Das Themen-Magazin für Entwickler...logie bekannter wird und dass die Entwicklung neuer Produkte...
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2 elektronik journal 01 / 2020
www.all-electronics.de
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
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
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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
2 elektronik journal 01 / 2020
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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
Sie alle Informationen sowie viele
weitere Fachartikel, News und Produkte
auf unserem Online-Portal. Dort erhal-
ten Sie durch Eingabe der infoDIREKT-
Nummer teilweise auch ausführlichere
Versionen der Beiträge.
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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
05. - 07.05.2020
PCIMHalle 8, Stand D33
... AUF FOLGENDEN
FACHMESSEN:
www.rutronik.com Committed to excellence
Mehr Informationen zu Produkten und Karrieremöglichkeiten unter www.rutronik.com
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.
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: 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
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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.
infoDIREKT 177ae0120
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
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s
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.
Bild
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er: A
ltair
Prüf- und ZertifizierungsdienstleistungenElement Materials Technology kauft Pctest
Element er-
wirbt Pctest.
Im Bild: CEO
Charles Noall.
Bild
: Ele
men
t
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.
infoDIREKT 178ae0120
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.
infoDIREKT 158ae0120
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.
infoDIREKT 161ae0120
infoDIREKT 156ae0120
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
Elektromechanik Coverstory
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
10 elektronik journal 01/2020
Elektromechanik Coverstory
www.all-electronics.de
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
Elektromechanik Coverstory
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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
12 elektronik journal 01/2020
Elektromechanik Steckverbinder
www.all-electronics.de
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.
infoDIREKT 669ae0120
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
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 667ae0120
infoDIREKT 667ae0220
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
oduc
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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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m
elektronik journal 01/2020 15
Power IoT
www.all-electronics.de
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
16 elektronik journal 01/2020
Power IoT
www.all-electronics.de
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
: Kin
ergi
zer
Bild 2 (links): Der Energy Harvesting Controller (EHC).Bild
: Ren
esas
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
www.microchip.com/FlexiblePower
Kein System kann ohne zuverlässige Stromversorgung auskommen. Unsere DEPA-Lösungen (Digitally Enhanced Power Analog) kombinieren die ®-Mikrocontrollers (MCU). Damit lassen
sich Digitalfunktionen zu einem zuverlässigen, einfach zu implementierenden analogen Regelkreis hinzufügen und somit ein schnelles Einschwingverhalten, hohe Wirkungsgrade sowie zuverlässige Amplitudenreserven und Phasenränder erzielen. Die Möglichkeit, Systemänderungen mit maßgeschneiderten Algorithmen zu messen und darauf zu reagieren, macht Systeme robuster und bietet gleichzeitig Diagnose- und Kommunikationsoptionen.
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
infoDIREKT 404ejl0120
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) ■
18 elektronik journal 01/2020
Power LED-Treiber
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 905ejl0120
Mit diesem Vierkanal-LED-Treiber lassen über das DALI-Signal eindrucks-
volle Fassadenilluminationen bis 200 W direkt realisieren.Bi
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elektronik journal 01/2020 19
Power Highlights
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 907ejl0120
infoDIREKT 906ejl0120
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.
Bild
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im In
tegr
ated
Bild
: Rec
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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
Bild
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ctor
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k
elektronik journal 01/2020 23www.all-electronics.de
Boards + Displays Entscheidungshilfe
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
www.all-electronics.de
Boards + Displays Entscheidungshilfe
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
24 elektronik journal 01/2020
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.
Boards + Displays Entscheidungshilfe
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
infoDIREKT 601ejl0120
MULTIFUNCTION TFT5“ | 7“ | 10“ uniTFT
ELECTRONIC ASSEMBLY GmbH · Phone: +49 (0)8105/778090 · [email protected] · www.lcd-module.de
DOWNLOAD THE AUGMENTED REALITY APP
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.
26 elektronik journal 01 / 2020
Boards + Displays Highlights
www.all-electronics.de
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)
infoDIREKT 661ae0120
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) ■
infoDIREKT 653ae0120
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.
elektronik journal 01 / 2020 27
Boards + Displays Highlights
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 658ae0120
infoDIREKT 677ae0120
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
28 elektronik journal 01/2020
Bauelemente Embedded-Speicher
www.all-electronics.de
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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nior
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ck.a
dobe
.com
elektronik journal 01 / 2020 29
Bauelemente Embedded-Speicher
www.all-electronics.de
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
: ON
Sem
icond
ucto
r
Bild
: Cyp
ress
Sem
icond
ucto
r
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
30 elektronik journal 01/2020
Bauelemente Embedded-Speicher
www.all-electronics.de
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.
Bild
: Cyp
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Bild
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elektronik journal 01 / 2020 31
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Autor Rich Miron
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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
32 elektronik journal 01/2020www.all-electronics.de
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.
elektronik journal 01/2020 33
Bauelemente Signalauswertung
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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
34 elektronik journal 01/2020
Bauelemente Signalauswertung
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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
elektronik journal 01/2020 35
Bauelemente Signalauswertung
www.all-electronics.de
„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
infoDIREKT 402ejl0120
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.
36 elektronik journal 01/2020
Bauelemente Gassensoren
www.all-electronics.de
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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: Wai
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elektronik journal 01/2020 37
Bauelemente Gassensoren
www.all-electronics.de
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) ■
infoDIREKT 903ejl0120
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.
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Figar
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AutorEduard Schäfer
Leiter der Sensor-Abteilung bei Unitronic
38 elektronik journal 01/2020www.all-electronics.de
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.
elektronik journal 01/2020 39www.all-electronics.de
Bauelemente Drucksensoren
Bild
: srk
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- Ado
be S
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
40 elektronik journal 01/2020www.all-electronics.de
Bauelemente Drucksensoren
AutorPhillip Kistler
Produkt-Manager für Druck- und Flowsensoren
bei Pewatron
infoDIREKT 902ejl0120
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
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elektronik journal 01/2020 41
Bauelemente Highlights
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 908ejl0120
infoDIREKT 909ejl0120
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.
Bild
: Fra
mos
Bild
: Sen
sirio
n
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
42 elektronik journal 01/2020www.all-electronics.de
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
elektronik journal 01/2020 43www.all-electronics.de
44 elektronik journal 01/2020
Wireless 5G
www.all-electronics.de
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
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 400ejl0120
Bild 2: Beim Beamforming
richtet sich das von der
5G-Basisstation übertra-
gene Signal auf ein ein-
zelnes mobiles Endgerät.
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46 elektronik journal 01/2020
Wireless ...im Stromnetz
www.all-electronics.de
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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elektronik journal 01/2020 47
Wireless ...im Stromnetz
www.all-electronics.de
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.
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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
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48 elektronik journal 01/2020
Wireless ...im Stromnetz
www.all-electronics.de
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.
elektronik journal 01/2020 49
Wireless ...im Stromnetz
www.all-electronics.de
AutorAmit Kumbasi
Systems Manager, Grid Infrastruc-
ture bei Texas Instruments
infoDIREKT 403ejl0120
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.
50 elektronik journal 01/2020
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