jedoch ist es sinnvoll, alle aufgezählten Aspekte – sofern für das

Display zutreffend – zu berücksichtigen.

Eck-DATEN

● Für größere Ableseentfernungen (5 m): maximale Anzeigen-

größe: 3,6 m × 2,7 m, minimale Auflösung des Auges: 1,5 mm.

Soll die Anzeige mit einem Blick vollständig erfasst werden, darf

die maximale Anzeigengröße nicht überschritten werden. Um

Zeichen einer alphanumerischen Darstellung deutlich zu erken-

nen, sollte die minimale Zeichengröße ein Mehrfaches (zirka

Faktor 10 bis 20) der minimalen Auflösung des Auges betragen.

Bei Grafikdisplays ist diese minimale Auflösung wichtig in Bezug

auf die maximale Pixelgröße. Beträgt diese ein Vielfaches der

minimalen Auflösung, wird die Grafik verpixelt wahrgenommen.

5. Was bestimmt den ansteuernden Mikrocontroller beziehungs-

weise die Ansteuerschnittstelle?

Ist bereits festgelegt, welcher Mikrocontroller die Anzeige ansteu-

ert, dann ist in der Regel eine der Schnittstellen 8-Bit Parallel,

SPI oder I²C vorgegeben, was die Display-Auswahl stark ein-

schränkt. Eine einfache, langsamere Schnittstelle kann kein

Farb-/Grafikdisplay mit hoher Auflösung und Farbtiefe ansteu-

ern. Bei aktuellen Displays besteht aber heute oft die Wahlmög-

lichkeit, über verschiedene Interfaces anzusteuern. Ist man bei

der Schnittstellenwahl noch frei, kann am Ende entschieden

werden, welches Display sich am besten eignet.

6. Welche Versorgungsspannungen sind möglich?

Viele Anzeigen kommen mit einer der gängigen Versorgungs-

spannung von 3,3 oder 5,0 V aus. Für spezielle Anwendungen

können eine oder mehrere bestimmte feste Versorgungsspan-

nungen für alle Komponenten festgelegt sein, was die Auswahl

des Displays eingrenzt.

7. Farbliches Erscheinungsbild

Zu entscheiden ist hier zunächst, ob die Darstellung mehrfarbig

(gleichzeitige Darstellung verschiedener Farben) oder monochrom,

zum Beispiel für reine Zahlen-/Textanzeigen (Dot-Matrix-Anzei-

ge) erfolgen soll. Mit der Frage, ob weiße Zeichen auf dunklem

Hintergrund oder umgekehrt dargestellt werden sollen, ist für

monochrome passive LCDs gleichzeitig die Frage nach positiver

oder negativer Darstellung geklärt. Bei passiven LCD-Anzeigen

und negativer Darstellung erscheinen die Zeichen beziehungs-

weise Pixel in der Farbe des Backlights, das hier unbedingt erfor-

derlich ist. Soll zur Minimierung der Leistungsaufnahme bei einer

negativen Darstellung auf eine LCD-Hinterleuchtung verzichtet

werden, empfiehlt sich der Einsatz einer OLED-Anzeige. Hier



sind die Zeichen/Pixel selbstleuchtend, der Leistungsverbrauch

ist wesentlich geringer und der Kontrast besser als der eines ver-

gleichbaren LCDs, allerdings fallen die Kosten höher aus.

Bei mehrfarbigen Grafikdisplays (16,7M, 262k, 256, Farben und

so weiter) besteht die Wahl zwischen verschiedenen Display-

Technologien (mehrfarbige OLED-Anzeigen, passive LCD-Anzei-

gen / CSTN, Aktiv-Matrix-Displays / TFT etc.). Aus Kosten- und

Aufwandsgründen sollten diese nur zum Einsatz kommen, wenn

es die Applikation erfordert. Mit der Entscheidung über die farb-

liche Darstellung wird auch die einzusetzende Anzeigen-Tech-

nologie weitestgehend festgelegt.

8. Gleichzeitige Benutzereingaben

Kommt eine Grafikanzeige zu Einsatz, kann das Display gleich-

zeitig als Eingabeeinheit (Human Machine Interface, HMI) die-

nen. Entscheidet sich der Entwickler für diese Option, spart er

hier gegebenenfalls Kosten für alternative Eingabekomponenten.

In diesem Fall fällt die Wahl auf ein Grafikdisplay mit Touchpa-

nel (PCAP oder resistiv).

9. Umgebungsbedingungen für den Einsatz

Die zu erwartenden Umgebungsbedingungen, wie Staub und Feuch-

tigkeit, Betriebstemperaturbereich sowie vorherrschende Lichtsi-

tuation, sind mitunter ausschlaggebend für die Wahl des Displays.

Die Umgebungshelligkeit im Betrieb entscheidet darüber, ob

grundsätzlich eine selbstleuchtende Anzeige (LED/OLED) oder

bei LCDs eine Hinterleuchtung (Backlight) benötigt wird. Soll

die Anzeige auch bei Dunkelheit oder schwachem Umgebungs-

licht ablesbar sein, schließt das rein reflektive LCD-Anzeigen

aus. Das beschränkt die Auswahl auf transflektive oder trans-

missive LCD-Displays (STN, FSTN, TFT, etc.) mit Hinterleuchtung

oder auf selbstleuchtende Anzeigetechnologien (LED/OLED).

Fällt die Auswahl auf LCD-Anzeigen mit Hinterleuchtung, kann

der Entwickler zwischen verschiedenen Hinterleuchtungs-Typen

wie LED, CCFL etc. wählen, wobei LED-Hinterleuchtungen mit

geringem Stromverbrauch und langer Lebensdauer punkten.

Beim Einsatz im Freien bei hoher Umgebungshelligkeit sind eine

gewisse Helligkeit und ein hohes Kontrastverhältnis bei der Anzei-

ge entscheidend. Hier eignen sich Anzeigen mit Helligkeiten von

über 1000 cd/m2 und einem Kontrastverhältnis von über 1000:1.

Eine besonders kontrastreiche Darstellung bieten zum Beispiel

E-Paper- und OLED-Displays. Für den Einsatz im Gebäudeinneren

reichen Standardanzeigen mit 300 bis 600 cd/m2 und 500:1 aus. Die

weiteren Umweltbedingungen bestimmen unter anderem die

notwendige Schutzklasse des Displays. Bei geplantem Einsatz

unter extremen Temperaturen, zum Beispiel im Automotive-

Bereich, fällt die Wahl auf Displays mit erweitertem Temperatur-

bereich von -30 bis +85 °C oder mehr. Standard-Displays sind

für den Bereich -20 bis +70 °C spezifiziert und somit in Mittel-

europa auch für den Außeneinsatz geeignet.

10. Aus welchem Betrachtungswinkel wird die Anzeige abgelesen?

Da ein Display bei extremen Betrachtungswinkeln immer dunk-

ler und kontrastloser wird, sind zwei optische Charakteristiken

zu beachten. Meist befindet sich der Betrachter mit den Augen

ober- oder unterhalb der Display-Mitte und nicht genau senkrecht

darüber. Für diese beiden Situationen lassen sich Displays bezüg-

lich ihres Kontrasts optimieren: Für eine überwiegende Betrach-

tung von unten wählt der Entwickler eine Anzeige mit „Viewing

Direction 6 o’clock“, im anderen Fall ein Display mit „Viewing

Direction 12 o’clock“. Displays mit „Full Viewing“ besitzen keine

Vorzugsrichtung bezüglich des vertikalen Betrachtungswinkels.

Der „Viewing Angle“ spezifiziert den maximalen Betrach-

tungswinkel in horizontaler und vertikaler Richtung, in dem das

Display noch akzeptabel ablesbar ist. Soll die Anzeige auch aus

extremen Winkeln gut lesbar sein, zum Beispiel in horizontaler

Richtung, empfiehlt sich ein Display mit dem größten Betrach-

tungswinkel in horizontaler Richtung. Gute TFT-Displays errei-

chen horizontale Betrachtungswinkel von bis zu ±85° und kön-

nen so von einem Betrachter abgelesen werden, der fast seitlich

von der Anzeige steht. Für die meisten Applikationen reicht der

Standard-Betrachtungswinkel von ±60° oder ±65° aus.

11. Leistungsaufnahme als kritischer Faktor?

Bei portablen beziehungsweise batteriebetriebenen Geräten ist die

Leistungsaufnahme des Displays oft entscheidend. Grundsätzlich


Full-Colour-TFT-Grafikmodul und zweizeiliges LCD-Dot-

Matrix-Modul mit amberfarbiger LED-Hinterleuchtung.

Bild

: Sch

ukat

Bild

: Sch

ukat

Kontrastreiche mono-

chrome OLED-Anzeige.


steigt die Leistungsaufnahme mit der Größe und Ausstattung der

Anzeige. Beim Einsatz monochromer Anzeigen lässt sich die Leis-

tungsaufnahme durch folgende Kriterien stark reduzieren.

• Ist die Ablesbarkeit im Dunkeln erforderlich, ist eine selbst-

leuchtende OLED-Anzeige einer LCD-Anzeige mit Backlight

vorzuziehen. OLED-Anzeigen besitzen eine geringere Leistungs-

aufnahme und einen besseren Kontrast, sind aber preisintensiver.

• Erfolgt das Ablesen des Displays nur im Hellen, eignet sich

eine einfache reflektive LCD-Anzeige oder ein E-Paper. Dieses

besitzt einen besseren Kontrast und nimmt Leistung nur bei

Bildwechsel auf, allerdings zu höheren Kosten. Die verschie-

denen Display-Technologien und -ausführungen unterscheiden

sich in Bezug auf die Leistungsaufnahme zum Teil erheblich.

Deswegen sollte der Entwickler bei der Wahl des richtigen Dis-

plays nur auf die tatsächlich benötigten Eigenschaften Wert

legen.

12. Finden häufige Wechsel des Inhalts statt?

Wie oft und wie schnell muss der angezeigte Inhalt wechseln? Dies

hat in den Extremfällen „überwiegend statischer Bildinhalt“ und

„häufiger Bildwechsel“ nicht nur Auswirkungen auf die Optimie-

rung bezüglich der Leistungsaufnahme, sondern auch auf die Anfor-

derungen an die „Response Time“. Diese gibt an, mit welcher Ver-

zögerung der Bildinhalt gewechselt werden kann. Die Reaktionszeit

von Standard-Displays reicht meist aus. Für eine flüssige Videowie-

dergabe kommen Displays mit weniger als 15 ms infrage. Heutige

TFT-LCDs sind mit Reaktionszeiten von 5 bis 30 ms spezifiziert.

13. Sonstige Aspekte

Auch der Kostenfaktor kann eine große Rolle spielen, zum Beispiel,

wenn der Auftritt mit dem zu entwickelnden Gerät auf einem

preissensiblen Markt erfolgt. Im High-End-Bereich spielen die

Kosten eine eher untergeordnete Rolle.

Viele industrielle Produkte sollen über die Produktionsphase

hinaus mit Ersatzteilen versorgt werden. Wird ein Display für eine

langjährige Applikation geplant, sollte auf die Langzeitverfügbar-

keit geachtet werden. Auch Designaspekte können entscheiden,

ob rein ästhetische Aspekte oder Design-Richtlinien überwiegen.

Der Distributor Schukat Electronic bietet ebenso wie die meisten

Display-Hersteller auf seiner Webseite Merkmalsuchen, mit denen

Entwickler nach den wichtigsten der genannten Kriterien das

passende Display selektieren können. (neu) ■

Autor Thomas Biller

Produktmanager Halbleiter bei Schukat Electronic


MULTIFUNCTION TFT5“ | 7“ | 10“ uniTFT

ELECTRONIC ASSEMBLY GmbH · Phone: +49 (0)8105/778090 · [email protected] · www.lcd-module.de

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Halle 1 / 1-389

Flaches monochromes LCD-Grafikmodul mit

negativer Darstellung.

Bild

: Ele

ctro

nic A

ssem

bly

Bild

: Ele

ctro

nic A

ssem

bly

Flache, alphanumerische monochrome

LCD-Anzeigen.


Boards + Displays Highlights


Die resistive Technologie steht als

bewährte und zuverlässige Lösung mit

Merkmalen wie Robustheit, EMV-Konfor-

mität, geschlossene Front ohne Schmutz-

KUNDENSPEZ IF ISCHE RESIST IVE TOUCHPANELS

Optimierte resistive Touchscreen-LösungenMit den Sonderformen der resistiven

Touchscreen-Technologie stellt Schurter

optimierte Lösungen für spezifische Appli-

kationsanforderungen zur Verfügung.

Der neue interaktive PCAP-Touch-Panel-

PC von Comp-Mall AFL3-W07A-AL mit

7-Zoll-Bildschirmdiagonale basiert auf

dem Apol lo-La ke- I nte l -Celeron-

N3350-Prozessor mit bis zu 2,4 GHz

Taktfrequenz und 2 MB Cache. Als

Besonderheit bietet der Panel-PC

IEEE802.3-at-Standard (PoE+) mit einer

Leistungsabgabe von maximal 28,5 W.

Damit lassen sich externe Geräte, zum

Beispiel Kameras, mit nur einem Kabel

für Stromversorgung und Datentransfer

anbinden. Eine weitere Neuerung: Das

Display ist mit einer UV- und Anti-Gla-

re-Beschichtung versehen, was sowohl

die Haltbarkeit als auch die Lesbarkeit in

schwierigen Lichtsituationen erheblich

verbessert.

Der frontseitige IP65-Schutz sichert

den Panel-PC vor dem Eindringen von

Wasser und Staub. Dank lüfterlosem

Design und einem Betriebstemperatur-

INTERAKTIVER PCAP-TOUCH-PANEL-PC MIT 7 ZOLL BILDSCHIRMDIAGONALE

Interaktiver Panel-PC mit PoE+

Der interaktive PCAP-Touch-Panel-PC AFL3-

W07A-AL mit 7-Zoll-Bildschirmdiagonale.

Bild

: Sch

urte

r

kanten, Schutzart IP67 und erhältlich in

Diagonalen bis 24 Zoll zur Verfügung. Resis-

tive Touchpanels von Schurter sind kunden-

spezifisch auf die jeweiligen Anforderungen

zugeschnitten und bieten ein gutes Preis-

Leistungs-Verhältnis. Durch die Kombina-

tion von Folientastaturen mit taktiler Rück-

meldung eignen sie sich sehr gut für Appli-

kationen in rauen Umgebungsbedingungen.

Mit den Sonderformen der resistiven Touch-

screen-Technologie stehen optimierte

Lösungen für spezifische Anforderungen

unterschiedlicher Applikationen zur Verfü-

gung: GFG: Glass-Film-Glass-Touchscreen,

LR: Low-Reflective-Touchsreen, TW: Touch

Window / FT: Framed Touch, RMT: Resisti-

ve-Multi-Touchscreen, MFO: Multi-Finger-

Operation-Touchscreen und HLT: High-

Light-Transmission-Touchscreen. (neu)


Bereich von -20 bis +50 °C ist der Panel-

PC AFL3-W07A-AL eine gute Lösung für

viele industrielle Einsatzzwecke.

Weitere Leistungsdaten: 4GB DDR3L

sind vorinstalliert und SSD werden über

M.2 B+M-Key 2242 angebunden,

sodass sowohl Sata als auch der

erheblich schnellere Standard-

PCIe zum Speichern und Ausle-

sen von Daten genutzt werden

kann. An Schnittstellen ste-

hen 2 × GbE LAN und 4 × USB

3.1 Gen 1 zur Verfügung.

WLAN und Bluetooth V4.1 dienen zur

drahtlosen Kommunikation. Ein Clear-

CMOS-Schalter sorgt für den unkompli-

zierten BIOS-Reset.

Die Spannungsversorgung liegt bei 12

VDC

im wählbaren AT- oder ATX-Betrieb.

Dank Vesa-75- und 100-Standard und

verschiedenen Einbausätzen kann der

Panel-PC an der Wand, am Arm, im

Schaltschrank oder im Panel befestigt

werden.

Das Modell ist auch in den Displaygrö-

ßen 10, 12 und 15 Zoll erhältlich. (neu) ■


Bild

: Com

p-M

all

Resistive Touchpanels

zugeschnitten auf die

Anforderungen der

jeweiligen Applikati-

on. Durch die Kombi-

nation mit Folientas-

taturen mit taktiler

Rückmeldung eignen

sie sich sehr gut für

den Einsatz in rauen

Umgebungen.


Boards + Displays Highlights


Fortec Elektronik verstärkt mit dem neuen

3,5-Zoll-Single-Board-Computer (SBC)

Conga-JC370 SBC von Congatec sein

Embedded-Programm. Herz des leistungs-

starken Boards ist ein Intel -Gen-8-Core-i-

oder Intel-Celeron-Low-Power-U-Series-

Prozessor. Mit dem Intel Core i7-8665UE

sorgen vier statt zwei Cores zusammen mit

der verbesserten Mikroarchitektur für einen

bemerkenswerten Leistungsanstieg. Je nach

Anforderungen der Anwendung kommen

folgende weitere Prozessoren zum Einsatz:

Intel Core i5-8365UE, i3-8145UE oder ein

Intel-Celeron-4305UE-Prozessor.

Das Conga-JC370 bietet eine große

Anzahl an Erweiterungssteckplätzen auf 3,5

Zoll. Insgesamt stehen drei M.2- und ein

Mini-PCIe-Steckplatz zur Verfügung.

Mit bis zu 24 Ausführungseinheiten

ermöglicht die Gen-9-Intel-Grafikkarte sehr

Kontron bietet das SoM-Modul mit High-

Performance-Prozessor i.MX8M Mini

Quad Core 1,6 GHz und LPDDR4-Spei-

cher auf nur 30 mm × 30 mm. Das neue

SoM SL i.MX8M Mini basiert auf der neu-

esten Prozessortechnologie 4× ARM Cor-

tex-A53, 1× ARM Cortex-M4 und der Spei-

chertechnologie LPDDR4. Das kom-

pakte Modul (30 mm × 30 mm) bie-

tet sehr hohe Performance für

rechenintensive Applikat ionen,

anspruchsvolle 3D-Visualisierungen

und ist mit umfangreichen Schnittstel-

len ausgestattet. Das Ready2Use mitge-

lieferte Linux-Board-Support-Package

(BSP) ist für IoT- und Industrie-4.0-An-

wendungen einsatzfähig. Durch seine

kompakte Bauweise ist das SoM-Modul

für eine Vielzahl von Basisboard-Designs

prädestiniert. Kontron stellt ein entspre-

chendes Evaluation-Board (Formfaktor:

ein Monitor mit nur einem Kabel anschlie-

ßen. Zu den weiteren Anschlüssen gehören:

zwei USB 2.0, zwei Gigabit Ethernet und

fünf COM. Ein weiterer Vorteil ist der weite

Spannungseingang von 12 bis 24 V. (neu) ■

Um hohen Sicherheitsansprüchen gerecht

zu werden, kann das SoM SL i.MX8M Mini

mit aktuellen Verschlüsselungstechniken,

Secure-Boot und weiteren Sicherheitsmerk-

malen ausgestattet werden. In Kombination

mit aktuellen Wireless-Technologien und

modernen Software-Architekturen ist es

ein geeigneter Baustein für die Entwicklung

sicherer Devices in großen IoT-Netzwerken.

Standardmäßig ist das SoM-Modul mit

1GB LPDDR4-RAM (optional bis zu 4 GB),

2 MB NOR-Flash sowie 8 GB eMMC (opti-

onal bis zu 164 GB) ausgestattet. Es ver-

fügt über 1 × 1 Gbit/s (MAC), 2 × USB

2.0 OTG und 4 × UART-Anschlüsse.

Durch zahlreiche digitale I/Os sowie

PWM und zwei SDIO-Schnittstellen

ist das SoM-Modul für den industri-

ellen Einsatz geeignet. (neu) ■

LE ISTUNGSSTARKER CONGA-JC370 SBC FÜR RAUE INDUSTRIEUMGEBUNGEN

3,5-Zoll-Embedded-SBC mit Erweiterungsmöglichkeiten

LEISTUNGSFÄHIG, KOMPAKT UND SOFORT E INSATZBEREIT

SoM-Modul mit High-Performance-Prozessor



4,3 Zoll Diagonale) als Referenzdesign zur

Verfügung. Da es sich um ein maschinell

auflötbares Modul handelt, entfallen

sowohl die Kosten für die Stecker auf dem

SoM-Modul und dem Baseboard, als auch

für eine manuelle Bestückung.

Das kompakte SoM SL i.MX8M Mini

bietet sehr hohe Performance für

rechenintensive Applikationen.

Bild

: Kon

tron

gute Darstellungen: 24-bit-

Dual-Channel-LVDS-Aus-

gang, optional ein zweites,

internes Display-Interface

sowie mehrfache Erweite-

rungen. Passend zur Leis-

tungssteigerung bietet der

Conga-JC370-SBC für den

Arbeitsspeicher zwei DDR4-

SODIMM-Sockel bis 2400

MT/s für bis zu 64 GB. Ein

weiterer Vorteil ist die große

Auswahl an Schnittstellen.

Die zwei USB-3.1-Superspeed+-Interfaces

erlauben eine Datenrate von bis zu 10 Gbit/s

und übertragen unkomprimierte UHD-

Videos von einer Kamera auf einen Monitor.

Der rückseitige USB-C-Konnektor unter-

stützt Displayport++ sowie die Stromver-

sorgung für Peripheriegeräte. So lässt sich

Das Conga-JC370 bietet

eine große Anzahl an

Erweiterungssteckplät-

zen auf 3,5 Zoll.

Bild

: For

tec


Bauelemente Embedded-Speicher


Die Qual der WahlEmbedded Speicher: Von der SD-Karte bis zum FRAM

Ein zentrales Element jedes Embedded-Systems auf

MCU-Basis ist der externe Speicher. Die Auswahloptio-

nen an Speichertechnologien ist äußerst umfangreich.

elektronik journal gibt einen Überblick über Anbieter

und Einsatzgebiete. Autor: Rich Miron

Speicher in Embedded-Systemen auf MCU-Basis

benötigen einerseits genügend RAM, um alle

flüchtigen Variablen zu speichern, Puffer zu

erstellen und verschiedene Anwendungsstapel zu

managen. Neben RAM braucht ein Embedded-System

aber auch einen Speicherort für den Anwendungscode,

nicht flüchtige Daten und Konfigurationsdaten. Hier

die richtige Lösung zu finden, kann für Entwickler

eine echte Herausforderung darstellen.

Wenn es um eine Speicherkomponente für ein

Embedded-System geht, fällt die Wahl oft zuerst auf

einen EEPROM-Speicher. Das ist ein nicht flüchtiger

Speicher, der häufig für das Speichern von System-

konfigurationsparametern für eine Embedded-

Anwendung zum Einsatz kommt. Ein Gerät, das über

CAN-Bus in ein Netzwerk eingebunden ist, kann bei-

spielsweise die CAN-ID im EEPROM speichern.

Bild

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FRAMs bieten bis zu

151 Jahre Speicher-

dauer

Heutzutage steht Entwicklern eine große Auswahl an

nicht flüchtigen Speicherkomponenten zur Verfügung,

auf denen Daten vom Anwendungscode bis hin zu Konfi-

gurationsinformationen gespeichert werden können. Für

die Entwickler heißt das, dass sie ihre Anwendungsanfor-

derungen eingehend prüfen und anschließend sorgfältig

den Speichertyp und die Schnittstelle auswählen müs-

sen. Im Beitrag werden Merkmale einzelnen Speicherty-

pen anhand von Beispielen von Anbietern wie ON Semi-

conductor, Adesto Technologies, Renesas, Issi, Cypress

Semiconductor, Advantech, Gigadevice Semiconductor

und Silicon Motion erläutert und aufgezeigt, wo diese

eingesetzt werden sollten.

Eck-DATEN

Nachteile EEPROM und Vorteile FRAMTrotz der weiten Verbreitung von EEPROM gibt es

einige potenzielle Nachteile: Die Speicher sind in der

Regel auf eine Million Lösch-/Schreibzyklen begrenzt,

sind anfällig für Strahlung und hohe Betriebstempe-

raturen und brauchen Anweisungen, um eine Zelle

bei Schreibzyklen von rund 500 ns zu beschreiben.

EEPROMs funktionieren in vielen Anwendungen

gut, aber bei Anwendungen, die eine hohe Ausfall-

sicherheit erfordern (beispielsweise Fahrzeug-, Medi-

zin- oder Raumfahrttechnik), sollten Entwickler auf

eine robustere Speicherlösung setzen, wie zum Bei-

spiel FRAM (Ferroelectric Random Access Memory).

FRAM bietet gegenüber EEPROM mehrere Vorteile:

FRAMs sind schneller (Schreibzyklen dauern weni-

ger als 50 ns), ermöglichen mehr Schreibzyklen,

haben einen geringeren Leistungsbedarf (nur 1,5 Volt

für den Betrieb) und sind weniger anfällig für Strah-

lung. FRAM ist in ähnlichen Speichergrößen wie

EEPROM erhältlich. Die FRAM-Familie von Cypress

Semiconductor reicht beispielsweise von 4 kBit bis 4

MBit. Der FM25L16B-GTR bie-

tet 16 kBit (Bild 2). Untergebracht

ist der Speicher in einem 8-poli-

gen SOIC-Paket und lässt sich

mit bis zu 20 MHz betreiben. Der

CY15B104Q-LHXIT, der das

obere Ende der Serie bildet, bie-

tet 4 MBit und unterstützt

Schnittstellengeschwindigkei-

ten von bis zu 40 MHz (Bild 3). Dieser FRAM-Speicher

bietet unter anderem eine Speichererhaltungszeit von

151 Jahren und einen direkten Einsatz für seriellen

Flash und EEPROM. Weil FRAM teurer als EEPROM

ist, sind bei der Auswahl des richtigen Speichers für

eine Anwendung die Umgebungsfaktoren, unter

denen ein Gerät arbeitet, sorgfältig abzuwägen.

Flash in Embedded-SystemenFlash-Speicher lassen sich in Embedded-Systemen

für verschiedene Zwecke nutzen. Mit externem Flash-

Speicher lässt sich der interne Flash-Speicher erwei-

Bild 1: CAT24C32WI-

GT3 ist ein 1-Kbit-EE-

PROM von ON Semi-

conductor, der über

einen I2C- oder SPI-

Port an einen Mikro-

controller ange-

schlossen werden

kann.

Bild 2: Die FRAM-Fa-

milie von Cypress bie-

tet Speicher verschie-

dener Größen von 4

Kbit bis 4 Mbit, die

über SPI an einen Mi-

krocontroller ange-

schlossen werden

können.

Bild

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Bild

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Das EEPROM hat verschiedene Eigenschaften, die

diesen Speichertyp für Entwickler von Embedded-

Systemen zu einer guten Wahl machen: Der Speicher

benötigt wenig Platz, ist relativ preiswert und hat

typische Bitraten, die von 100 bis 1000 kbit/s reichen.

Außerdem verfügt er über eine standardisierte

Schnittstelle und unterstützt in der Regel I2C- und

SPI-Schnittstellen.

Der CAT24C32WI-GT3 von ON Semiconductor

beispielsweise ist eine EEPROM-Komponente mit 32

kBit (4 kByte) in einem 8-poligen SOIC-Paket, das

sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 MHz an den

I2C-Bus anschließen lässt (Bild 1).

Das Interessante an EEPROM ist, dass es mitunter

in den eigentlichen Mikrocontroller integriert ist. Der

32-Bit-Mikrocontroller R7FS128783A01CFM#AA1

von Renesas bietet beispielsweise 4 kByte Onboard-

EEPROM, den Entwickler nutzen können. Das setzt

voraus, dass das System für die Konfigurationsdaten

nicht mehr als 4 kByte benötigt. Falls nicht, müssen

Entwickler entweder ein externes Gerät verwenden

oder mithilfe des Flash-Speichers des Mikrocontrol-

lers zusätzlichen EEPROM emulieren.

01

02




tern, um den verfügbaren Speicher für den Anwen-

dungscode zu erhöhen. Das erfolgt üblicherweise mit

SPI-Flash-Modulen wie dem GD25Q80CTIGR von

Gigadevice-Semiconductor. Mit dem GD25Q80CTI-

GR ließe sich der interne Speicher um 8 MBit erwei-

tern, sofern der Mikrocontroller dies über die gesam-

te SPI-Schnittstelle unterstützt.

Darüber hinaus lässt sich ein externer Flash-Spei-

cher statt EEPROM oder FRAM für das Speichern von

Konfigurations- oder Anwendungsdaten verwenden.

Durch Einsatz eines externen Flash-Chips können

Stücklistenkosten sinken oder der interne Speicher

für gespeicherte Daten aus der Anwendung kann

größer ausfallen. Eine Mikrocontroller-Peripherie-

komponente und eine Speicherzuordnung lassen sich

so konfigurieren, dass sie diesen externen Flash-Spei-

cher einschließen, damit der Entwickler einfacher

darauf zugreifen kann, ohne dass dazu benutzerde-

finierte Aufrufe an einen Treiber erfolgen müssen.

Dies wäre für die Etablierung der Schnittstelle zum

EEPROM oder FRAM erforderlich.

Ein Beispiel für eine

externe Flash-Komponen-

te, die für diesen Zweck

zum Einsatz kommen

könnte, ist der AT25SF161

von Adesto Technologies

(Bild 4). Sie nutzt eine

Q S P I - S c h n i t t s t e l l e

(Queued SPI). QSPI ist

eine Erweiterung des SPI-

Standardprotokolls, die für das System einen höheren

Datendurchsatz ermöglicht. Das ist interessant für

Entwickler, die bei einer einzelnen Transaktion gro-

ße Datenmengen speichern oder abrufen müssen.

QSPI funktioniert so, dass es den Eingriff der CPU

in das QSPI-Peripheriegerät unterbindet und die

Schnittstelle von den standardmäßigen vier Pins

(MOSI, MISO, CLK und CS) auf sechs Pins (CLK, CS,

IO0, IO1, IO2, IO3) umstellt. Das ermöglicht die Ver-

wendung von vier Pins für die Ein- und Ausgabe statt

der herkömmlichen zwei Pins bei SPI.

Außerdem lässt sich Flash für das Speichern von

Anwendungs- und Nutzdaten verwenden. So ist es

bei einem GPS-System beispielsweise nicht ratsam,

alle GPS-Karten lokal auf dem Prozessor zu speichern.

Dafür sollte externes Speichermedium wie eine SD-

Karte oder ein eMMC-Gerät zum Einsatz kommen.

Diese Speichermedien lassen sich über SPI oder eine

dedizierte SDIO-Schnittstelle, die eine effiziente Ver-

bindung mit der externen Speicherkomponente

ermöglicht, an einen Mikrocontroller anbinden.

Der Einsatz von eMMC und SD-Karten in Embedded-SystemenAus Sicht der elektrischen Schnittstelle sind SD-Kar-

ten und eMMC-Geräte identisch. Das heißt, es kom-

men dieselben Pins für den Anschluss der Geräte an

einen Mikrocontroller zum Einsatz, auch wenn sich

die Pakete mit Sicherheit unterscheiden. Trotzdem

können beide Speichertypen starke Unterschiede auf-

weisen. Im Vergleich zu SD-Karten sind EMMCs in

der Regel robuster sowie weniger anfällig für physi-

sche Beschädigung, bieten eine schnellere Interakti-

on, sind auf die Platine gelötet und nicht entfernbar,

aber gleichzeitig auch kostenintensiver.

Der eMMC IS21ES04G-JCLI von Issi lässt sich bei-

spielsweise direkt an eine SDIO-Schnittstelle des

Mikrocontrollers anschließen und erweitert das Gerät

so um 32 GBit Flash-Speicher (Bild 5).

Solange der Benutzer den Speicher nicht entfernen

muss, bietet die Verwendung von eMMC also eine

robustere Lösung. Das hängt jedoch auch von der

Endanwendung ab. Auf jeden Fall muss ein Entwick-

ler seinen Arbeitsspeicher sorgfältig auswählen, da

nicht alle Arbeitsspeicher gleich sind. So kann es bei-

spielsweise vorkommen, dass der Speicher für ein

Subsystem, das in ein Fahrzeug eingebaut ist, eine

Zertifizierung nach einem höheren Standard als

Flash-Standardkomponenten haben muss. In diesem

Fall müsste der Entwickler nach einem Speicher mit

Zulassung für den Fahrzeugbau suchen.

Wenn es um SD-Karten geht, müssen Entwickler

genau darauf achten, welche sie verwenden, weil es

wie bei eMMC auch bei SD-Karten große Unterschie-

de gibt. Entwickler müssen auf die Geschwindigkeits-

klasse und die Betriebstemperatur der Karte achten.

Die meisten SD-Karten sind beispielsweise auf Tem-

Flash lässt sich für das Speichern von Anwendungs-

und Nutzdaten verwenden.

Bild 3: Der CY-

15B104Q-LHXIT ist ei-

ne 4-Mbit-Kompo-

nente mit einer

Schnittstellenge-

schwindigkeit von bis

zu 40 MHz.

Bild 4: Die externen

Flash-Speicherkom-

ponenten des Typs

AT25SF161 von Ades-

to Technologies kön-

nen zur Erweiterung

des internen Flash-

Speichers dienen.

Bild 5: Das eMMC-

Flash-Modul von Issi

bietet 32 Gbit Spei-

cher, die sich über SPI

oder SDIO an einen

Host anbinden lassen.

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TSR-WI-Serie – Neue 0,6- und 1�A-POL-WandlerPOL-Wandler mit besonders breitem 8:1-Eingangsspannungs bereich decken viele Standard Bus- und Batteriespannungen ab

9 32 724.750

VDC

75

Regular Step-Down Converter

TSR-WIUltra Wide 8:1 Input

Besuchen Sie uns in der Halle 3A am Stand 131

Nürnberg, Deutschland 25.–27. 2. 2020

Autor Rich Miron

Digi-Key Electronics Technical Content Team


peraturen von 0 bis +70 °C ausgelegt, was für Unter-

haltungselektronik ausreicht.

Zudem fällt jede Karte in eine Geschwindigkeits-

klasse, die die maximal zu erwartende Schnittstel-

lengeschwindigkeit angibt. Klasse 2 heißt beispiels-

weise, dass eine Karte für das Speichern von Bildern

zu langsam wäre. Eine Karte der Klasse 10 wie die

4-GByte SQFlash-Micro-SD-Karte SQF-MSDM1-

4G-21C von Advantech ist hingegen für HD-Video

ausgelegt.

Tipps und Tricks für die richtige Auswahl von SpeichernDie Auswahl des richtigen Speichertyps und der

richtigen Schnittstelle für ein Embedded-Produkt

kann schwierig sein. Zunächst sollten die Nutzer die

exakten Betriebsbedingungen für den Speicher

ermitteln. Hierzu zählen die erwarteten Lösch-/

Schreibzyklen, Umgebungsbedingungen und Fak-

toren wie Temperatur, Vibrationen und Strahlung

und die Anforderungen an das Laden von Daten.

Außerdem sind die gewünschte und die maximale

Bitrate, die für die erfolgreiche Verwendung des Spei-

chers für die Anwendung erforderlich ist, zu bestim-

men. Auch die Frage nach dem Speicherschnittstel-

lentyp, der sich für die ermittelte gewünschte Bitra-

te am besten eignet, gilt es zu klären. Sofern der

Speicher in rauen Umgebungsbedingungen wie

Automobil- oder Raumfahrtsystemen zum Einsatz

kommt, sollte der Nutzer darauf achten, dass die

entsprechende Kfz-Zulassung oder Strahlungstole-

ranz gegeben ist.

Abschließend ist es ratsam, die ausgewählte Spei-

cherkomponente mithilfe einer Breakout-Karte und

einer Integration in das Mikrocontroller-Entwick-

lungskit ausgiebig zu testen. Wenn Entwickler diese

Tipps beherzigen, sollte sicher sein, dass sie den

richtigen Speicher für ihre Embedded-Anwendung

auswählen. (aok) ■

Bild 6: Die SQFlash-

Micro-SD-Karte SQF-

MSDM1-4G-21C von

Advantech bietet 4

GByte Speicher der

Geschwindigkeit-

keitsklasse 10.

Bild

: Adv

ante

ch


Bauelemente Signalauswertung

Maschinengeräusche richtig verstehenSchall- und Vibrationsanalyse: KI verlängert die Anlagenverfügbarkeit

Die zustandsbasierte Überwachung von Maschinen mittels Live-Erfasssung von Schall- und

Vibrationsdaten kann die Wartungskosten halbieren – ein Grund für den Betreiber, genau

hinzuhören und KI zu nutzen. Autor: Sebastien Christian

Menschen können lernen, wie eine Maschine

im Normalzustand klingt. Ändert sich das

Maschinengeräusch, nimmt der Hörer es als

anormal wahr. Der Mensch kann lernen, was das Pro-

blem ist und dementsprechend Schall und Problem

assoziieren. Die Fähigkeit, Anomalien zu erkennen,

lässt sich in wenigen Minuten trainieren. Geräusche,

Vibrationen und deren Ursachen zu verbinden, um Dia-

gnosen durchzuführen, kann jedoch ein ganzes Leben

lang dauern. Techniker und Ingenieure mit dieser

Expertise sind selten und daher von hohem Wert, da sie

nur mit ihrem Gehör Maschinendiagnosen erstellen

können. Wie vermitteln diese Experten ihr Wissen? Das

können sie kaum, auch nicht mit Tonaufnahmen oder

durch beschreibende Frameworks. Bis zum Experten

für Maschinenzustände ist es ein weiter Weg. Analog

Devices hat sich die letzten 20 Jahre darauf konzen-

triert herauszufinden, wie Menschen Geräusche und

Vibrationen verstehen. Das Ziel bestand darin, ein

System zu entwickeln und zu realisieren, das in der

Lage ist, Maschinengeräusche und Vibrationen und

ihre Bedeutung von Experten zu lernen, anormales

Verhalten zu erkennen und Diagnosen durchzufüh-

ren. Die Basis für die Entwicklung des Systems bildet die

Inspiration durch die Neurologie des Menschen. Dies

erfordert jedoch angepasste Funktionen und eine konti-

nuierliche Überwachung. Zudem sollte das System in der

Lage sein, stationäre und transiente Geräusche zu lernen.

Abschließend sollte die Interaktion mit Experten, die

nötig sind, um von ihnen zu lernen, mit minimalen Aus-

wirkungen auf ihre tägliche Arbeitsbelastung erfolgen

und so angenehm wie möglich erfolgen.

Bild

er: A

nalo

g De

vices

Experten sollen die

Otosense-Technolo-

gie so konfigurieren,

dass das System in

der Lage ist, Diagno-

sen über den Zustand

von Maschinen zu er-

stellen.




Übertragung auf OtosenseDer Prozess, dass der Mensch Geräusche nutzvoll ein-

setzen kann, lässt sich in vier Schritte einteilen: Ana-

loge Geräuscherfassung, digitale Wandlung, Extrak-

tion von Merkmalen und Interpretation. Eine Membran

(Trommelfell) und drei Gehörknöchelchen im Mittel-

ohr des Menschen erfassen Geräusche und übertragen

die entsprechenden Vibrationen auf einen mit Flüssig-

keit gefüllten Kanal. Dort befindet sich eine weitere

Membran (Vorhof-Fenster), auf die die Schallwellen

vom Trommelfell übertragen werden. Abhängig von

den spektralen Frequenzkomponenten im Signal wird

das Vorhof-Fenster angeregt und es entsteht je nach

Stärke und Beschaffenheit des Signals ein entsprechen-

des Ausgangssignal.Bei der Otosense-Technologie

übernehmen Sensoren, Verstärker und Codecs diese

Funktion. Die Digitalisierung erfolgt mit einer festen

Abtastrate, die zwischen 250 Hz und 196 kHz ein-

stellbar ist, wobei die Wellenform auf 16 Bit kodiert

und das System in Puffern von 128 bis 4096 Abtas-

tungen abspeichert. Die Extraktion von Merkmalen

geschieht im primären Kortex: Frequenzbereichs-

merkmale wie dominante Frequenzen, Harmonizität,

Bild 1: Der S-Platter

wählt die interessan-

testen und repräsen-

tativsten Klänge im

gesamten Datensatz

aus und stellt sie als

zweidimensionale

Ähnlichkeitskarte dar.

Bild 2: Mit „Sound

Widgets“ oder

„SWidgets“ lassen

sich Klänge visuali-

sieren.

Die Otosense-Technologie von Analog Devices verfolgt das Ziel, Fachwissen über

Klang und Vibrationen kontinuierlich und auf jeder Maschine zur Verfügung zu

stellen, ohne dass eine Netzwerkverbindung für Ausreißer-und Ereigniserkennung

erforderlich ist. Techniker mit der Expertise, Maschinengeräusche richtig zu deuten,

helfen, das System klanggenau zu konfigurieren. Durch das System verfügt somit

jede Anlage über einen „potenziellen Experten“ mit KI zur Geräuscherkennung.

Eck-DATEN




Spektralform und Zeitbereichsmerkmale wie Impul-

se, Intensitätsschwankungen und Hauptfrequenz-

komponenten über ein Zeitfenster von etwa 3 s.Oto-

sense verwendet ein Zeitfenster, genannt „Chunk“,

und bewegt sich mit einer festen Schrittweite. Abhän-

gig von den zu erkennenden Ereignissen und der

Abtastrate kann die Chunk-Größe zwischen 23 ms

und 3 s liegen, ebenso wie die Schritte. Die Extrakti-

on der Merkmale erfolgt am Rand.Die Interpretation

findet im assoziativen Kortex statt, was bedeutet, dass

sie alle Wahrnehmungen und Erinnerungen zusam-

menführt und dem Klang, auf den sich unsere Auf-

merksamkeit konzentriert, eine Bedeutung verleiht.

Die Otosense-Interaktion mit einem Menschen geht

von einer visuellen, unbeaufsichtigten Klangkartie-

rung (Sound Mapping) aus, die nur auf der Neurolo-

gie des Menschen basiert.

Von Klang und Vibration zu MerkmalenEin Merkmal ist eine individuelle Zahl, die ein

bestimmtes Attribut beziehungsweise eine bestimm-

te Qualität von Klang oder Vibration über einen

bestimmten Zeitraum beschreibt.

Merkmale sollten die Umgebung so vollständig und

mit so vielen Details wie möglich beschreiben, sowohl

im Frequenz- als auch im Zeitbereich. Sie müssen

stationäre Brummtöne, Klicks, Klappern, Quietschen

und jede Art von vorübergehender Instabilität

beschreiben.Außerdem sollten sie eine möglichst

orthogonale Anordnung bilden. Wenn ein Merkmal

„durchschnittliche Amplitude auf dem Chunk“ ist,

sollte es kein anderes Merkmal geben, das stark mit

diesem korreliert ist, ebenso wenig wie „gesamte

Spektralenergie auf dem Chunk“. Natürlich wird die

Orthogonalität nie erreicht. Es ist jedoch zu vermei-

den, ein Merkmal als Kombination anderer Merkma-

le auszudrücken.Zuletzt sollten Merkmale die Berech-

nung minimieren. Das Gehirn kennt nur Addition,

Vergleich und Zurücksetzen auf 0. Die meisten Oto-

sense-Merkmale sind inkrementell, sodass jedes neue

Sample das Merkmal mit einer einfachen Operation

modifiziert, ohne dass sie bei vollem Puffer, oder

schlimmer „Chunk“, neu zu berechnen ist. Die Mini-

mierung der Berechnung ermöglicht es auch, sich nicht

um die üblichen physikalischen Einheiten kümmern

zu müssen.

Von Merkmalen zur Anomalie-ErkennungDie Bewertung von Normalität und Anormalität erfor-

dert nicht viel Interaktion mit Experten: Der einzige

Input, den Experten liefern müssen, ist eine Zeitspan-

ne, in der sich das Verhalten der Maschine als „nor-

mal“ bezeichnen lässt und somit eine Basislinie dar-

stellt. Die Basislinie wird in ein Ausreißermodell auf

dem Server umgewandelt und auf das Gerät übertra-

gen. Um die Normalität eines eingehenden Klangs

oder einer Vibration zu bewerten, kommen zwei ver-

schiedene Strategien zum Einsatz: Die erste heißt

Bild 3: Ereigniser-

kennungsmodelle

werden als runde

Verwirrungsmatrix

(Confusion Matrix)

dargestellt, die es

ermöglicht, diese

Verwirrungen zu

untersuchen.

Bild 4: Eine Cloud-Ar-

chitektur ist sinnvoll,

um mehrere aussage-

kräftige Datenströme

wie die Ausgabe von

Otosense-Geräten zu

bündeln.

Bild

: ADI




„Gewöhnlichkeit“. Dabei überprüft jeder neue ein-

gehende Klang, der im Merkmal-Raum landet, seine

Umgebung und bestimmt, wie weit er von Basislini-

enpunkten und Clustern entfernt ist und wie groß die

Nachbarcluster sind. Je größer die Entfernung und je

kleiner die Cluster, desto ungewöhnlicher ist der neue

Klang und desto höher ist sein Ausreißerwert. Liegt

der Ausreißerwert über einem von Experten definier-

ten Schwellenwert, ist der entsprechende Chunk als

ungewöhnlich zu bezeichnen und an den Server zu

senden, um für Experten verfügbar zu sein.

Die zweite Strategie ist sehr einfach: Jeder einge-

hende Chunk mit einem Merkmal-Wert über oder

unter dem Maximum oder Minimum aller Merkma-

le, die die Basislinie definieren, ist als extrem zu kenn-

zeichnen und ebenfalls an den Server zu senden.

Die Kombination von ungewöhnlichen und extre-

men Strategien bietet eine gute Abdeckung von anor-

malen Klängen oder Vibrationen und liefert sowohl

bei progressivem Verschleiß als auch bei unerwarte-

ten, dramatischen Ereignissen gute Ergebnisse.

Von Merkmalen zur EreigniserkennungMerkmale gehören zum physischen Bereich, Bedeu-

tung gehört zur menschlichen Wahrnehmung. Um

Merkmale mit Bedeutung zu verbinden, ist Interak-

tion erforderlich.Ein Sound Splatter ermöglicht das

Erkunden und Markieren von Klängen mit einer voll-

ständigen Übersicht über den Datensatz. Der Splatter

wählt die interessantesten und repräsentativsten

Klänge im gesamten Datensatz aus und stellt sie als

zweidimensionale Ähnlichkeitskarte dar, indem er

gekennzeichnete und nicht gekennzeichnete Klänge

mischt (Bild 1). Jeder Klang oder jede Vibration lässt

sich mit seinem Kontext auf vielfältige Weise visua-

lisieren. Nachfolgend zum Beispiel die Verwendung

von Sound-Widgets (Bild 2). Es lässt sich jederzeit ein

Ausreißermodell oder ein Ereigniserkennungsmodell

erstellen. Ereigniserkennungsmodelle lassen sich als

runde Verwirrungsmatrix (Confusion Matrix) dar-

stellen, die es ermöglicht, diese Verwirrungen zu

untersuchen (Bild 3). Ausreißer lassen sich über eine

Schnittstelle untersuchen und kennzeichnen, die alle

ungewöhnlichen und extremen Klänge im Laufe der

Zeit anzeigt (Bild 5).

Leistung zum Netzwerkrand und Daten auf das GeländeAusreißer- und Ereigniserkennung mit Otosense

erfolgen am Netzwerkrand, ohne die Beteiligung

von Remote Assets. Die Architektur stellt sicher, dass

ein Netzwerkausfall das System nicht beeinträchtigt

und vermeidet, alle Rohdaten zur Analyse versenden

zu müssen. Ein Edge Device, auf dem Otosense läuft,

ist ein in sich geschlossenes System, welches das

Verhalten der zu beobachtenden Maschine in Echt-

zeit beschreibt.

Der Otosense-Server, auf dem die KI und das HMI

laufen, ist normalerweise vor Ort gehostet. Eine

Cloud-Architektur ist sinnvoll, um mehrere aussage-

kräftige Datenströme wie die Ausgabe von Otosense-

Geräten zu bündeln. Es ist weniger sinnvoll, eine KI

zur Verarbeitung großer Datenmengen und der Inter-

aktion mit Hunderten von Geräten an einem einzigen

Standort in einer Cloud zu hosten (Bild 4). (aok) ■

AutorSebastien Christian

Leiter von Otosense-inside Product

Development bei Analog Devices


Bild 5: Ausreißer

lassen sich über eine

Schnittstelle untersu-

chen und kennzeich-

nen, die alle unge-

wöhnlichen und ext-

remen Klänge im Lau-

fe der Zeit anzeigt.


Bauelemente Gassensoren


Klimaanlagen in Rechenzentren oder industrielle Kühlsys-

teme arbeiten heute noch überwiegend mit klimaschäd-

lichen Treibhausgasen. Dem will die EU mit der neuen

F-Gas-Verordnung einen Riegel vorschieben. Ziel ist es, die Emis-

sionen des Industriesektors bis 2030 um mehr als 70 Prozent

gegenüber 1990 zu verringern. Mit dem sogenannten Phase-

Down-Verfahren leitete die EU bereits ab 2015 eine schrittweise

Beschränkung für die Verwendung von fluorierten Treibhausga-

sen mit einem Treibhausgaspotenzial (GWP) ein. In der Über-

gangszeit von 2016 bis 2030 sollen sich die GWP-Werte der Käl-

temittel dadurch von aktuell etwa 2300 bis auf unter 500 reduzie-

ren. Während des Phase-Down-Prozesses bleiben allerding noch

einige Ausnahmen erlaubt. So dürfen etwa bestimmte Unterneh-

men in dieser Zeit noch recycelte F-Gase verwenden. Alle anderen

Hersteller müssen dann auf alternative Gase ausweichen.

Diese Bestimmung der Europäischen Union (EU) ist für alle

Betroffenen eine große Herausforderung, denn die Zahl der Kli-

maanlagen in Gebäuden nimmt rund um den Globus kontinu-

ierlich zu., aber auch in anderen Bereichen wird gekühlt. Hinzu

kommen die Kühlsysteme in Industrieanlagen und Rechenzen-

tren, die ohne Kühlung stillstehen würden.

Dichte der Anlagen kontrollieren und überwachenBei Anlagen, die mit Kühlgasen arbeiten, besteht immer die Mög-

lichkeit, dass bestimmte Bereiche des Systems undicht werden und

die schädlichen Umweltgase entweichen. Diese sind in der Regel

nicht toxisch und daher für den Menschen ungefährlich. Der Scha-

den für die Umwelt dagegen kann – gerade bei großen Anlagen

– sehr hoch sein. Aus diesem Grund haben deren Betreiber auch

die Verpflichtung zur regelmäßigen Sicherheitsprüfung. In vorge-

gebenen Intervallen müssen die Systeme überprüft werden, um

mögliche Schwachstellen aufzuspüren, aus denen Gas austreten

und die Umwelt schädigen kann. Für diese Messvorgänge kom-

men Sensoren zum Einsatz, mit denen sich Lecks finden lassen.

Die neue EU-Verordnung zu F-Gasen will die Hersteller nun

dazu bringen, zukünftig Gase mit niedrigen GWP-Werten ein-

zusetzen, um die Umwelt zu schonen. Aber auch diese Gase

haben einen Haken, denn viele von ihnen sind entweder ent-

Gassensor für Sicherheit und UmweltschutzTreibhausgase in Kühlanlagen gemäß EU-Verordung messen

Eine neue Verordnung der EU soll dazu beitragen, die schädlichen Emissionen der Industrie zu senken. An Stelle

von Treibhausgasen mit hohen GWP-Werten (Global Warming Potential), sollen klimafreundlichere Alternativen

zum Einsatz kommen. Die Verordnung sieht auch vor, dass die Dichtigkeit der Systeme überwacht und regel-

mäßig kontrolliert werden. Gassensoren sind dafür ein probates Mittel.

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Bauelemente Gassensoren


flammbar oder toxisch. Das Gefahrenpotenzial ist hoch, weshalb

Anlagenhersteller aufgefordert sind, bereits bei der Fertigung

ihrer Produkte notwendige Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen.

Die Anlagen müssen entsprechend der geltenden Verordnungen

konzipiert und regelkonform konstruiert werden. Auch hier sind

kontinuierliche und sorgfältige Überprüfungen obligatorisch.

Gassensoren vereinfachen die KontrolleFür die Überprüfung dieser umweltschädlichen Gase sind eben-

falls Gassensoren notwendig, die speziell auf die Anforderungen

dieser Umgebung ausgerichtet sind. Unitronic vertreibt dafür

Lösungen von Figaro Engineering, die nicht nur selbst entwi-

ckeln, sondern auch produzieren. Bei dem TGS 2630 beispiels-

weise handelt es sich um ein Basismodell, das sich für die beschrie-

benen Anforderungen eignet. Das Halbleiter-Gassensor-Element

ist auch die Basis für das vorkalibrierte Modul FCM 2630.

Der TGS 2630 reagiert auf hoch entflammbare Kühlgase wie

R32 und R1234yf mit niedrigem GWP sowie auch auf R-404a und

R-410a, die auch heute noch bei Klima- und Kühlanlagen zum

Einsatz kommen. Bei dem von Figaro in den Gassensoren verwen-

deten Sensorelement handelt es sich um einen SnO2-Halbleiter

(Zinndioxid), der bei sauberen Luftverhältnissen eine geringe

Leitfähigkeit aufweist. In Gegenwart eines nachweisbaren Gases

steigt die Leitfähigkeit des Sensors in Abhängigkeit von der Kon-

zentration des Gases in der Luft. Eine elektrische Schaltung wan-

delt die Änderung der Leitfähigkeit in ein Ausgangssignal um.

Anhand der generierten Werte lässt sich die Gaskonzentration

ermitteln. In dem Gehäuse des Sensors wird Filtermaterial ver-

wendet, um den Einfluss von Interferenzgasen wie Alkohol zu

eliminieren. Das ermöglicht die selektive Reaktion auf schwer

entflammbare Kältemittelgase. Aufgrund dieser Eigenschaften

eignet sich der Sensor besonders für stationäre Leckageanzeiger,

die eine lange Lebensdauer sowie eine hohe Beständigkeit gegen

Störgase aufweisen müssen. Die Miniaturisierung des Sensorchips

ist der Grund für den geringen Stromverbrauch des Sensors, der

in einem Standard TO-5-Gehäuse untergebracht ist und lediglich

einen Heizstrom von 56 mA benötigt.

Entwickler können jeden Sensor selbst mit individuellem Signal-

Processing und der entsprechenden Elektronik bestücken. Auch

die Konfiguration für die gewünschte Applikation sowie das Kali-

brieren übernimmt der Entwickler selbst, wodurch er das Einsatz-

feld des Sensors flexibel bestimmen kann.

Vorkalibriert ab WerkBei dem FCM2630 handelt es sich um ein Embedded-Typ-Modul

mit dem Halbleiter-Gassensor TGS2630, der leicht entflammbare

Kältemittelgase detektieren kann. Die Module dieser Produktfa-

milie sind vorkalibriert und haben bereits eine Temperaturkom-

pensationsschaltung integriert. Das Embedded-Modul ist resistent

gegen Störgase und eignet sich für die Kältemittel-Leckagesuche

in Klima- und Kälteanlagen. Die Empfindlichkeitseigenschaften

des Entwicklungsmoduls entsprechen denen des TGS2630-Sen-

sors. Da die notwendige Elektronik bereits vorhanden ist, können

Entwickler diese Module direkt implementieren und einsetzen

und verhältnismäßig schnell selbst ein Gasleckerkennungssystem

bauen. Ein Steckverbinder soll den Austausch des Gassensormo-

duls vereinfachen und dadurch eine regelmäßige Wartung ermög-

lichen. Zusätzlich sind die vorab konfigurierten Werte mit ver-

schiedenen Anwendungen kompatibel, lassen sich aber auf der

Schnittstelle auch noch individuell konfigurieren und anpassen.

FazitDer Markt für die neue Generation von Gassensoren steht noch

am Anfang. Das ändert sich aber, sobald die bislang noch einge-

setzten F-Gase aufgrund der neuen EU-Verordnung vom Markt

verschwinden werden. Hersteller von Klimaanlagen und indust-

riellen Kühlsystemen sowie Hersteller von Wärmepumpen sollten

sich darauf einstellen und in ihren Anlagen Gassensoren verwen-

den, die diese Gase aufspüren. So können sie sicher sein, dass sie

die geforderten Prüfintervalle sowie alle gesetzlichen Anforde-

rungen in einem adäquaten Zeitrahmen erfüllen. (prm) ■


Bild 1: Sensorelement im TGS 2630 ist ein

Zinnoxid-Halbleiter, der auch geringe Men-

gen umweltschädlichen Gases erfasst.

Bild 2: Auf dem Entwicklungsboard FCM 2630 ist der

Gassensor TGS 2630 integriert, wodurch Entwickler

auch direkt mit dem Design beginnen können.

Bild 3: Schaltdiagramm des Gassensors TGS 2630

von Figaro.

Bild

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nitro

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Figar

o

AutorEduard Schäfer

Leiter der Sensor-Abteilung bei Unitronic


Bauelemente Drucksensoren

Nicht zu groß, nicht zu kleinDrucksensoren in der Pneumatik anwendungsbezogen auswählen

Gerade in industriellen Anwendungen müssen Kom-

ponenten, insbesondere Sensoren, verschiedenen

Umwelteinflüssen trotzen und dabei noch weitere

technische Anforderungen erfüllen. Bei der Wahl des

richtigen Sensors gibt es keine Universallösung: Der

Entwickler muss bei jeder Anwendung eine erneute

Wahl treffen. Autor: Phillip Kistler

Die wohl entscheidende Frage bei der Auswahl des rich-

tigen Sensors ist die nach der Applikation. Dabei ist

wesentlich, mit welchem Medium der Sensor beauf-

schlagt wird. Handelt es sich um korrosive Medien oder um

Wasser, ist die Auswahl meist stark eingeschränkt und es wird

möglicherweise teuer. Gerade in der Pneumatik funktioniert

nicht jeder Sensor zuverlässig: Da immer ein wenig Öl in der

Luft vorhanden ist, wird der Sensor mit der Zeit angegriffen

und kann ausfallen. Ebenso wichtig ist es, darauf zu achten,

dass der Sensor nicht überdimensioniert ist und man die Kos-

ten damit in die Höhe treibt.

Drucksensoren in der Pneumatik nutzenPneumatik spielt schon lange eine bedeutende Rolle bei der

Verrichtung mechanischer Arbeit. Vor allem in der Automati-

sierung ist Pneumatik seit vielen Jahren verbreitet. Im Gegensatz

zur Hydraulik, wo das Arbeitsmedium Flüssigkeit ist, wird in

der Pneumatik Druckluft – verdichtete Umgebungsluft wird

meist als Druckluft bezeichnet – verwendet. Ihr Einsatzgebiet

ist sehr vielseitig. Man kann sie beispielsweise zum Reinigen,

zum Trocknen oder als Förderluft verwenden, weshalb in vielen

Industriegebäuden Druckluftnetze zur Ausstattung gehören.

Daraus ergibt sich ein weiterer gewichtiger Vorteil für die Pneu-

matik: Es lassen sich ohne großen zusätzlichen Aufwand Pneu-

matik-Komponenten installieren, beispielsweise für die Auto-

mation von Produktionsprozessen. Herkömmliche Luftdruck-

anlagen arbeiten meist in einem Bereich von 6 bis maximal 10

bar – Ausnahmen sind Anwendungen mit hohem Kraftbedarf,

wo höhere Drücke zum Einsatz kommen.

Vor allem in der Automation ist die Pneumatik heute sehr

verbreitet und kaum mehr wegzudenken. Besonders in hoch

industrialisierten Ländern setzt man, auch unter dem Druck der

hohen Löhne, stark auf die Prozessautomatisierung. Nur mit

einem hohen Automatisierungsgrad lassen sich Produkte in

diesen Ländern weiterhin zu marktgerechten Preisen produzie-

ren. Diese Entwicklung treibt das Wachstum von Herstellern von

Pneumatik-Komponenten an. In vielen dieser Komponenten ist

ein Drucksensor wesentlicher Bestandteil.



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tock

Sensor entsprechend der Anwendung wählenDamit ein Produkt langfristig auf dem Markt bestehen kann,

muss es richtig ausgelegt sein: Einerseits muss es die Anforde-

rungen für seine Anwendung erfüllen und unter den Umge-

bungsbedingungen über seine ganze Lebensdauer zuverlässig

funktionieren. Auf der anderen Seite sollte das Produkt oder die

Komponente nicht überdimensioniert sein. Wem nutzt ein Pro-

dukt, das für 20 Jahre Lebensdauer und raue Umgebungsbedin-

gungen konstruiert ist, wenn es typischerweise nach 5 Jahren

ersetzt werden muss und sich nur in klimatisierten Gebäuden

unter konstanten Temperaturen einsetzen lässt? Oder wenn es

auf eine extrem hohe Genauigkeit ausgelegt ist, aber diese Eigen-

schaft eigentlich gar nicht benötigt wird?

Das Problem bei überdimensionierten Produkten ist: Sie führen

oft zu deutlich höheren Kosten, was ihre Chance auf dem Markt

auf Dauer schmälert. Letztlich ist weder dem Pneumatik-Kompo-

nenten-Hersteller noch dem Sensor-Produzenten geholfen, wenn

die budgetierten Stückzahlen ausbleiben. Deshalb ist es essenziell,

Sensorik nach dem Leitsatz „fit for use“ zu designen beziehungs-

weise auszuwählen – das heißt: exakt auf die Anforderungen

abgestimmt. Ingenieure neigen tendenziell eher dazu, Produkte

oder Komponenten zu groß zu machen. Dies mag viele Gründe

haben. Nicht immer aber liegt es an den Entwicklern selbst, son-

dern vielmehr daran, dass die Anforderungen nicht klar definiert

sind oder dass der Entwickler erst dann involviert wird, wenn die

Serie bereits läuft und es Probleme gibt. Bei einem gut funktionie-

renden Design fristen Entwickler oft ein Schattendasein und erhal-

ten kein Feedback mehr. Das spornt sie natürlich eher dazu an,

weniger Risiken einzugehen und eher mit höheren Sicherheits-

Drucksensoren in rauen Industrieumgebungen sind einer

Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt – Staub, Vibration,

Flüssigkeiten und mehr. Entwickler müssen nicht nur das,

sondern noch weitere Eigenschaften wie Größe und Lebens-

dauer berücksichtigen und dann den richtigen Sensor für ihre

jeweilige Anwendung wählen.

Eck-DATEN



AutorPhillip Kistler

Produkt-Manager für Druck- und Flowsensoren

bei Pewatron


margen zu arbeiten – mit dem Resultat eines überdimensionierten

Produktes oder einer entsprechenden Komponente. Erfolgreiche

Firmen schaffen es, ihre Produkte sehr exakt auf die Anforderun-

gen der Applikation und des Marktes auszulegen. Dadurch gelingt

es ihnen, sich auch weiterhin gegen Konkurrenten aus Ländern

mit weit tieferen Kostenstrukturen zu behaupten.

Ein Beispiel für gut dimensionierte Komponenten ist der Druck-

sensor von Fujikura für Pneumatik-Anwendungen. Bei der Evalua-

tion des passenden Sensors landen Entwickler oft bei einem Kera-

mik- oder Edelstahl-Sensor. Das freut weder den Einkäufer, der

technologiebedingt einen markant höheren Einkaufspreis bezahlt,

noch den Konstrukteur, der für die falsche Sensor-Wahl viel mehr

Platz vorsehen und eine aufwendige Montage definieren muss. Dem

gegenüber steht der kompakte Drucksensor von Fujikura, der sich

mit seinem Kunststoffgehäuse auch auf Leiterplatten platzieren lässt.

Aufbau des Drucksensors von FujikuraBild 2 zeigt den Aufbau des Fujikura-Drucksensors. Daraus ist

gut ersichtlich, welche Materialien und Einzelteile Kontakt mit

dem Medium haben: das Gehäuse sowie der Port, der Sensor-Die

(Chip) und der Kleber zwischen dem Sensor-Die und dem Gehäu-

se. Das Gehäuse ist unproblematisch, da das Öl in der Pneuma-

tik-Luft den Kunststoff

nicht angreift. Schwie-

riger ist es beim Kleber.

Hier unterscheiden sich

die verschiedenen Sen-

sor-Hersteller. Der Kle-

ber ist entscheidend für

d ie Sensor-Per for-

mance. Verändert sich

der Kleber über die Zeit,

beispielsweise indem er

spröde wird, hat das

einen Einfluss auf das

Sensor-Signal. Da die

S e n s o r - M e m b r a n

direkt auf dem Kleber

befestigt ist, führt eine

Veränderung des Kle-

bers zu einer Drift des

Sensor-Signals. Es ist also entscheidend, dass der Kleber den

Zustand, den er bei der Kalibration hatte, über die ganze Lebens-

dauer beibehält. Entscheidend sind hier die Mixtur, die Menge

und der ganze Klebeprozess sowie die richtige Voralterung.

Wichtigste Komponente ist aber der Sensor-Chip, auch Sensor-

Die genannt. Im Fall des Drucksensors von Fujikura ist das ein

piezoresistiver Drucksensor-Chip mit Silizium als Grundmate-

rial. Auf der einen Seite – der Vorderseite – sind vier Messwider-

stände aufgebracht und als Wheatstone-Brücke angeordnet.

Durch Anlegen von Druck verformt sich die Membrane und die

Messwiderstände verändern ihren Wert durch Dehnung oder

Stauchung. Die Rückseite des Sensor-Dies besteht aus Silizium

ohne Messwiderstände. Bei den meisten Sensoren besteht das

Problem darin, dass die Vorderseite des Sensors mit dem Medi-

um beaufschlagt wird.

Je nach Medium werden die Messwiderstände entweder ange-

griffen oder sie verändern sich. Das Spezielle am Fujikura-Druck-

sensor ist: Es wird die Rückseite auf der Medienseite verwendet.

Da diese aus Silizium besteht und Silizium sehr beständig ist,

kann der Sensor mit diversen Medien beaufschlagt werden. Öl,

wie in der Pneumatik, kann dem Sensor nichts anhaben, aber

auch Wasser stellt kein Problem dar. (prm) ■

1: Keramik-, Edelstahl-

und Fujikura-Druck-

sensor im Kunststoff

Gehäuse.

2: Schematischer Auf-

bau eines Drucksensors

von Fujikora.

3: Schematischer Auf-

bau des Drucksensor-

Dies.

4: Grundaufbau einer

Wheatstone-Brücke.

1

3

2

4

Bild

er: P

ewat

ron


Bauelemente Highlights


Framos erweitert mit dem Global-Shutter-

CMOS-Sensor IMX530 von Sony sein

Sensormodul-Angebot. Mit ihm bietet der

Distributor den ersten Sensor aus der 4.

Generation der Pregius-Sensoren von

Sony auf seinen hauseigenen Sensormo-

dulen an. Durch Nutzung der SLVS-EC

Schnittstelle mit bis zu 8 Lanes zu je 5

Gbps ermöglicht er maximale Frameraten

von 98 fps bei einer Auflösung von 24,5

MP (5320 Pixel × 4600 Pixel). Die 2,74 μm

großen Pixel erlauben im Vergleich zu frü-

heren Sensorgenerationen eine bis zu dop-

pelt so hohe Pixeldichte, ohne dabei

Abstriche in der Bildqualität zu machen.

Auch hat Sony bei diesem Sensor die

Quanteneffizienz auf 74 Prozent steigern

und das Rauschen weiter reduzieren kön-

nen. Der rückseitig belichtete CMOS-Sen-

sor, der sich auf einem Sensormodul mit

den Standardabmessungen von 28 mm ×

28 mm befindet, kann aufgrund seiner

Bi ldqua l ität , Zuverläss igkeit und

Sensirion bietet mit der Erweiterung der

Produktpalette um die beiden Differenz-

drucksensoren SDP821 und den SDP831

eine Sensorlösung, die den hohen Anfor-

derungen an die Fehlersicherheit der

Klassen B und C nachkommt. In Gas-

Luft-Verbundsystemen wie beispielswei-

se bei Boilern lässt sich das Luft-Brenn-

stoff-Verhältnis durch einen Massenfluss-

sensor exakt und rasch regeln. Dies

ermöglicht eine dynamische Steuerung,

wodurch sich der Boiler energieeffizien-

ter betreiben und sich den wechselnden

Bedingungen schneller anpassen lässt.

Zudem sind die aktuellen Produktversi-

onen nach GAR-Standard (Gas Applian-

ces Regulation) entwickelt und zertifi-

ziert. Die kompkakten Formfaktoren von

SDP821 und SDP831 erlauben eine viel-

seitige Anwendung, zudem zeichnen sich

HOHE PIXELDICHTE UND BILDQUALITÄT

Bildsensormodul mit 24,5 Megapixel

MIT GAR-ZERTIFIZIERUNG

Differenzdrucksensoren für Luftstrommessung



Geschwindigkeit in der Industrie, Medi-

zintechnik, Verkehrstechnik und im pro-

fessionellen Videobereich zahlreiche

Anwendungen finden.

Der optionale Framos-Sensoradapter

(FSA), der einfach mit dem Sensormodul

FSM-IMX530 verbunden wird, übernimmt

nach Bedarf die MIPI CSI-2 Konvertierung

der SLVS-Daten des Sensors. Über einen

60-poligen Hirose-Steckverbinder ermög-

licht dieser Sensoradapter die direkte Ver-

bindung zu den gängigsten, für die Bild-

verarbeitung interessanten Systems-on-

Chip (SoCs). Durch die standardisierte

Schnittstelle ist dieses direkt kompatibel

zu den Prozessoradaptern von Framos, die

bereits heute den Anschluss an verschie-

dene NVIDIA-Entwicklungsplattformen,

wie dem Jetson TX2 und AGX Xavier,

erlauben. Beide Plattformen werden durch

ein Update des Framos-Software-Packs

auf Jetpack 4.2 und Linux for Tegra (L4T)

(Version 32.2) unterstützt. (prm) ■

die Differenzdrucksensoren durch ihre

schnelle Ansprechzeit und ihre Fehlersi-

cherheit aus. Sie bieten eine hohe Wie-

derholgenauigkeit und eine Sampling-

Rate von bis zu 2 kHz.

Die vollständig kalibrierten und tem-

peraturkompensierten Sensoren sind in

verschiedenen Versionen lieferbar. Die

SDP800-Serie basiert auf der patentier-

ten, unternehmenseigenen Cmosens-

Technologie, bei der die Differenzdruck-

messung mittels eines thermischen Mes-

sprinzips erfolgt. Dadurch arbeiten die

Differenzdrucksensoren von Sensirion

ohne Nullpunktdrift und sind bei Diffe-

renzdruckniveaus, Offset-Drift und Hys-

terese genauer als Sensoren mit piezore-

sistiver Membran. (prm) ■

Mit dem Sensormodul-Cosystem stellt Framos

eine Plattform zur Verfügung, die den gesamten

designseitigen Produktlebenszyklus von der

Entwicklung bis in die Produktion und Serien-

weiterentwicklung unterstützt.

Beide Sensoren von Sensirion sind GAR-zertifi-

ziert und eigenen sich so beispielsweise für ei-

nen Einsatz in Gasbrennern oder Boilern.

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: Fra

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Bild

: Sen

sirio

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Mobilfunk im Wandel5G: Wann und wie wird die Leistungsfähigkeit der Technologie spürbar?

Die 5G-Technologie ist immer weiter auf dem Vormarsch und

viele europäische Mobilfunkbetreiber erwarten, dass 5G im

Laufe des Jahres 2020 mit 37 geplanten Netzen online ist.

Die Leistungsfähigkeit von 5G ermöglicht bisher nicht realisier-

bare Anwendungen und gilt als Meilenstein der drahtlosen

Kommunikation. Autor: Sam Darwish

5G verspricht, das Privat- und Geschäftsleben zu verändern und eine

breite Palette von Anwendungen zu ermöglichen, darunter Augmen-

ted Reality (erweiterte Realität), Smart Citys und autonomes Fahren.

Dazu unterstützt es im Rahmen des Internets der Dinge (IoT) die Vernet-

zung von Milliarden von Sensoren und Geräten. Der durch 5G erzielte

Entwicklungssprung bei der Netzwerkleistung dürfte auch deutliche Aus-

wirkungen auf die Weltwirtschaft haben. Doch was ist 5G, warum soll es

derart große Umwälzungen für unser Leben mit sich bringen und wann

treten diese Änderungen konkret ein?

5G – warum, was und wann?Als sich 2015 herausstellte, dass die existierenden drahtlosen Mobilfunk-

netze nicht in der Lage sein würden, den von vielen Analysten prognos-

tizierten exponentiell steigenden Bandbreitenbedarf zu decken, veröf-

fentlichte die International Telecommunications Union (ITU) die Spezi-

fikation für die nächste Generation von Mobilfunknetzen – 5G. Zu den

hohen Anforderungen, die in IMT2020 definiert sind, gehören Spitzen-

datenraten von bis zu 20 Gbit/s (10- bis 20-mal schneller als 4G-Raten),

extrem niedrige Latenzen von 1 ms (gegenüber 30 bis 50 ms bei 4G) und

eine Anschlussdichte von 1000 Geräten pro Quadratki lometer

(Das sind insgesamt 100-mal mehr als 4G).

Seit dieser Veröffentlichung im Jahr 2015 beschäftigt sich die 3GPP, die

globale Normungsorganisation, mit den Standards für 5G und veröffent-

licht sie phasenweise, um so den Übergang von 4G/LTE zu 5G zu ermög-

lichen. Ursächlich für die Entwicklung von 5G war die Idee, Anwendungs-

anforderungen zu unterstützen, die von Stromeinsparung, niedriger

Datenrate bis hin zu hoher Bandbreite und Echtzeitreaktion reichen. Dazu

nutzen 5G-Netze ein breites Spektrum von 1 GHz bis hin zu 30 GHz und

darüber hinaus – die Millimeterwellenfrequenzen, die die hohen Daten-

raten und niedrigen Latenzen ermöglichen können. Die 5G-NR-Schnitt-

stelle (New Radio) sendet mit Orthogonal Frequency Division Multiple-

xing (OFDM), welches das Funkfrequenzspektrum äußerst effizient nutzt.

5G bietet zweifellos erhebliche Chancen für Netzbetreiber, wobei diese

allerdings den Einklang zwischen den erforderlichen Investitionen und

dem vorhandenen Cashflow wahren müssen. Der 5G-Release-Plan von

3GPP trägt diesem Umstand Rechnung und unterstützt einen nahtlosen

Übergang, indem er der Entwicklung von 5G-Non-Stand-Alone-Spezi-

fikationen (NSA) Priorität einräumt. 5G-NSA ermöglicht es Betreibern,

derzeitige Investitionen in 4G/LTE-Netze zu nutzen, und bietet Low- bis

Midband-5G-Dienste an.

Wireless 5G


Angetrieben vom latenten Bedarf an An-

wendungen in fast allen Industrie- und

Wirtschaftssektoren ist 5G weiter auf dem

Vormarsch. Auch wenn erste Systeme be-

reits eingeführt wurden, gibt es noch viel

Entwicklungsarbeit zu leisten, um alle Mög-

lichkeiten und das volle Leistungspotenzial

der IMT2020-Spezifikation zu erreichen. Die

5G-NR-Schnittstelle stützt sich als das Herz-

stück von 5G auf Hochfrequenztechniken

(RF), um die Leistungskraft von 5G über ein

breites Frequenzspektrum zu erschließen.

Eck-DATEN

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4Wireless 5G



Wireless 5G


Die Betreiber können außerdem ihre Vorabinvestitionen mini-

mieren, indem sie das durch veraltete 2G/3G-Dienste freige-

setzte Spektrum wiederverwenden und die bestehende Infra-

struktur mit Massive MIMO aufrüsten. Diese Strategien ermög-

lichen eine schnelle Umsatzgenerierung und gleichzeitig lässt

sich so der Aufbau, der für die High-Band-Dienste erforderlichen

dichteren Netze verschieben.

Tatsächlich lassen die Rollout-Pläne vieler Betreiber in China,

Japan und Europa darauf schließen, dass es sich dabei um einen

bevorzugten Ansatz handelt, wie den ersten, auf Frequenzen

im von 3,5 bis 4,5 GHz-Bereich basierenden 5G-Plänen von

Unternehmen wie KDDI und Softbank in Japan ebenso wie die

von EE und Vodafone in Großbritannien zu entnehmen ist.

Neue technische Möglichkeiten mit 5GDas Beamforming beispielsweise richtet das

von der 5G-Basisstation übertragene Signal auf

ein einzelnes mobiles Endgerät, sodass sich die

Sendeleistung optimal vor Störungen durch

mobile Geräte in der Nähe schützen lässt.Mul-

ti-User-MIMO, (MU-MIMO) stützt sich auf

eine große Anzahl von Antennen in der

5G-Basisstation – bis zu 64 –, um mit mehre-

ren mobilen Geräten gleichzeitig und unab-

hängig zu kommunizieren. Bei gleichzeitiger

Verwendung von Beamforming und MU-

MIMO (Bild 2) kann 5G mehr vernetzte Gerä-

te (in einer Größenordnung von >1000) als 4G unterstützen,

die Hochgeschwindigkeitsdaten mit niedriger Latenz an weit

mehr Benutzer übertragen. Network Slicing hingegen schafft

mehrfache virtuelle Netzwerke im Rahmen einer gemeinsamen

physischen Infrastruktur, indem es Techniken wie Software-

Defined Networking (SDN) und Virtualisierung von Netzwerk-

funktionen (NFV) verwendet. Die so entstehenden virtuellen

Netzwerke lassen sich an die spezifischen Bedürfnisse von

Anwendungen, Diensten, Geräten, Kunden oder aber auch den

Betreibern anpassen.

Die wichtigsten AnwendungenIn einer Vielzahl von Branchen ist ein latenter Bedarf an

5G-Kapazitäten für Anwendungen zu beobachten. Bild 2 zeigt,

wie die Anforderungen verschiedener Anwendungen auf die

drei wichtigen Anwendungsfälle der IMT202020-Spezifikation

der ITU abgestimmt sind.

Im Automobilsektor zum Beispiel hängt die Realisierbarkeit

des neuen C-V2X (Cellular Vehicle-to-everything), der Mobil-

funknetze für die Verkehrsvernetzung (Fahrzeuge, Ampeln,

Schilderbrücken, Lampenmasten, etc.) von den Geschwindig-

keiten und Latenzen von 5G ab. In der Industrie sind die beste-

henden kabelgebundenen Netzwerke nicht in der Lage, die

Anforderungen der intelligenten Industry-4.0-Fabrik zu erfül-

len, in der flexible, modulare und vielseitige

Produktionstechniken auf einer Kombination

aus automatisierten Systemen und menschli-

cher Kompetenz basieren. Die Latenzen aktu-

eller drahtloser Mobilfunknetze sind für viele

Fabrikprozesse, die in Echtzeit reagieren müs-

sen, ungeeignet, weshalb 5G eine neue Gene-

ration von Smart-Factory-Anwendungen

ermöglichen soll. Ausgehend vom ursprüng-

lichen Fabrikfließband lassen sich Roboteran-

wendungen für eine Vielzahl von vertikalen

Branchen entwickeln, darunter für Gesund-

heitswesen, Logistik, Leitsysteme, Sicherheit

und Überwachung, Bildung und Unterhaltung.

Parallel dazu erweitern sich durch Fortschritte in der künstli-

chen Intelligenz (KI) die Kapazitäten von Robotern. Doch um

kosteneffizient zu sein, müssen Roboter das rechenintensive

„schwere Heben“ selbst bewältigen können, was wiederum

die Cloud-Robotik fördern dürfte.

Mit 5G sollen auch die Netzwerk-Leistungsschranken fallen,

die dem Cloud-Robotik-Wachstum bisher im Wege standen.

Dazu ist es nötig, Videoaufnahmen, Videocodierung, Netz-

werkübertragung, Cloud-Decodierung und visuelle KI mit

einer Verzögerung von 100 ms zu erreichen. In vielen anderen

5G kann über 1000 vernetzte Geräte mehr

unterstüt-zen als 4G.

Bild 1: Verschiedene

Nutzungs-Szenari-

en, bei denen 5G

Anwendung finden

könnte.

Bild

: ITU


Bereichen wie zum Beispiel Smart Citys oder Smart Buildings

kommen diverse IoT-Sensoren in Überwachungssystemen,

Zugangssystemen, Brandmeldeanlagen, intelligenter Beleuch-

tung und anderen Anwendungen zum Einsatz. Viele dieser

Sensoren sind erforderlich, um Arbeiten mittels Remote-

Batteriebetrieb oder sogar Energy Harvesting zu ermöglichen

und erfordern daher Low-Power-Netzwerkprotokolle. Da

diese Anwendungen unter Umständen eine große Anzahl

von Sensoren in einem begrenzten geografischen Gebiet

beinhalten können, ist die hohe Anschlussdichte von 5G für

ihre Leistungsfähigkeit unerlässlich.

5G Technik anmietenEs entsteht in Zukunft ein völlig neues Ökosystem zur För-

derung des Aufbaus von 5G-Netzen, und die Nutzer verlan-

gen von den Betreibern, den Ausbau möglichst schnell vor-

anzutreiben, ohne irgendwelche Kompromisse bei der Qua-

lität und den effektiven Tests eingehen zu müssen. Die kom-

plexen Wellenformen und die großen Bandbreiten von

5G-Netzen bringen eine Vielzahl neuer Herausforderungen

für Tests zur Erzeugung und Analyse von 5G-Signalen mit

sich. Um die Marktchancen zu nutzen, benötigt 5G Lösungen

für den schnellen und flexiblen Zugang zu Geräten ohne

große Kapitalinvestitionen. Das Anmieten von entsprechen-

der Technik, wie Microrelease es beispielsweise ermöglicht,

ist hierfür eine adäquate Lösung, um stets Zugang zu der

neuesten Ausrüstung zu erhalten. (aok) ■

AutorSam Darwish

UK und MEA Sales Director bei Microrelease


Bild 2: Beim Beamforming

richtet sich das von der

5G-Basisstation übertra-

gene Signal auf ein ein-

zelnes mobiles Endgerät.

Bild

: Eric

sson

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Wireless ...im Stromnetz


Viele Bauteile eines Stromnetzes

sind mittlerweile älter als 50 Jah-

re. Die meisten dieser ursprüng-

lichen missionskritischen Anlagenteile

funktionieren aber nach wie vor, sodass

ein Austausch bisher nicht nötig war.

Folglich ist das Sicherstellen der Interope-

rabilität die größte Herausforderung bei

der Weiterentwicklung der Netze. Wie

etwa lassen sich erprobte und bewährte

Technologien wie RS-232 oder RS-485 in

das Netz einbinden, während parallel die

Umstellung auf aktuelle Ethernet-Tech-

nologien erfolgt und drahtlose Lösungen

wie Sub-Gigahertz, Bluetooth und Wi-Fi

zum Einsatz kommen?

Während sich das Internet of Things

(IoT) im Stromnetz weiterentwickelt, hat

sich der Großteil der zugrundeliegenden

zusammengefügt, die sich auf regionaler

Ebene bewährt haben. Die Norm IEC 61850

macht den Versuch, die Kommunikations-

protokolle für intelligente elektronische

Einrichtungen in Umspannwerken und

Schaltanlagen zu standardisieren. Als die

Klein- und Großstädte expandierten,

begann der Ausbau der Netzinfrastruktur

mit ihren Überlandleitungen, Verteilleitun-

gen und Umspannwerken, um Kraftwerke

und Verbraucher zu verbinden. Die Anlagen

in den Umspannwerken benötigten eine

sichere und zuverlässige Methode, um

untereinander zu kommunizieren, damit

innerhalb eines Umspannwerks ein Infor-

mationsaustausch für Schutz- und Steue-

rungszwecke möglich war. Jahrzehntelang,

nämlich bis in die 1990er Jahre, bewährte

sich hier die leitungsgebundene Kommu-

Flickenteppich StromnetzeEin Smart Grid muss interoperabel zwischen Stromnetzen agieren können

Um das Alter eines Baumes zu bestimmen, genügt es, seine Jahresringe zu zählen. Bei einem Elektrizitäts-

verteilungsnetz hingegen müssen die Techniker gezielt nach dessen ältester Komponente suchen. Hierbei

eine Interoperabilität zwischen neuen Technologien und Altbewährtem herzustellen, erweist sich oft als

große Herausforderung. Autor: Amit Kumbasi

Technologien zum Bau eines intelligenten

Stromnetzes (Smart Grid) bestens etabliert

– ob drahtlos oder leitungsgebunden. Was

noch fehlt, ist ein Gerüst, das all dies

zusammenhält.

Geschichte der StromnetzeDie meisten heutigen Stromverteilungs-

netze sind ein regelrechter Flickenteppich

aus unterschiedlichen Technologien für die

Überwachung, den Schutz und die Steue-

rung der wichtigsten Anlagenteile. Diese

Einrichtungen wurden im Laufe der Jahre

ständig erweitert, um mit dem Bedarf

Schritt zu halten. Auch wenn neue Kon-

nektivitäts-Technologien zum Einsatz kom-

men, müssen diese mit den vorhandenen

Altanlagen interagieren können.Die heu-

tigen großen Netze wurden mit Methoden

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nikation per RS-232 und RS-485. Dann trat

Ethernet mit seiner deutlich größeren Band-

breite auf den Plan und erreichte zuneh-

mende Verbreitung. Während drahtlose

Lösungen auf Störungsüberwachungs-

Anlagen im Übertragungs- und Verteilbe-

reich beschränkt blieben, hat der Umstieg

auf die stromsparende drahtlose Anlagen-

überwachung im Verteilnetz gerade erst

begonnen. Netzausrüstungen und Über-

wachungseinrichtungen waren für eine

Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren ausgelegt.

Die althergebrachte Verkabelung ermög-

licht aber nach wie vor zuverlässige Verbin-

dungen, wenn Anlagen miteinander kom-

munizieren müssen. Obwohl drahtlose

Technologien kostengünstiger zu integrie-

ren wären, ergibt der Austausch einer kom-

pletten Netzinfrastruktur, die zwar bereits

Jahrzehnte alt ist, aber nach wie vor ihren

Dienst tut, aus finanzieller Sicht keinen

Sinn. Ganz abgesehen davon kommt bei

allen drahtlosen Übertragungstechnologi-

en unweigerlich das Thema Security, also

der Schutz vor unbefugten Zugriffen, ins

Spiel. Auch wenn es zu einer Ablösung

durch neuere Funk-Technologien kommen

sollte, müssen die Nachfolgelösungen den-

noch mit Equipment kommunizieren, das

um einige Jahrzehnte älter ist (Bild 3).

Konstruktion von Umspannwerken beein-

flusst hat, was das Sammeln, Koordinieren

und Übertragen von Daten angeht, bleiben

doch Kompatibilitätseinschränkungen

bestehen. Letztendlich ist jede Ergänzung

zum Netz entsprechend der Ausgereiftheit

der verfügbaren Technologie konstruiert.

01_gt_bu_st Qui aut

fugiaspiento qui rer-

ferem inciand escillis

ut ut officimpore es-

tio. Git laut ut por

sam audae lat odigni-

tiorum et

Es ist wohl nur eine Frage der Zeit, bis digitale und IoT-

basierte Stromnetze der Standard sind. Diese müssen

dann jedoch mit den althergebrachten Protokollen und

aktuellen leitungsgebundenen Technologien gleicher-

maßen zurechtkommen. Die heutigen Technologien kön-

nen dann aber den älteren Anlagenteilen ein besseres

Ressourcenmanagement ermöglichen. Wegen der hohen

Lebensdauer älterer Komponenten dürfte die Umstel-

lung aber noch mehrere Jahre oder Jahrzehnte dauern.

Mit seinen Referenzdesigns möchte TI bereits heute ein

Gerüst dafür liefern.

Eck-DATEN

Anreize zum Bau eines Smart GridAufgrund ihres europäischen Ursprungs

ist die Norm IEC 61850 in den europäi-

schen Ländern und Regionen, in denen

europäische Hersteller ihre Anlagen ver-

treiben, stärker verbreitet. Auch wenn die-

ser globale Konnektivitäts-Standard die

Bild 1: Drahtlose Kon-

nektivität zur Überwa-

chung und zum Schutz

von Geräten in einer

Schalteinrichtung.Bild

er: T

exas

Inst

rum

ents




Ein Umspannwerk in einem älteren Stadt-

teil dürfte kaum Daten von den Anlagen

einholen, ganz im Gegensatz zu einem

neueren Umspannwerk in einem jüngeren

Stadtteil, denn es gibt keine vorgeschrie-

bene Norm. Beim Zusammenwachsen die-

ser Stromverteilungs-Netze stellt die Inte-

roperabilität eine Herausforderung dar,

weil die Verantwortlichen die zugrunde-

liegende Infrastruktur, die das Equipment

eines Umspannwerks miteinander verbin-

det, unterschiedlich konstruiert haben.

Eine ähnliche Situation gibt es auch an

anderer Stelle. Während die älteren

Umspannwerke vielleicht nur über weni-

ge Trennschalter, Transformatoren, Regler

und andere Schutz- und Überwachungs-

einrichtungen verfügen, kommen mit neu-

en Leitungen auch neue Trennschalter und

aktuelle Schutzrelais hinzu, die jedoch mit

den vor 20 Jahren installierten Einrichtun-

gen kommunizieren sollten. Es funktio-

niert zwar alles, aber eben auf unterschied-

liche Weise. Hieraus resultiert der Anreiz

und die Herausforderung zur Realisierung

des Smart Grids und per IoT verbundener

Netze, die ihre Daten je nach Bedarf her-

auf- und herabskalieren können.

Ein fortschrittliches Stromverteilnetz

kann sich selbst reparieren, wenn es zu

einer Störung kommt, und es ermöglicht

Skalierbarkeit und Interoperabilität zwi-

schen Netzeinrichtungen und Endgeräten.

Ein solches Netz stellt Elektrizität zur Ver-

fügung, und zwar im Idealfall aus mög-

zen noch vorfinden. Das UART-Protokoll

(Universal Asynchronous Receiver Trans-

mitter) benötigt beispielsweise nur zwei

Leitungen zum Übertragen von Daten

zwischen verschiedenen Geräten. Das RS-

232-Protokoll ist sogar 60 Jahre alt und

war einstmals der einzige Standard für

den Datenaustausch. Der RS-232-Stan-

dard definierte Spannungspegel, die für

Immunität gegen Störbeeinflussungen

sorgten und die Fehlerhäufigkeit beim

Datenaustausch reduzierten.

Noch heute ist diese Schnittstelle an den

meisten Computern vorhanden.RS-485

hat sich mittlerweile zu einem der vielsei-

tigsten Kommunikations-Standards ent-

wickelt und kommt in Datenerfassungs-

und Steuerungsanwendungen, in denen

mehrere Knoten miteinander kommuni-

zieren müssen, vielfach zur Anwendung.

Im Unterschied zur massebezogenen Sig-

nalisierung des RS-232-Standards ist die

differenzielle Signalisierung von RS-485

unempfindlich gegenüber Störungen auf

der Signalleitung, die sowohl die maxi-

male Übertragungsdistanz als auch die

Übertragungsrate einschränken.

Die Einführung des Profibus-Standards

für die Feldbus-Kommunikation geht auf

die Mitte der 1980er Jahre zurück. Nach

wie vor ist Profibus eine der populärsten

Technologien, wenn es um die Verbindung

von Instrumenten geht.

Ungeachtet ihres Alters bieten diese

Standards und Protokolle nach wie vor

Vorteile, die sich teils aus ihrer Einfachheit

und Zuverlässigkeit erklären, und zeich-

nen sich durch gute Schutzeigenschaften

aus. Anders als aktuelle Ethernet- und

Wi-Fi-Netze lassen sie sich nicht ohne

weiteres hacken. Überdies sind sie kos-

teneffektiv, solange keine großen Daten-

mengen zu übertragen sind. Dies kann

jedoch eine gravierende Restriktion dar-

stellen, wenn es darum geht, die Flexibi-

lität und Funktionalität des Stromnetzes

zu verbessern. Die niedrigen Übertra-

gungsraten und geringeren Bandbreiten

öffnen die Tür zu Ethernet, das Datenra-

ten im Bereich von Megabytes pro Sekun-

de unterstützt. Das Ethernet MAC- und

PHY-Interface unterstützt heute zwei

Ports, was für Redundanz, größere Band-

breiten und Übertragungsraten sowie die

Fähigkeit zum Nachrüsten zusätzlicher

Funktionalität sorgt.

lichst vielen erneuerbaren Quellen sowie

mit einem bidirektionalen Energiefluss.

Ein Smart Grid zielt darauf ab, die Her-

ausforderungen der traditionellen Netze

zu überwinden und die Voraussetzungen

für Überwachung, Auswertung, Steue-

rung und Kommunikation zu schaffen.

Dies soll helfen, die Effizienz zu steigern,

den Energieverbrauch und die Kosten zu

senken und ein Maximum an Transparenz

und Zuverlässigkeit zu erreichen. Das IoT-

gestützte Stromverteilungsnetz geht hier

sogar noch einen Schritt weiter und inte-

griert eine größere Zahl von Sensoren mit

geringem Strombedarf und drahtloser

Kommunikationsknoten.

Dennoch ist die leitungsgebundene

Technik unverzichtbar, denn sie bildet

auch beim Smart Grid das Rückgrat der

Technologie. Ungeachtet dessen spricht

auch etwas dafür, die alte Technik zu

ersetzen, egal wie funktionsfähig und

zuverlässig sie noch sein mag (Bild 2).

Das Für und Wider leitungsgebun-dener TechnologienDie fest verdrahtete Netzinfrastruktur

blickt auf eine lange Nutzungsdauer von

50 Jahren zurück. Es gibt sie aber immer

noch, denn sie funktioniert und es würde

übermäßig hohe Kapitalaufwendungen

mit sich bringen, sie durch etwas Besseres

zu ersetzen.Viele ältere Kommunikations-

protokolle, Schaltungen und Verkabelun-

gen lassen sich auch in den heutigen Net-

Transfomer

Transducer

Substation

Gateway

Control Room

Merging units

Circuit breaker

Process bus

Terminal unit

IED

Wired Comms.Ethernet (coper, fiber),RS485, sensor signals,I/O signals

Station bus

Central computer

Protection relayAutomation controller

Bild 2: Auf die leitungsgebundene Technik kann nicht verzichtet werden, denn sie bildet

auch das Rückgrat des Smart Grid.




AutorAmit Kumbasi

Systems Manager, Grid Infrastruc-

ture bei Texas Instruments


TI-Referenzdesigns für leitungsge-bundene TechnologienTI hat Referenzdesigns entwickelt, die

deutlich machen, wie sich eine bestimm-

te Kommunikationstechnologie so in die

bestehenden Netzausrüstungen einbinden

lässt, dass ihre Vorzüge maximal zur Gel-

tung kommen. Gleichzeitig zeigen diese

Modelle, wie sie mit anderen Technologi-

en – darunter auch ältere Protokolle –

kommunizieen.Für die Protokolle RS-232

und RS-485 hat TI gleich mehrere Refe-

renzdesigns zu bieten. Zum Beispiel stellt

das Referenzdesign Isolated RS-232 with

Integrated Signal and Power eine kom-

pakte Lösung dar, die eine isolierte Gleich-

stromversorgung bereitstellt und die iso-

lierte RS-232-Kommunikation unterstützt.

Es besteht aus einem verstärkten Digita-

lisolator mit integrierter Stromversorgung,

kombiniert mit einem RS-232-Kommuni-

kations-Transceiver.

Für RS-485 gibt es zwei Referenzde-

signs. Das Communication Module Refe-

rence Design for Functional Isolated

RS-485, CAN and I2C Data Transmission

ist ein kostengünstiges, effizientes Kom-

munikationsmodul für industrielle Syste-

me wie etwa Speicher-Banks, die nach

isolierter Kommunikation und Stromver-

sorgung verlangen. Das Design eignet sich

unter anderem deshalb für Elektrizitäts-

netze, weil es auf seine Fähigkeit zur

betriebssicheren Datenübertragung in

rauen Einsatzumgebungen geprüft ist. Bei

stehen abhängig von der jeweiligen

Anwendung Bluetooth Low Energy, Sub-

Gigahertz und Wi-Fi, die jeweils unter-

schiedliche Eigenschaften bezüglich

Übertragungsdistanz, Bandbreite, Strom-

verbrauch und Störempfindlichkeit auf-

weisen können.

Das Grid-IoT-Reference-Design for

Connecting Circuit Breakers and Sensors

to Other Equipment Using Wi-Fi demons-

triert das Einrichten eines Wi-Fi-Netz-

werks, Schemata für den Datentransfer

und Liegen größere Entfernungen zwi-

schen den Ausrüstungen, sodass sich

Übertragungsdistanzen von mehr als ein

paar Kilometern ergeben, oder steht kein

Wi-Fi-Netzwerk zur Verfügung, können

Sub-Gigahertz und 2,4 GHz als Funk-

spektren genutzt werden. Das Grid-IoT-

Reference-Design: Connecting Fault Indi-

cators, Data Collector, Mini-RTU Using

Sub-1 GHz RF von TI nutzt die Sub-Giga-

hertz-Funkkommunikation in einem

Sternnetzwerk, das mehrere Sensorkno-

ten mit einem Datensammler verbindet.

Das Design ist für geringen Stromver-

brauch und kurze Distanzen optimiert

und nutzt einen Overhead Fault Passage

Indicator und einen Datensammler. Mit

diesen drahtlosen Technologien kommt

jetzt zusätzlich ein großes Maß an Flexi-

bilität, gepaart mit einer sehr hohen Netz-

Interoperabilität hinzu.

Sie können beim bedarfsweisen, nahe-

zu verzögerungsfreien Erfassen großer

Datenmengen aus dem Netz dienen,

sodass sich dadurch der Betriebszustand

eines Anlagenteils insgesamt besser

überwachen lässt.

Wi-Fi, Bluetooth Low Energy und Sub-

Gigahertz gestat ten ein züg igeres

Deployment primärer und sekundärer

Anlagenteile in einem Smart Grid ,ohne

dabei jedoch den Zeit- und Kostenauf-

wand, der bei aktuellen leitungsgebun-

denen Technologien wie Ethernet ent-

steht, zu verursachen. (aok) ■

dem Isolated-RS-485 with Integrated Sig-

nal and Power Reference-Design dagegen

handelt es sich um eine kompakte Lösung

mit der Fähigkeit zur Bereitstellung einer

isolierten Gleichstromversorgung bei

gleichzeitiger Unterstützung einer isolier-

ten RS-485-Kommunikation. Es besteht

aus einem verstärkten Digitalisolator mit

integrierter Stromversorgung, kombiniert

mit einem RS-485-Kommunikations-

Transceiver. Für Ethernet schafft das High

Availability Seamless Redundancy Ether-

net for Substation Automation Reference-

Design ein Gerüst für latenzarme Netz-

werk-Kommunikation für automatisiertes

Equipment in Umspannwerken in Smart

Grids und Verteilnetzen.Natürlich ist

Ethernet mit einigen Nachteilen der älte-

ren Verkabelung behaftet. Techniker müs-

sen nach wie vor Lichtwellenleiter vergra-

ben, wie es früher auch bei Kupferkabeln

notwendig war. Gräben auszuheben und

Glasfaserkabel hineinzulegen, erfordert

jedoch beträchtliche Kapitalaufwendun-

gen, und so gehören zu einem zeitgemä-

ßen Smart Grid auch drahtlose Technolo-

gien wie etwa Sub-Gigahertz, Bluetooth

und Wi-Fi, die die leitungsgebundenen

Technologien ergänzen (Bild 1).

Wichtige Aspekte zu drahtlosen TechnologienDurch die drahtlose Kommunikation

erhalten Netzwerke Redundanz und

Selbstheilungsfähigkeit. Zur Auswahl

Transfomer

Transducer

Substation

Gateway

Control Room

Merging units

Circuit breaker

Process bus

Terminal unit

IED

Wired Comms.Ethernet (coper, fiber),RS485, sensor signals,I/O signals

Wireless access hub (WiFi)

Wireless access hub (Sub-1 GHz, 2.4 GHz)

Central computer

Protection relayAutomation controller

Station bus

Bild 3: Auch wenn es bei Stromnetzen zu einer Ablösung durch neuere Funk-Technologien kommen

sollte, müssen die Nachfolgelösungen dennoch mit Equipment kommunizieren, das um einige Jahr-

zehnte älter ist.


Verzeichnisse/Impressum


CTX Titelseite

Digi-Key Titelseite, 2. US, 20-21, Banderole

Electronic Assembly 25

Endrich 45

Kamaka 13

Microchip 17

Mouser 3

Rutronik 5

TRACO 31

3GPP 42

Adesto Technologies 28

Advantech 28

Altair 6

Analog Devices 32

ARM 6, 27

Arrow 6

Comp-Mall 26

Congatec 27

CTX 8

Cypress Semiconductor 28

Decaware 6

Digi-Key 28

Electronic Assembly 22

Element Materials Technology 6

Fortec Elektronik 27

Framos 41

Fujikura 38

Gigadevice 28

Harting 12

Hirose 12, 41

Inpotron 18

Intel 26

Issi 28

KDDI 42

Kontron 27

Leoni 12

Maxim Integrated 19

Microchip 6

Microrelease 42

Murr elektronik 12

New Fasant 6

ON Semiconductor 28

Pctest Engineering Laboratory 6

Pewatron 38

Phoenix Contact 6

Qorvo 6

Rafi 13

Recom 19

Renesas 14, 28

Schukat 22

Schurter 26

Sensirion 41

Sequitur Labs 6

Silicon Motion 28

Smart B Energy 6

Softbank 42

Softing IT Networks 12

Sony 41

Star Lab 6

ST Microelectronics 6

Swissbit 6

Synopsys 6

TE Connectivity 12

Texas Instruments 46

Tinfoil Security 6

Toradex 8

Unitronic 36

Vodafone 42

W+P Products 13

Wind River 6

Würth Elektronik 12

Zigbee Alliance 6

Biller, Thomas 22

Chan, Chi-Foon 6

Christian, Sebastien 32

Clark, Graeme 14

Darwish, Sam 42

Kistler, Phillip 38

Kumbasi, Amit 46

Miron, Rich 28

Noall, Charles 6

Püthe, Hermann 18

Schäfer, Eduard 36

Schmitz, Wilfried 8

Weßelmann, Mathias 6

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www.elektronikjournal.com www.all-electronics.de ISSN: 0013-5674 55. Jahrgang 2020

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Date post:	21-Jun-2020
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