DasThemen-MagazinfürdenEntwickler · 2017. 6. 12. · 1 elektronikjournal 04/2017...

1 elektronik journal 04/2017 www.all-electronics.de

www.all-electronics.de

Das Themen-Magazin für den Entwickler

SENSORIKWarum bei Drucksensorenein neues Sensordesignnotwendig ist 14

MESSE SENSOR + TESTSensorlösungen auf derMesse in Nürnberg: Trendsund neue Produkte 30

MESSTECHNIKMesstechnische undEDA-Herausforderungen beider Entwicklung 38

Siloxan-resistenterMOX-Gassensor 10

UMWELTSENSOREN

Mai 2017

MESSTECHNIK + SENSORIK


Editorial

editorial

sensoren, die wahren enabler

Der AutomobilzuliefererHella verkündete Mitte April, dass mittlerweile 750Millionen induktive

Positionssensoren auf Basis der Ciposgenannten Technologie des Unternehmens auf den Straßen derWelt unterwegssind. Diese Stückzahl ist eine echte Hausnummer, aber sie zeigt auch, wie wichtigdie kleinen Sensoren (bei weitem mehrals nur Cipos) sind – nicht nur im Autosondern auch in der Industrie, in derMedizin, in der Luft und Raumfahrt oderin der ConsumerElektronik: Ohne verlässliche, von Sensoren gelieferte Eingangsdaten nutzen die beste Elektronikund die beste Aktorik bekanntlich nichts.

In noch größeren Stückzahlen sind mittlerweile MEMSSensoren zur Messungvon Beschleunigung und Drehmomentauf dem Markt. Ohne sie wären vieleSpiele und Funktionen im Smartphonegar nicht möglich. Wer hätte jemalsgedacht, dass diese Sensoren, dieursprünglich für ESP/ESCSysteme imAuto entwickelt wurden, mittlerweile in(leicht) abgespeckter Versionmittlerweile in gigantischenMengen auf dem ConsumerMarkt ihre Abnehmer finden? Zuden ganz Großen in diesem Geschäft

zählt übrigens Bosch mit seiner Tochterfirma Bosch Sensortec.

Wie vielfältig mittlerweile die Sensorweltgeworden ist, das sehen Sie in dieser Ausgabedes elektronik journal, die Ihnenauchdie Planung eines eventuellen Messebesuchs auf der Sensor + Test 2017 in Nürnberg erleichtern soll. Obwohl wir ab Seite30 jeweils nur ganz kurz über diverse Sensorneuheiten zur Messe berichten, ist derBeitrag dennoch ziemlich umfangreichgeworden. Der in unserer Coverstory aufSeite 10 beschriebene Sensor wird auf derMesse übrigens erstmals in der Öffentlichkeit zu sehen sein.

Damit die Signalkette vomSensor über dieSignalverarbeitung bis zum Aktor zuverlässig funktioniert, ist auch vielMesstechnik erforderlich. Aus diesem Grundberichten wir ab Seite 38 auch auf 20 Seiten über wesentliche Aspekte undNeuigkeiten in diesem Bereich. Der Kreis zwischen Sensor und Messtechnik schließtsich immer wieder.

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4 elektronik journal 04/2017

Mai 2017


märkte + technologien

06 News und Meldungen

coverstory

10 Siloxan-resistenter Metalloxid-GassensorWeltneuheit auf der Sensor + Test

sensorik

14 Anforderungen an DrucksensorenWarum ein neues Sensor-Designnotwendig ist

18 NDIR-Sensor zur Detektion von SF6

(Schwefelhexafluorid)Für SF6-isolierte Hochspannungsschalt-anlagen

22 Vielseitige AnwendungenDer weltweit kleinste elektrochemischeSensor – ein NO

2-Sensor

25 HighlightON Semiconductor

26 Bye-Bye, Dehnmessstreifen!Berührungsfreie Drehmomentmessung

30 Sensor-News rund um dieSensor + Test 2017Aktuelle Lösungen aus der Sensorwelt

messtechnik

38 Messtechnische und EDA-Heraus-forderungen bei der EntwicklungProdukte fürs IoT – Internet der Dinge

42 HighlightsRigol, Data Translation

44 Der Zusatznutzen einer SourceMeasure UnitWarum ist eine simultane Einspeisungund Messung wichtig?

48 Flying-Probe-TestHF-Signale bis zu 1,5 GHz verifizieren

50 MIPI-Schnittstellen mit demOszilloskop testenSignaltreue der Messausrüstungentscheidend

54 AWG-Signale durch Gleichungen inSBench 6 erzeugen14 und 16 Bit vertikale Auflösung undSignalbandbreiten bis zu 200 MHz

57 Sensor + Test 2017Vernetzte Messtechnik in Nürnberg

Messeschau30 + 57 sensor + test

Zur besseren Vorbereitungauf die Messe Sensor + Testhat sich die Redaktion imVorfeld nach den aktuellenTrends und neuen Produktenerkundigt.

10


Mai 2017

rubriken

03 EditorialSensoren, die wahren Enabler

58 Impressum

58 VerzeichnisseInserenten-/Personen-/Unternehmensverzeichnis

38

§ Extrudierte, Druckguss- und Flüssigkeitskühlkörper

§ Riesige Profilauswahl, mit und ohne Clipbefestigung

§ Komplette CNC-Bearbeitung und Oberflächenveredelung

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Märkte + Technologien Meldungen


farbsensorik unter neuem namenaus mazet wird ams sensors germanyMazet ist seit Juli 2016 ein Mitglied der österreichischen AMS-Gruppe undträgt nun seit dem 1. April 2017 auch einen neuen Namen. Die Firma wurdein AMS Sensors Germany umbenannt. AMS hatte den Spezialisten für Farb-und Spektralsensoren im Rahmen einer strategischen Akquisition erwor-ben, um seine Positon amMarkt für anspruchsvolle optische Sensoren zufestigen. AMS Sensors Germany entwickelt vorrangig Sensoren für die In-dustrie- und Medizintechnik. Das Know-how des Sensorspezialisten um-

fasst dabei die IC- und Filterentwicklung sowiedie Systementwicklung von Hard- und Soft-ware. Die Sensoren der Marke Jencolor des Un-ternehmens kommen in der Innenraumbe-leuchtung von Flugzeugen, Senorik für dieLandwirtschaft sowie in der medizinischenAnalyse von Hautveränderungen zum Einsatz.Das Produktportfolio von AMS umfasst Sen-sorlösungen, Sensor-ICs sowie Schnittstellenund damit verbundene Software für den Kon-sumermarkt, die Mobilkommunikation, für in-dustrielle Anwendungen sowie für die Berei-che Medizintechnik und Automotive. Das Un-ternehmenmit dem Hauptsitz in Österreichhat weltweit mehr als 3300 Beschäftigte.

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ausweitung des sensorgeschäftstdk‑micronas übernimmt den asic‑spezialisten icsenseTDKweitet sein Sensorgeschäft in Richtung applikationsspezifische ICs aus:Das hundertprozentige Tochterunternehmen TDK-Micronas, Anbieter vonHall-Effekt-Sensoren, übernimmt den belgischen ASIC-Spezialisten Icsense.Icsense soll künftig als als 100-Prozent-Tochter von TDK-Micronas geführtwerden. Die Übernahme des ASIC-Spezialisten ist Teil einer Strategie, mit derTDK sein bestehendes Sensor- und Aktuatorgeschäft stärken will. Vor Kur-

zem erwarb der Konzern bereits den Halbleiter-hersteller Micronas, der auf Hall-Effekt-Sensorenund Embedded-Motor-Controller spezialisiert ist.Darüber hinaus hat TDK die Übernahme von In-vensense, einemUS-amerikanischen Herstellervon Inertialsensoren, angekündigt.Das IC-Designunternehmen Icsens ist in Leuven,Belgien angesiedelt. Kerngeschäft ist die ASIC-Entwicklung und Auslieferung sowie kunden-spezifische IC-Design-Dienstleistungen für dieMärkte Automotive, Medizintechnik, Industrieund Consumer. Die Firma verfügt über Know-how beim IC-Design in analoger, digitaler,Mixed-Signal- und Hochvolt-Technologie. DerFokus liegt bei Sensor- und MEMS-Schnittstel-len, Hochvolt-IC-Design sowie Power- und Bat-teriemanagement. Nach der Integration in die

TDK-Gruppe wird Icsense weiterhin für seine bestehenden und neuenKunden weltweit ASICs entwickeln. ASICs lesen bei Sensorprodukten dieerfassten Messwerte aus und führen die Signalverarbeitung durch.

infodirekt 118ei0417

Portfolio‑erweiterungendress+hauser übernimmt sensaction

Der Messgeräte-SpezialistEndress+Hauser hat das Unterneh-men Sensaction aus dem bayeri-schen Coburg übernommen. Sen-saction stellt Systeme zur Messungvon Konzentrationen in Flüssigkei-ten her, die eine neuartige Techno-logie nutzen. Die FirmengruppeEndress+Hauser will mit der Über-nahme ihr Portfolio an Qualitäts-messungen weiter ausbauen. DerFirmensitz und die derzeit 13 Mitar-beiterinnen und Mitarbeiter vonSensaction sollen erhalten bleiben.Alledings fällt das Unternehmen

künftig unter die Verwaltung des Endress+Hauser Kompetenzzentrumsfür Durchflussmesstechnik mit Sitz im schweizerischen Reinach. Die Über-nahme erfolgt rückwirkend zum 1. Januar 2017. Über die Einzelheiten desVerkaufs haben beide Seiten Stillschweigen vereinbart. Stefan Rothballerund Michael Münch, zwei der Gründer von Sensaction, werden auch künf-tig die Geschäfte des Unternehmens führen. ZumMessen von Konzentrati-on von Flüssigkeiten verwenden die Systeme von Sensaction akustischeOberflächenwellen. Dies sind hochfrequente Schallwellen, die sich in ih-rem physikalischen Verhalten mit seismischen Wellen wie bei einem Erd-beben vergleichen lassen. Durch Auswerten von Laufzeit und Wellenamp-litude sind akustische Parameter der Flüssigkeit wie Schallgeschwindig-keit, Impedanz und Dichte sowie – daraus abgeleitet – die Konzentrationpräzise und schnell zu bestimmen. Die Systeme haben keine beweglichenTeile und sind deshalb verschleißfrei und wartungsarm. Wichtige Einsatz-bereiche sind Konzentrationsmessungen in flüssigen Prozessmedien.

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auch außerhalb des laborsimpedanzspektroskopie für li‑ionen‑batterienImpedanzspektroskopien für Li-Ionen-Batterien sind mittlerweile nichtmehr nur auf das Labor beschränkt. Mit einem entsorechenden Messsys-tem, das der Distributor Rutronik präsentiert, lassen sich besonders exakteAnalysen und Diagnosen zum Zustand von Batteriesystemen treffen. Ko-operationspartner für das Projekt ist die TU Chemnitz.In Kooperation mit der TU Chemnitz und der Professur Mess- und Sensor-technik zeigt Rutronik anhand eines embedded Impedanzmesssystems fürein 12V Li-Ionen-Batteriestack neue Forschungsergebnisse im Bereich derImpedanzmessung auf Basis der Impedanzspektroskopie. Die Methode er-möglicht nach Angaben des Unternehmens eine deutlich exaktere Analy-se und Diagnose von Batteriesystemen als aktuell genutzte Verfahren.Damit lässt sich der Zustand von Batterien feststellen und zum Beispiel ihrRUL (remaining useful life) oder ihr State-of-Health (SoH) verlässlich vor-hersagen. Dies macht das Verfahren besonders für mobile Systeme inter-essant, vor allem für die Elektromobilität, professionelle Werkzeuge, mobi-le Roboter, aber auch für medizinische Geräte. Knackpunkt auch: Das beiden Messungen verwendete Board kostet weniger als 100 Euro; bisher la-gen die Kosten für vergleichbare Messgeräte bei 10.000 Euro.Derzeit kommt die Impedanzspektroskopie noch ausschließlich unter La-borbedingungen zum Einsatz. Die TU Chemnitz und die Professur Mess- undSensortechnik in Zusammenarbeit mit Rutronik zeigenmit demDemonstra-tor die Industrialisierbarkeit des Verfahrens. Wie das Verfahren funktioniert,das erfahren Sie zusammenmit weiteren Hintergrundinfos in einem kurzenVideo, das Sie bequem per infoDIREKT 924ae0317 auf www.all-electronicserreichen.


Andreas Mangler vonrutronik präsentiert einMesssystem für liIonenbatterien, das Impedanzspektroskopie nutzt.

Bild:

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der spezialist für Farbund spektralsensorenMazet ist seit dem 1. April 2017 unter dem namen AMs sensors germany unterwegs. AMshatte die Firma 2016 erworben.

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tdKMicronasceOMatthias bopp, links,und bram de Muer,ceO des AsIcspezialisten Icsense, sindmit der Übernahmeteil desselben Industriekonzerns.

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sensaction, ein hersteller von neuartigen Konzentrationsmessgeräten, gehört nun zurendress+hauserFirmengruppe.

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sicherheit und Zuverlässigkeit erhöhendigitale temperatursensoren mit nichtflüchtigen speicherregistern

künstliche nase erschnüffelt gaseintelligenter gassensor als schutzengel erkennt viele gase

Ein Gassensor kann Brände frühzeitig erkennen,Menschen vor schädlichen Gasen in der Umge-bungsluft warnen oder Informationen über denBetriebszustand von Maschinen liefern. In die-

sen und zahlreichen weiteren Anwendungenhaben sich Gassensoren daher als künstliche Na-sen etabliert – besonders solche, die eine gutePortion Intelligenz mitbringen. Statt zur Analysevon Gasen und komplexen Gasgemischen aufArrays mit mehreren Sensoren zurückzugreifenund die damit verbundenen Nachteile in Kaufnehmen zu müssen, können Entwickler jetzt dasvirtuelle multifunktionale Gassensor-Array(VGSA) von Unitronic einsetzen. Gegenüber bis-herigen Lösungen nutzt das VGSA lediglich ei-nen einzigen Gassensor auf der Basis eines oxi-dischen Halbleiters. In Kombination mit einerAuswerteelektronik lassen sich viele unter-schiedliche Gase detektieren. Um relevante Er-gebnisse zu ermitteln, wertet das VGSA insge-samt 48 unterschiedliche Sensor-Einflussgrößenaus und extrahiert diese aus der Sensorschicht.So entsteht ein virtuelles Array mit 48 Sensoren.


das will wirklich kein entwickler.Bil

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Aus dem diagramm sind keine qualitativen Aussagen zur gasart möglich. diese erfolgen schematisch durch Analyse des usMvgsAs.

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arduino‑kompatible boards fürumweltsensorenevaluation‑boards für luft‑qualitätssensoren

luftqualitätssensorevaluationsboards aus derreihe telaire AAsAQsunO von AmphenolAdvanced sensors.

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Mouser Electronics führt jetzt die Luftqualitäts-sensoren-Evaluationsboards aus der Reihe Te-laire AAS-AQS-UNO von Amphenol AdvancedSensors im Sortiment. Mit den Boards lassensich die Luftqualitätssensoren der Amphenol-Marke Telaire sowie andere Sensoren aus demPortfolio testen. Sie unterstützen nicht nurBLE 4.0 und eine OLED-Anzeige mit 128 × 64 Pi-xeln, sondern verfügen auch über vorbereiteteSchnittstellen für jeweils folgende Sensoren: Te-laire T9602 Temperatur- und Feuchtesensoren,T6713 CO

2-Sensoren und SM-PWM-01C Staub-

sensoren. Die Boards sind kompatibel zum Ar-duino UNO R3-Mikrocontroller und verwendendie Integrierte Entwicklungsumgebung (IDE)Arduino. Zu beiden Boards aus dieser Reihe ge-hören ein Arduino-kompatibles Board mit auf-gespielter Software, das Sensor-Evaluations-board AAS-AQS-UNO, ein USB-Kabel, eineOLED-Anzeige und ein Staubsensor SM-PWM-01C. Beim RH-CO

2-Kit kommen noch der Tempe-

ratur- und Feuchtesensor T9602 und der CO2-

Sensor T6713 dazu. Die Anbindung an einen PCerfolgt per USB.


iP67‑zertifizierte co2‑sensoren

co2‑sensoren für den einsatz in rauen umgebungen

Flüchtige Speicherregister sorgen seit Jahren fürKopfzerbrechen bei Entwicklern. Neue digitaleTemperatursensoren, wie Microchips AT30T-S750A, enthalten nun nichtflüchtige Speicherre-gister, die eine einfachere Entwicklung ermögli-chen und die Aspekte eines fortschrittlichenWärmemanagements berücksichtigen. Stan-dard-I2C-Temperatursensoren, die zum LM75-Protokoll kompatibel sind, enthalten vier grund-legende interne Register, nämlich Zeigerregister(Pointer), Konfigurationsregister, Hochtempera-turgrenzwert-Register (THIGH) und Tieftempe-raturgrenzwert-Register (TLOW). Über diese Re-gister lassen sich die Betriebseinstellungen desTemperatursensors während der Initialisierungdurch den Host-Controller nach dem Einschaltenanpassen –mit Ausnahme des Temperaturregis-

ters, doch dazu später mehr. Das Zeigerregistererlaubt den Zugriff auf eines der vier Registerdurch indirektes „Zeigen“ auf das ausgewählteRegister. Die Konfigurations-, TLOW- und THIGH-

Grenzwert- und Temperaturregister könnennicht direkt über I2C-Softwarebefehle aufgeru-fen werden, sondern nur über das Zeigerregis-ter. Das Konfigurationsregister steuert wichtigeBetriebsmodi und Sensoreinstellungen wie dieGenauigkeit der Temperaturmessung, die Feh-lertoleranz-Warteschlange, die Polarität desAlert-Anschlusses, den Alarm-Thermostat-Mo-dus und den Shutdown-Modus. Einige SensorenamMarkt bieten auch einen One-Shot-Modus.Dieser Energiesparmodus aktiviert den Sensoraus dem Standby-Modus, um eine Temperatur-messung durchzuführen, das Temperaturregis-ter zu aktualisieren und wieder in den Standby-Modus zurückzukehren.


Eine Familie besonders robuster und langlebi-ger CO

2-Sensoren führt SE Spezial-Electronic mit

der bis IP67 zertifizierten Telaire T3000-Serievon Amphenol Advanced Sensors im Pro-gramm. Die durch eine spezielle Membran ge-gen Schmutz, Staub und Nässe geschütztenCO

2-Sensoren arbeiten mit nichtdispersiver Inf-

rarot-Spektrometrie (NDIR). Sie sind wahlweiseals Ein- oder Zwei-Wellenlängen-Version erhält-lich. Sie haben eine garantierte Lebensdauervon zehn Jahren beziehungsweise 30.000 Be-

triebsstunden. Mit einem Betriebstemperatur-bereich von -30 bis +50 °C, einer Betriebsspan-nung von 18 bis 30 V

ACund mehreren Ausgangs-

optionen – analog 0 bis 5 V, 0 bis 10 V oder 4 bis20 mA, digital via UART oder Modbus – lassensie sich an die jeweiligen Anforderungen anpas-sen. Die Sensoren werden bereits vorkalibriertausgeliefert. Die mit einer Wellenlänge arbei-tenden Sensoren sind zudemmit dem paten-tierten Selbstkalibriersystem ABC Logic (Auto-matic Background Calibration) ausgestattet.Hierbei handelt sich um eine spezielle Soft-wareroutine, die den Hintergrundwert von biszu 14 aufeinander folgenden Nächten erfasstund eine etwaige Drift erkennt und korrigiert.


die cO2sensoren der

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feuchtesensor für smart home und wearablessmartes sensor‑ic für relative feuchteund umgebungstemperaturDer Single-Die Feuchtesensor ENS210 von AMS (Vertrieb: IS-Line) verfügt über einen digitalen Temperaturausgangmit ei-ner Ungenauigkeit von ±0,2 °C im Bereich von 0 °C bis 70 °C. Zu-dem liefert esMessungen der relativen Luftfeuchtigkeit mit ei-ner Ungenauigkeit von ±3,5 Prozent. Der Sensor wird kalibriertausgeliefert und erfordert keinenweiteren Abgleich in der Pro-duktion. DieMessdaten stehen über eine I2C-Schnittstelle zurVerfügung, sodass keine Signalverarbeitung durch den Anwen-dungsprozessor oderMikrocontroller des Host-Gerätes erfor-derlich ist. In seinem 2 x 2 x 0,75mm3 kleinen Kunststoffgehäu-se für die SMD-Montage findet der Sensor auch Platz in Smart-phones und tragbaren Geräten, wie etwa Fitnessarmbändern.Er verbraucht im Standby-Modus nur 0,040 µA und im aktivenMessmodus (Abtastrate 1 Hz) 7,1 µA. Der Sensor arbeitet in ei-nembreiten Eingangsspannungsbereich von 1,71 V bis 3,6 V. Intragbaren Geräten können die Sensor-Messungen der relativenLuftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur dazu genutztwerden, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Bewegungs-messungen zu verbessern, die in hohemMaße abhängig vonden Umgebungsbedingungen sind.Weiteremögliche Anwen-dungen finden sich in Klima- und Luftreinigungsanlagen sowiein Thermostat-gesteuerten Haushaltsgeräten, wie Kühlschrän-ken,Wäschetrocknern, Mikrowellen, Dunstabzugshauben undWetterstationen. Ein Evaluierungs-Kit, umfangreiche Software-Unterstützung und entsprechende Anwendungsberatung sindbeimDistributor verfügbar.


für stromsparende bewegungsaktivierungdrei‑achsen‑beschleunigungssensormit niedriger ansprechschwelleKionix, ein Unternehmen der Rohm-Gruppe, stellt den 3-Achsen-BeschleunigungssensorKXTJ3 als direkten Ersatz für den Sensor KXTJ2 vor. Der Baustein verfügt gegenüber demVorgängermodell über ein besseres Rauschverhalten, einen größerenMessbereich und ei-ne verbesserte Interrupt-Funktionalität. Untergebracht in einem 2mmx 2mmx 0,9mmgroßen Gehäuse, eignet sich der Beschleunigungssensor für den Einsatz inWearables undFernbedienungen sowie in Smart-Home- und IoT-Anwendungen. Beschleunigungssenso-ren kommen in Systemen häufig zur Energieeinsparung zum Einsatz, indem sie das Akti-vieren des Systems bei Bewegung ermöglichen. Der KXTJ3 verfügt daher über eine hoch-auflösende Funktion zur Bewegungsaktivierung, deren Ansprechschwelle bei 3,9mg liegt.Bei der nierigsten ODR (Output Data Rate) von 0,781 Hz nimmt der Sensor einen Strom von1,5 µA auf. Der Beschleunigungssensor bietet Messbereiche von 2 g, 4 g, 8 g und 16 g sowie

Auflösungsmodi bis 14 bit. Er unter-stützt das I2C-Protokoll bis 3,4MHzund besitzt einen integrierten Span-nungsregler, der einen stabilen Be-trieb an Versorgungsspannungenvon 1,71 V bis 3,6 V ermöglicht.


für kontinuierliche füllstandsmessungkapazitiver tanksensor für mobileaggregate und behälterDer kapazitive Tanksensor T/LL350 von Contec ermöglichteine exakte Füllstandsmessung ohne mechanische Kompo-nenten. Das Bauteil eignet sich für die kontinuiertliche Mes-sung von Tankinhalten und führt eine automatische Neuka-librierung durch, wenn sich im Tank eine Flüssigkeit mit an-derer Dielektrizitätszahl befindet. Der Sensor kommt inmobilen Tankanlagen, Aggregaten, Containern sowie in dermobilen Stromversorgung und in Bau- und Nutzfahrzeu-gen zum Einsatz. Der kapazitive Sensor T/LL350 bietet dienotwendige Messgenauigkeit für eine exakte Betriebskostenüberwachung. WeitereDetails zum Sensor, seinen Besonderheiten und den Anwendungen finden Sie in derLangversion dieses Beitrags per infoDIREKT.


der Feuchtesensorens210 ist besonders fürAnwendungen mit Platzund leistungsbeschränkungen – beispielsweisein den bereichen smarthome und smart Wearables – geeignet.Bil

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der 3Achsenbeschleunigungssensor KXtJ3 ist in einem2 mm x 2 mm x 0,9 mm großengehäuse untergebracht undbietet für bewegungsaktivierungen eine Ansprechschwellevon 3,9 mg.

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der kapazitive tanksensor t/ll350 misst Füllstände ohne mechanische Komponenten undbietet damit die notwenige genauigkeit für exakte betriebskostenüberwachungen.

Bild: Contec


Sensorik Coverstory


siloxan‑resistentermetalloxid‑gassensorWeltneuheit auf der sensor + test

Bisher litten Metalloxid-Gassensoren (MOX) unter geringer Lebensdauer, denn im Laufe derZeit nahmen die Sensitivität sowie die Signalstärke ab. Der Grund dafür sind Siloxane, die sichauf die Sensorelemente legen. Sensirion hat jetzt mit dem Metalloxid-Gassensor SGP einenSiloxan-resistenten Sensor auf den Markt gebracht. Autor: Martin Probst

Nach acht Stunden im Büro isteinfach die Luft raus, und dasnicht nur im übertragenen Sin

ne, denn der in der Raumluft vorhandeneSauerstoff hat sich durch Ein und Ausatmen verringert; zugleich hat sich in derLuft der VOCAnteil erhöht. VOC (Volatile Organic Compound) ist die Sammelbezeichnung für organische, also kohlen

stoffhaltige Stoffe, welche leicht verdampfen (flüchtig sind) beziehungsweise schonbei niedrigen Temperaturen (zumBeispielRaumtemperatur) als Gas vorliegen. AlleLebewesen emittieren solche organischenVerbindungen in die Umwelt.Bei der vom Menschen verursachten

Freisetzung von flüchtigen organischenVerbindungen dominieren die Verwen

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sirion

dung von Lösemitteln sowie der Straßenverkehr. VOCQuellen in der Innenraumluft bilden beispielsweise Kunststoffe, Möbel, Teppiche oder auch Reinigungsmittel. Zu hohe VOCKonzentrationen verursachen Konzentrationsschwächen sowieMüdigkeitserscheinungen. Um dies zu verhindern, bietet sichdie Überwachung und Steuerung der

elektronik journal 04/2017 11

Sensorik Coverstory


VOCWerte in der Luft mithilfe einesGassensors an. Diese Sensoren leidenjedoch oft unter mangelnder Langlebigkeit. Sensirion hat sich dieses Problemsangenommen und nun erfolgreich einenresistenten, respektive langzeitstabilenGassensor entwickelt.

Störfaktor SiloxanAuf dem Mobile World Congress 2015erwähnte Sensirion erstmals Aktivitätenrund um einenMultipixelGassensor, derverschiedene Sensorelemente auf einemChip vereinen sollte. Jetzt ist die entsprechende Hardware in Form von Chip undPackaging einsatzbereit, ebenso die Sensorelemente, aber bis dahinwar es ein langer Weg.Nach den ersten Applikationstests im

Automotive und ConsumerBereich, diejenseits der Idealbedingungen des Laborsabliefen, stellte Sensirion allerdings fest,dass die Sensoren nicht so arbeiteten, wiees eigentlich geplant war. „Die Sensorenfunktionierten damals nicht wie erwartet,irgendetwas stimmte da nicht“, berichtetAndreaOrzati, der als Vice President Salesund Marketing bei Sensirion arbeitet, imGespräch mit dem elektronik journal.Was es genauwar, konntendie Entwick

ler jedoch zunächst nicht ausmachen. Siestellten nur fest, dass sich bei derMessungvon flüchtigen organischenVerbindungen(VOCs) über kurz oder lang eine Verschlechterung der Sensitivität einstellte.Daraufhin testeten die Entwickler ähnliche Sensoren, die auf demMarkt vorhanden waren, und auch hier zeigten sichentsprechende Symptome, nämlich eineDegradation des Signals und der Sensorleistung. „Wir waren zwar nicht die einzigen auf demMarkt, die mit diesem Problem zu tun hatten, aber dennochwar derGrund noch nicht gefunden; das Problembestand weiterhin“, räumt Andrea Orzatiein. Als Ursache identifizierten die Entwickler schließlich Siloxane.

Kontamination durch SiloxaneBei Siloxanen handelt es sich um chemische Verbindungen aus Siliziumatomenund Sauerstoffatomen, bei denen ein Sauerstoffatom benachbarte Siliziumatomeverknüpft. Siloxane finden beispielsweisein Kosmetika, Deodorants, Seifen undWaschmitteln Verwendung. In der Indus

trie kommen sie häufig als Silikonöle zumEinsatz, aber auch als Kälteträger bei derGefriertrocknung. Für denMenschen sinddie Verbindungen ungefährlich, aber Siloxane können MOXSensoren (MOX:Metalloxid) schädigen, denn die Verbindungen legen sich auf das Sensorelementund bewirken dadurch einen Sensitivitätsverlust sowie eine verlangsamteAnsprechzeit.Sensir ion entschied sich bewusst

dafür, das Produkt mit der beschränktenLebensdauer nicht auf denMarkt zu brin

typische beschaltungdes MOXgassensorssgP. die Pins entsprechen nicht der tatsächlichen Positionam sensor.

Funktionales blockschaltbild des MOXgassensors sgP.

gen, obwohl der Sensor grundsätzlicheinsatzbereit war. Stattdessen solltezuerst das SiloxanProblem gelöst werden. „Es ergibt keinen Sinn, ein Produktauf den Markt zu bringen von dem manschon im vornherein weiß, dass die Sensitivität stark abnehmen wird“, erklärtAndreaOrzati. „Daher hat Sensirionweiter entwickelt und das Problemmit Siloxanen in der Luft gelöst. Auf der Sensor+ Test präsentieren wir einenMetalloxidGassensor, dessen Performance nichtdurch Siloxane geschwächt wird.“ Sen

eckdaten

Bisher verringerten Verunreinigungen der Sensorelemente durch Siloxane die Lebensdauer vonMOX-Gassensoren ganz entscheidend: Die Empfindlichkeit der Sensoren sank signifikant. DerSchweizer Sensorhersteller Sensirion bringt jetzt mit dem SGP einen Siloxan-resistenten MOX-Gassensor auf den Markt, der auch bei Siloxan-Exposition keine Degradationserscheinungenzeigt. Der Sensor fügt sich bei Sensirion in die Reihe von Sensoren zur Umweltmessung ein undergänzt die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur mit VOCs. Weiter plantSensirion, das Portfolio in Zukunft auch mit Umweltsensoren zur Messung von Feinstaub (PM2.5)sowie von Kohlenstoffdioxid zu ergänzen.

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Sensorik Coverstory


autorMartin ProbstVolontär elektronik journal


sirion kann so den nötigen Vermerk imDatenblatt weglassen, der explizit daraufhinweist, MOXGassensoren von Silikonen fernzuhalten, um Funktionalität undLebensdauer zu gewährleisten. „Ich bin100 Prozent davon überzeugt, dass dieseTechnologie revolutionär ist auf demMarkt“, konstatiert Andrea Orzati miteiner leichten Prise Stolz im Unterton.

Vier Sensorelementeauf einem ChipDas finale Produkt ist der MultipixelGassensor SGP, der nach Aussage vonAndrea Orzati der erste dieser Art aufdem Markt ist. SGP vereint auf einemChip vier Sensorelemente mit jeweilsunterschiedlichen Sensormaterialien zueinem Produkt, das im Rahmen des„Environmental Sensing“ (Umweltsensorik) die Luftqualität in Räumen erfassen soll. Dabei ist einerseits eine MultigasMessung möglich; andererseits istdas Bauelement auch gut dazu geeignet,einzelne Gase zu messen, sodass dieMöglichkeit besteht, Störgase mithilfeder Messergebnisse der anderen Sensorelemente zu kompensieren. Als – zumindest aus Redaktionssicht – erstes Unternehmen der Branche will Sensirion beimSGP auchAngaben über die Genauigkeit,beziehungsweise Fehler, eines derartigenMOXSensors machen. Schon auf der

Messe Sensor + Test können die Besucheram Stand 316 in Halle 1 die entsprechenden Daten erfahren.Der Sensor basiert auf der CMOSens

Technologie von Sensirion, die in sämtlichen Sensoren des Unternehmens zumEinsatz kommt. Dabei sind sowohl derSensor als auch die Elektronik zur Aufbereitung des gemessenen Signalsmonolithisch auf einem Stück Silizium integriert. Am Ausgang des Sensors steht derMesswert (beispielsweise der VOCKonzentration) dann als digitaler Wert zurVerfügung. Damit ist die Anbindung desSensors an einen Mikrocontroller mitsehr geringem Aufwand möglich, denndie digitale Kommunikation erfolgt perI2CKommunikation. Zur Energieversorgung benötigt der SGP eine Spannungvon 1,8 V.Weil Sensirion die Sensorchipsbereits in der Produktion individuell kalibriert, sind die ausgelieferten Sensorenallesamt vollständig kalibriert.

siloxane

Bei Siloxanen handelt es sich um chemi-sche Verbindungen, bei denen sich Sili-ziumatome über Sauerstoffatome mit be-nachbarten Siliziumatomen verbinden:Si – O – Si. Sie kommen oft in Kosmetika,Seifen oder Waschmitteln zum Einsatz.Oligomere oder polymere Organosilaxonesind auch unter dem Namen Silikon be-kannt und finden unter anderem in Har-zen sowie als Dichtstoff Verwendung. Manunterscheidet lineare (zum Beispiel L3, L4,L5) und zyklische (beispielsweise D4, D5und D6) Siloxane. Die EU stuft diese Stoffegrößtenteils als unbedenklich für denMenschen ein; lediglich das zyklischeD4-Siloxan ist in der EU verboten.der siloxanresistente Metalloxidgassensor sgP von sensirion kombiniert vier sensorelemente

auf einem chip.

Von Consumer über Automotivebis Smart-HomeFür die Zukunft des Sensors sieht Sensirion zwei potenzielle Wege. Bereits bestehende Märkte sollen von den neuen Sensoren profitieren, beispielsweise Anwendungen imAutomobilund imSmartHome,wodurch sich Vorteile für das Endproduktergeben können. Gleichzeitig sollen neueMärkte hinzukommen, in denen MOXGassensoren bisher nur sehr beschränktoder gar nicht zurAnwendungkamen.Dieneue Langlebigkeit, die sich durch dieUnempfindlichkeit des Sensors gegenüberSiloxan ergibt, ermöglicht unter anderemauch den Einsatz in der ConsumerElektronik sowie in mobilen Endgeräten.

Premiere auf der Sensor + TestZwei Jahre nach der Erwähnung auf demMobileWorldCongress stellt Sensirion aufder diesjährigenSensor +Test inNürnbergseinen MultipixelGassensor erstmals derÖffentlichkeit vor. Auf der Sensor + Testkönnen sich die Besucher dann selbst einBild von dem gerade einmal 2,45 x 2,45 x0,9 mm3 großen MultipixelGassensormachenundbeimFachpersonal vorOrt dietechnischen Details erfragen. n

environmental sensing bedeutet das Messen der luftqualität.sensirion fokussiert seine sensorlösungen hierbei auf die Messung der wichtigsten umweltparameter: cO

2, vOc, Feinstaub

(PM2.5), relative luftfeuchtigkeit und temperatur.

we are

Infotainment . Stromversorgungen . Internet der Dinge . Fertigungssteuerung . Baugruppenfertigung . Mul-timedia . Elektromechanik . Lichttechnik + LED . Engineering . Test + Qualität . Halbleiter . Laserbearbei-tung . Programmierbare Logik . Distribution . Steuerungen . Kabelbearbeitung . Safety & Security . Ana-log-/Mixed-Signal-ICs . Bildverarbeitung . Messtechnik + Sensorik . Antriebstechnik . Conformal Coating. Leistungselektronik . Embedded-Systeme . Kommunikation . Leiterplattenfertigung . Fahrerassistenz .Wireless ICs . EMV . Fernwartung . Mikromontage . Alternative Antriebe . Aktoren . Industrie-PC . Power .Schablonendrucker . Bussysteme/Protokolle . Digitale Marktübersichten . Steuerungen . HF-/Mikrowellen-technik . Fertigungssteuerung . Rework & Repair . Tools . Entwicklungssysteme . Human Machine Inter-face . Bauteilelagerung . Ethernet . Display-Technik . Quarze/Oszillatoren . Car-to-X . Wärmemanagement. Infotainment . Stromversorgungen . Internet der Dinge . Fertigungssteuerung . Baugruppenfertigung .Multimedia . Elektromechanik . Lichttechnik + LED . Engineering . Test + Qualität . Halbleiter . Laserbe-arbeitung . Programmierbare Logik . Distribution . Steuerungen . Kabelbearbeitung . Safety & Security .Analog-/Mixed-Signal-ICs . Bildverarbeitung . Messtechnik + Sensorik . Antriebstechnik . Conformal Coa-ting . Leistungselektronik . Embedded-Systeme . Kommunikation . Leiterplattenfertigung . Fahrerassistenz. Wireless ICs . EMV . Fernwartung . Mikromontage . Alternative Antriebe . Aktoren . Industrie-PC . Power .Schablonendrucker . Bussysteme/Protokolle . Digitale Marktübersichten . Steuerungen . HF-/Mikrowellen-technik . Fertigungssteuerung . Rework & Repair . Tools . Entwicklungssysteme . Human Machine Inter-face . Bauteilelagerung . Ethernet . Display-Technik . Quarze/Oszillatoren . Car-to-X . Wärmemanagement

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Sensorik Druck


anforderungen andrucksensorenWarum ein neues sensordesign notwendig ist

Autos und LKWs überwachen ständig ihr Umfeld, sowohl außen als auch innen. Ermöglichtwird dies durch Sensoren. Tatsächlich stellt der Automobilbereich für manche Sensor-Typennicht nur den größten, sondern auch den am schnellsten wachsenden Markt dar. Dabeiwerden die Anforderungen an die Qualität und Leistung immer höher. Autor: Dr. Justin Gaynor

Drucksensoren sind ein Puzzleteil der neuenFahrzeugArchitektur: Sie übernehmen dieÜberwachung des Drucks in den Reifen, das

Konstanthalten der Ölpegel und die Kontrolle derFlüssigkeitsstände. Auch in zeit und sicherheitskritischen Applikationen sind Drucksensoren unver

zichtbar. Beispiele hierfür sind Seitenairbags oderFußgängerschutzsysteme in der Frontstoßstange. Ausdiesen Gründen bezieht der Automobilbereichgegenwärtig 58 Prozent der weltweiten Produktionan Drucksensoren und die Branche verzeichnet seitJahren ein Wachstum.

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Sensorik Druck


Attraktiver Markt mit hohen HürdenDa derMarkt so attraktiv ist, könnteman annehmen,dass alle Hersteller vonDrucksensoren als Zuliefererfür die Autoindustrie tätig sind. Die Eintrittsbarrierefür zukünftige AutomobilZulieferer ist jedoch hoch.Die Zulieferer müssen darauf vorbereitet sein, eineTS 16949 sowie ISO 9001Zertifizierung zu erlangenoder aufrechtzuerhalten. Zudemverlangen zahlreicheHersteller auch die Erfüllung der Umweltnorm ISO14000. Zusätzlich müssen Zulieferer für die Autoindustrie auf Überprüfungen ihrer Produkte durchEndanwender vorbereitet sein. Aus diesen Gründenbleibt die Anzahl vonOptionen für denDesigner vonAutomobilsystemen also begrenzt.

Anforderungen der BrancheDie wichtigsten Punkte in der Branche sind: Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Kosten. Der Sensor sollte 100 Prozent der Zeit funktionieren. Er sollte für 10bis 15 Jahre oder 200.000 bis 300.000Kilometer zuverlässig arbeiten.Und schließlichmuss der Sensor ange

sichts des hohen Kostenbewusstseins der Automobilbranche günstig sein.Diese Anforderungen sind umso schwieriger zu

erfüllen, da AutomobilDrucksensoren in extremanspruchsvollerUmgebung funktionierenmüssen.Dadie Verbrennungsmotoren kleiner undheißerwerden,erweitert sich der Bereich der Betriebstemperatur derSensoren: Im Jahr 2014 wurde die BetriebstemperaturGrade4von0°Cbis+70°CvomAutomotiveElectronicsCouncil gestrichen. Gegenwärtig ist Grade 0 beiBetriebstemperaturenvon 40°Cbis+150°C festgelegt.DochAutohersteller sprechenbereits überAnwendungen, bei denen +165°C und mehr erforderlich sind.

Die Herausforderungen für den Automobil-System-Designer werden von Generati-on zu Generation größer. Obwohl die aktuelle Generation von Drucksensoren imEinsatz unter schwierigen Bedingungen eine gute Leistung zeigt, fordert die Bran-che nun statt einer evolutionären gar eine revolutionäre Verbesserung bei der Leis-tung der Sensoren. Durch ein komplett überarbeitetes Design von Drucksensorenist dies möglich.

eck‑daten


Sensorik Druck


Insgesamt erwartet derMarkt bei härtenUmgebungsbedingungen eine verbesserte Leistung bei gleichbleibenden oder niedrigeren Kosten für die Kunden. Umall dieseAnforderungen gleichzeitig zu erfüllen,mussimSensorDesigneinewesentlicheWeiterentwicklungstattfinden. Ein gutesDesign schützt die Sensorenundliefert Zuverlässigkeit sowie eine lange Betriebsdauer.

Entwicklung der SensorenBetrachten wir die Leistungsbeschränkungen derSensoren, die gegenwärtig für Absolutdruckmessungen in der Automobilbranche eingesetzt werden. Bild1 zeigt einen typischen SensorChip, in diesem Falleinen Sensor SM9231 von Silicon Microstructures,Inc. Diese SensorChips werden aus Wafer gefertigtund bestehen aus Silizium mit an der Ober und ander Unterseite anodisch gebondeten Glaswafern.Das obere Glas beinhaltet den Hohlraum für die

absolute Referenz über der Membran zur Druckerfassung. Das untere Glas bietet mechanische Isolierung zwischen derMessmembran und demSiliziumKörper und ermöglicht zudem einen zusätzlichenBondingBereich unten. Das obere Glas ist so angeordnet, dass der Zugang zu den BondPads auf derSiliziumSchicht ermöglicht wird, während dasuntere Glas eine Öffnung aufweist, damit die unterDruck stehende Flüssigkeit Zugang zur Unterseiteder Membran zur Druckerfassung hat. Für diese Artvon Sensoren gibt es gegensätzliche Beziehungen

zwischen der Leistung und dem Bereich der Betriebstemperatur. Der Temperaturkoeffizient des Offsetsund die TemperaturHysterese sind durch die thermische Diskrepanz zwischen dem Silizium und demoberen und unteren Glas beschränkt. Um sowohleine hohe Leistung als auch einen erweitertenBereich der Betriebstemperatur zu erreichen, wärees daher vorzuziehen, thermische Diskrepanzen imBereich der mechanischenMembran zu vermeiden.Die mit „A“ bezeichnete Stelle in Bild 1 zeigt einepotenzielle Spannungsspitze auf der Glas/SiliziumGrenzfläche. Unter extremem Druck oder bei extremenDruckveränderungen könnte der spitzeWinkel in diesem Bereich sich zu einer Fehlerstelle entwickeln.

Ein neues Sensor-DesignDiese zuvor genannten Probleme können durch einmodifiziertes SensorDesign beseitigt werden.Betrachten wir einen Sensor, der aus einer dickenSiliziumBasisschicht mit einem in die Rückseitegeätzten Hohlraum besteht, um so die Membran zubilden. Ein zweiter SiliziumWafer ist an die obereFläche gebondet und bildet so den Hohlraum für dieabsolute Referenz zwischen den beiden Wafern.DiesesDesign bietetmehrere Vorteile. Erstenswird

eine thermische Diskrepanz zwischen Silizium undGlas vermieden. Zweitens gibt es keine Glas/SiliziumGrenzflächen, die auf der Rückseite einemDruckausgesetzt sind – somit wird die Möglichkeit einerFehlerstelle an derGlas/SiliziumGrenzfläche beseitigt. FusionsBonden von Silizium zu Silizium führtzu einem AbsolutdruckHohlraum mit niedrigeremDruck im Inneren als dies durch anodisches Bondenerreicht werden kann. Zudemwird eine stärkere Verbindung als beim anodischen Bonden von Glas zuSilizium gebildet. Durch die Prozesse beim Ätzenoder Bonden entstehen keine spitzen Winkel.Zusätzlich zur Entfernung der GlasSilizium

Grenzflächemit einem spitzenWinkel, profitiert dieses Design von einem Überdruckschutz, welcherdurchdie sorgfältigeKontrolle derDickedesReferenzHohlraums erzielt wird. Wenn die Druckwerte etwa2,5x FS (Full Scale) erreichen, kommt die Membranin Kontakt mit der oberen SiliziumAbdeckung,wodurch eine weitere Bewegung der Membran verhindert und zusätzlicher Schutz gegen Risse oderSchäden beiÜberdruck gebotenwird. Bild 2 zeigt eineVariante des beschriebenen SensorChips, bei der derHohlraum auf der Rückseite mit tiefem reaktivemIonenätzen (DRIE,DeepReactive Ion Etching) anstattdurchNassätzen geätzt wird (in diesem Fall der Sensor SM9820 von Silicon Microstructures). WeitereVorteile dieses Designs beinhalten die geringe Chipgröße, die erreicht werden kann – dadurch wird diedie Anzahl der Chips je Wafer erhöht.

bild 1: diese Querschnittszeichnung zeigt die glas/silizium/glasstruktur, die heute bei den meisten rückseitensensorenim Automobilbereich eingesetzt wird. die mit „A“ gekennzeichnete ecke ist eine potenzielle Quelle für delamination.

bild 2: dieses design vermeidet einen spitzen Winkel beibesserer leistung.

Bilde

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Glass

Glass

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Silicon

Oxide


Sensorik Druck

autorDr. Justin GaynorProgramManagement Officer bei Silicon Microstructures,einem Tocherterunternehmen derElmos Semiconductor AG.


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LeistungsvorteileSensorICs mit der beschriebenen DesignVerbesserung werden nun demMarkt vorgestellt. Die vorhergegangenen Tests zeigen insbesondere Verbesserungen beim Berstdruck. Im Vergleich zu bisherigenDesigns zeigt sich, dass der Berstdruck gegenüber derVorgängergeneration umetwa 300 Prozent verbessertwerden konnte. Der neue Sensor erreicht einen FSWert von 15x (10 bar), während der VorgängerIC nur5x standhalten konnte.Die Leistungsfähigkeit des Sensors gegenüber Tem

peraturänderungenwurde ebenfalls verbessert.Durchdie Beseitigung von Glas/SiliziumGrenzflächenzeigten umfangreiche Tests, dass bei der Stabilitätgegenüber hohen Temperaturen und bei der TemperaturHysterese deutliche Fortschritte erzielt wurden.Die thermische Hysterese des neuen Designs lagunterhalb von 0,2 Prozent bei Messung über dengesamten Bereich der Betriebstemperatur von 40°Cbis +150 °C. Bild 3 zeigt die Leistung bei einem48StundenTest bei maximaler Betriebstemperaturund Betriebsspannung.Neben den Verbesserungen beim Burstdruck als

auch bei der Temperaturstabilität, standen bei derEntwicklung natürlich auch die hohen ZuverlässigkeitsStandards der AutomotiveBranche im Fokus.Das neue Design zeigt weniger als ein ProzentGesamtänderung des Ausgangssignals. Dieser Wertkonnte bei einer ZuverlässigkeitsStressprüfung mitfolgendenParametern erzielt werden: elektrostatischeEntladung bis zu 2 kV, HochtemperaturNutzungsdauer bei 150°C undmaximale Betriebsspannung für200 Stunden, 2000 Temperaturzyklen von 55 °C bis+150°C, Sturz und Vibrationsprüfung und Druckzyklen. (jj) n

bild 3: typische leistungsstabilität im verlauf der zeit bei150 °c für das neue design, welches nur aus silizium besteht.


Sensorik Gase


ndir‑sensor zur detektion von sf6

(schwefelhexafluorid)Für sF

6isolierte hochspannungsschaltanlagen

Das Hauptanwendungsgebiet des nicht brennbaren Gases Schwefelhexafluorid (SF6) ist die Isolierungelektrischer Hochspannungsschaltanlagen, -transformatoren und -kabel. Da das Gas zwar ungiftig, gleich-zeitig aber das stärkste aller Treibhausgase ist, gelten für seine Nutzung strengste Umweltauflagen. DasHeilbronner Unternehmen Smartgas entwickelte jetzt eine neue Generation von nichtdispersiven Infrarot-Gassensoren (NDIR-Sensoren) zum Messen der SF6-Qualität und zum Aufspüren selbst kleinster Mengendes schädlichen Gases. Autor: Volker Huelsekopf

Gasisolierte Schaltanlagen mitHochspannungsschaltern, diedas Schutzgas Schwefelhexaflu

orid (SF6) enthalten, kommen weltweitzum Einsatz. Sie sind erheblich kompakter als luftisolierte Anlagen. Da dasSchutzgas Schwefelhexaf luorid einedrei bis vierfach höhere Durchschlagsfestigkeit als Luft aufweist und damitFunkenschlag oder die Bildung eines

Lichtbogens effektiv verhindert, findensonst fußballfeldgroße luftisolierte Anlagenmittels SF6Isolation nun theoretischim Keller eines Einfamilienhauses Platz.Zudem verlöschen Funkenstrecken ineiner SchwefelhexafluoridAtmosphärewesentlich schneller als an Luft. Damitist das Schutzgas speziell in Ballungsgebieten mit hoher Elektrifizierung aufengstem Raum unverzichtbar, um einen

sicheren Betrieb elektrischer Hoch undMittelspannungsanlagen sowie eine stabile Versorgung der urbanen Infrastruktur zu garantieren.Während des Betriebs nimmt die Rein

heit und damit die Schutzfunktion desGases im Schalter ab. Ursache sind dieaufgrund der Schaltvorgänge im Schalterentstehenden Lichtbögen, die Teile desSchwefelhexafluorids chemisch umwan

nur durch den einsatz von schwefelhexafluorid als schutzgas ist es möglich, hochspannungsschaltanlagen relativ kompakt aufzubauen. Allerdings istaus gründen des umweltschutzes und der effizienz eine exakte sensierung des gases erforderlich.

Bilde

r:Sm

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Sensorik Gase

deln. Daher muss das Gas in regelmäßigen Abständen recycelt werden. ZurReinheitsmessungwird aus dem Schalterein möglichst geringes Gasvolumen entnommen, das dann sehr schnell und vorallem zuverlässig analysiert werdenmuss. Schließlich können Fehlmessungen zu einem unnötigen Austausch derGasfüllung und damit zu eigentlich vermeidbaren Kosten führen. Im Zuge derReinheitsmessung (100 Volumenprozent)ist damit eine eindeutige Messung mitkleinsten Gasmengen gefordert.Gasisolierte Schaltanlagen sind niemals

absolut dicht. Durch Leckagen an Dichtungen, Flanschen und Ähnlichem trittSchwefelhexafluorid aus und gleichzeitigLuft ein. Die Verlustrate aufgrund solcherLecks liegt in der Praxis bei zirka 0,5 Volumenprozent pro Jahr. Die Leckagen müssen umgehend beseitigt werden, weilSchwefelhexafluorid zwar ungiftig undnicht brennbar, aber mit einemGWP vonknapp 24.000 das klimaschädlichste allerTreibhausgase ist. Gasisolierte Schaltan

lagen können deshalb mit stationärenGaswarnanlagen ausgestattet werden, dieAlarm schlagen, sobald eine kritischeSchwefelhexafluoridKonzentration in derRaumluft überschritten wird. Die Messbereiche solcher Gaswarnanlagen liegenüblicherweise bei 1000 ppm. Überdieskommen bei regelmäßigen Wartungsarbeitenmobile SchwefelhexafluoridLecksuchgeräte zum Einsatz.

NDIR-Gas-SensorenSowohl für die Reinheitsmessung als auchfür die Lecksuche bieten sich verschiedeneMessverfahren an. Dabei sind optischeVerfahren anderen Messverfahren hinsichtlich Lebensdauer, Selektivität undWartungsarmut überlegen. Zu den optischen Verfahren zählt auch die Detektionmit Sensoren, die auf demNDIRPrinzipberuhen.Die optischen Sensoren arbeitenmit einem rein physikalischen Verfahrenund messen die Konzentration des zubestimmenden Gases über das Maß derAbsorption seiner spezifischen Wellenlänge im Infrarotspektrum.Hintergrundgase wie Reinigungs oder Lösemittelbeeinflussen die Messung nicht. NDIRGasSensoren garantieren damit auch inanspruchsvollen Umgebungen einezuverlässige Funktion sowie präziseMesswerte.Gegenüber Sensortechnologien, die auf

chemischen Reaktionen basieren, könnenNDIRGasSensoren ebenfalls punkten,denn im Gegensatz zu den chemischenVerfahren verbrauchen sich optische

Flowevo-SF6-Sensoren im Überblick:

• vorkalibriert• langzeitstabil• zuverlässig• kompaktes Design• Spannungsversorgung mit Gleich-

spanungen zwischen 3,3 und 6 V

• Modbus ASCII oder RTU selbsteinstellend• LED-Statusanzeige

eck‑daten

der ndIrgassensor Flowevo sF6sensor (1000 ppm) kommt in tragbaren gasmessgeräten oderstationären sF

6detektionsgeräten zur Messung der sF

6MAKWerte zum einsatz.


Sensorik Gase


Messverfahren nicht. Sie sind damitwesentlich wartungsärmer und langlebiger. Der geringereWartungsaufwand unddie zuverlässigen Messungen gehen mitgeringen Stillstandzeiten der Anlagenbeziehungsweise einer hohen Anlagenverfügbarkeit einher. Zudem zeichnen sie

sich durch niedrige Detektionsgrenzen,einen weiten Temperaturbereich, kurzeResponseZeiten und eine geringe Driftaus. Daher kommen sie immer häufiger inApplikationen zumEinsatz, für die früherandere Verfahren genutzt oder Kompromisse gemacht wurden.

SF6-NDIR-Sensoren für jedenAnwendungsfallDie Heilbronner Smartgas Mikroelektronik GmbH hat sich auf die Entwicklungund Fertigung besonders kompakterNDIRGasSensoren spezialisiert.Mit denSchwefelhexafluoridSensoren der neuenBaureiheEVOFlow, diemitMessbereichenvonwahlweise 100 Volumenprozent, 1500ppm, 1000 ppmund 50 ppm arbeiten, bietet dasUnternehmenTechnologien für dieQualitätsüberwachung, die Raumluftüberwachung und die Lecksuche an. DieSensoren der EVOLine sind eineWeiterentwicklung der Vorgängerbaureihe unddamit kompatibel.Der SchwefelhexafluoridSensor (100

Volumenprozent) Flowevo zur präzisenMessung der Reinheit beziehungsweiseder Qualität der SchwefelhexafluoridGasfüllung in gasisolierten Schaltanlagenund transformatoren oder kabeln nutztwie alle SmartgasSensoren die Technologie der dualen Wellenlänge.Anhand derMessung gemäß Richtlinie

IEC 60480 für die Prüfung von Schwefel

dank sF6Isolierung lassen sich hoch und Mittelspannungsanlagen auf kleinem raum sicher betreiben.

der ndIrgassensor Flowevo sF6sensor (100 volumenprozent) misst die reinheit beziehungsweise

die Qualität der sF6gasfüllung in gasisolierten schaltanlagen und transformatoren oder Kabeln.

Sensorik Gase


autorDipl.-Ing. (FH) Volker HuelsekopfGeschäftsführer, Vertriebinternational, SmartgasMikrosensorik


Tel.: 089 /89 70 [email protected]

PRÄZISIONS-LEISTUNGS-VERSTÄRKER / LASTEN

Antriebstechnik

Energietechnik

Kalibrierung

Komponententest

Laboraufgaben

Isoliermessverstärker

hexafluorid nach Entnahme aus elektrischen Betriebsmitteln wird entschieden,ob das Schwefelhexafluorid recycelt werden muss oder noch im Schalter verbleiben kann. Der weite Messbereich von 0bis 100 Volumenprozent und die spezielle Abstimmung auf den Arbeitsbereichzwischen 80 bis 100 Volumenprozent qualifizieren den SchwefelhexafluoridSensor(100 Volumenprozent) Flowevo für kontinuierliche und diskontinuierliche Überwachungsmaßnahmen in hochwertigenSF6isolierten Mittel und Hochspannungsschaltanlagen.Dabei bietet der 100VolumenprozentSensor nicht nur diesetypischen Vorteile eines NDIRGasSensors sondern auch ein besonders kleinesinternes Volumen von weniger als 1 cm3,sodass im Rahmen der Probenentnahmenur eine kleine SchwefelhexafluoridMenge erforderlich ist.Für die Kontrolle der Einhaltung der

maximalen SF6Konzentration in derUmgebungsluft (MAKWert = 1000 ppm)in Schaltanlagen aber auch in Gaslagern,Kraft und Umspannwerken sowie inAnlagen zur Halbleiterherstellung bietensich die SchwefelhexafluoridSensorendes Typs Flowevomit einemMessbereichvon 1000 oder 1500 ppm an. Sie kommentypischerweise in tragbaren Gasmessgeräten oder stationären SF6Detektionsgeräten zum Einsatz. Da Schwefelhexafluorid eine wesentlich höhere Dichte alsLuft aufweist und sich am tiefsten Punkteines Raumes sammelt, bewahrt derSchwefelhexafluoridSensor Flowevo dasWartungspersonal insbesondere beimEinsatz in tieferliegenden Räumen vor derGefahr durch Ersticken.Der kompakte und leichte Schwefelhe

xafluoridSensor Flowevo mit einemMessbereich von 50 ppm wird in tragbarenGasmessgeräten oder stationären SF6Detektionsgeräten zur diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Messungkleinster SchwefelhexafluoridLeckagenverbaut.Aufgrund seiner hohen Empfindlich

keit und der niedrigen unteren Detektionsgrenze erkennt der 50ppmSensorselbst minimale SF6Leckagen zuverlässig. Daher kommt er immer dann zumEinsatz, wenn beispielsweise die Qualitätsmessung einen negativen Befundergab und/oder die Gaswarnanlage auf

grund erhöhter SchwefelhexafluoridKonzentrationen in der Raumluft angeschlagen hat. Mit einem tragbaren Gasmessgerät wird in der Folge das Leckaufgespürt und umgehend repariert.Eine weitere typische Anwendung des

Flowevo SF6Sensor (50 ppm) ist das Aufspüren von Schwefelhexafluorid im Rahmen von Umweltsimulationen. Da SF6

nicht brennt und ungiftig ist, kommt esauch als Tracergas für Untersuchungenüber die Ausbreitung von Brandgasenoder Gefahrstoffen in Tunneln, UBahnen, Gebäuden oder Schiffen zum Einsatz. Das Gas wird dabei in sehr kleinenKonzentrationen freigesetzt und kanndannmit hochsensiblen Sensoren an verschiedenen Orten in Echtzeit gemessenwerden.Diese niedrigen Konzentrationen und

Hintergrundgase stellen für gängigeMessverfahren Probleme dar oder warenbeispielsweise beim Einsatz optischerVerfahren bislang mit hohen Kosten verbunden. Auch sind die Geräte häufig zugroß für eine portable Nutzung amMessort. Der kompakte SchwefelhexafluoridSensor Flowevo (50 ppm) ist soklein, dass er auch in tragbarenGasmessgeräten Platz findet.

Ready-to-useAlle beschriebenen Sensoren eignen sichdarüber hinaus auch für den Einsatz inanspruchsvollen Laboranwendungenmithohen Anforderungen an Leistung,Selektivität und Zuverlässigkeit. Sie lassen sich direkt in OEMSysteme integrieren. Für die Verbindung zur Systemsteuerung verfügen die Sensoren wahlweise über Modbus ASCII oder RTUSchnittstellen.Da die NDIRGasSensoren auf einer

Plattform aufbauen, lassen sich anwendungsspezifischeAnpassungen leicht vornehmen, undweil alle SmartgasSensorenüber die gleiche Datenschnittstelle verfügen, lassen sie sichparallel betreiben.Kunden können die Sensoren daher auchgegeneinander austauschen, ohne Änderungen an der Software oder der Datenschnittstelle vornehmen zu müssen.Smartgas liefert seine Sensoren ab Werktemperaturkompensiert undkalibriert aus.Auf Kundenwunsch nehmen die Heil

bronner auch eine Druckkompensation

der Sensoren vor. Dies ist beispielsweisedann erforderlich, wenn sich wetterabhängige Luftdruckschwankungen oderdie Nutzung der Sensoren in großenHöhen auf die Dichte des Gases unddamit auf die Anzahl der Moleküle imgleichen Volumen auswirken. Schließlichberuht das Messverfahren auf der Messung dieser Anzahl über die Absorptionder IRStrahlung. (av) n


Sensorik NO2


vielseitige anwendungender weltweit kleinste elektrochemische sensor – ein nO

2sensor

Feststoffelektrolyt-Sensoren wie der NO2-Sensor ES1 eignen sich ideal für vielseitige Anwen-dungen, von VOC-Messsensoren über Sensoren für die Regelung brennbarer Abgase bis zuSauerstoffsensoren mit langer Lebensdauer. Autor: Dr. Thomas Clausen

Dieser Beitrag beschreibt die Technologie hinter FeststoffelektrolytSensoren wie demNO2Sen

sor ES1, aber auch die Anwendungen, fürdie sich diese in Kombination mit einerspeziellen Verpackungstechnik eignen.FlüssigelektrolytSensoren, die auch als„elektrochemische Nasszellen“ bezeichnet werden, kommen in zahlreichenAnwendungen – vom Kraftfahrzeug(Optimierung des Kraftstoffverbrauchs)über die Industrie (Sicherheitsanwendungen) bis hin zur Abgasregelung (Überwachung) – zum Einsatz. Für den Betriebund die Lebensdauer der Zelle ist aufgrund des Flüssigelektrolyts eine robustemechanische Bauweise wesentlich. In denvergangenen 20 bis 30 Jahren haben sicheinige robuste elektrochemischeNasszellen zum Standard entwickelt, wie beispielsweise die 4erSerie (mit einemDurchmesser von 20 mm) für tragbareGasanalysegeräte und die 7erSerie (miteinem Durchmesser von 32 mm) für sta

tionäre Gasanalysegeräte. Die mechanischen Einschränkungen von FlüssigelektrolytSensoren sowie Bedenken hinsichtlich leckender Zellen und toxischerMetalle verringern jedoch die Anzahl dermöglichen Einsatzgebiete. Insbesondereumwelt, größen und preisbezogene Fragen spielen dabei eine wesentliche Rolle.SolidPolymerElektrochemischeSen

soren (SPE) sind in punkto Bauweise undGröße flexibel, da ihr Basisdesign trockenist und ohne Flüssigelektrolyte auskommt(Bild 1). Das Konzept einer elektrochemischen Trockenzelle, die auf einem Feststoffelektrolyt vomTyp Polymerelektrolytbasiert, stellt nicht nur Gassensoren mitihren designbezogenen Einschränkungenin den Schatten, sondern eröffnet auchneueAnwendungsgebiete für elektrochemische Zellen.Als Basis einer elektrochemischen Tro

ckenzelle dient ein Polymer, wobei die indie Polymerschicht eingebettete Chemiefür die elektrochemischen Reaktionen

sorgt. Dies ermöglicht ganz neue Zellbauweisen. Bild 1 zeigt, wie ein derartigesneues Design aussehen kann. Der ES1 istder kleinste elektrochemische Sensor derWelt. Die Zellgröße des ES1 wurde in alleRichtungen reduziert, was wiederum denBau von kleineren und kompakterenGasanalysegeräten ermöglicht (Bild 2).Die Liste der mit der SPETechnologie

detektierbaren Gase ist lang. Die ersteGeneration der ES1Gassensoren wurdefür die Abgasregelung und die Überwachung von Gasen wie O

2, CO, NO2, H2,H2S und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) entwickelt. Die breiteAnzahl an detektierbaren Gasen und dieBauweise des SensorsmachendasProduktzum geeeigneten Bestandteil von elektronischenNasenoder kleinenbatteriebetriebenen Analysegeräten für die Leckerkennung. ImweiterenVerlauf desBeitrags liegtder Fokus auf demNO2Sensor ES1 inklusive einer detaillierterenBeschreibung vondessen Funktions und Bauweise.

Bilde

r:Pew

atron

bild 1: es1sensoren zusammen mit den siebgedrucktensensoreinheiten.


Sensorik NO2


NO2 messenStickstoffdioxid (NO2) ist ein toxischesGas– einerseits ist es umweltschädlich, andererseits eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit. Die behördlichen Vorschriften sehen einen maximalen NO2Expositionsgrenzwert von 5 ppm undeinen Arbeitsplatzgrenzwert von geradeeinmal 0,2 ppm vor. In einigen Ländernund Städten stellt die Einhaltung dieserniedrigen Werte eine echte Herausforderung dar. Noch schwieriger ist es jedoch,die NO2Konzentration auf zuverlässigeWeise zu messen. Als bestmöglicheLösung für dieses Problem gilt im Allgemeinen der Einsatz zahlreicher kleinerautonomerNiedrigstromAnalysepunktein einemNetzwerk. FeststoffMetalloxidNO2Sensorenbasieren auf anorganischenMaterialien, die auf einerHeizplatte abgelagert werden, benötigen zu viel Strom fürechte autonomeDauermessanwendungenund gelten deshalb als nicht optimal. Elektrochemische Sensoren dagegen könnenals ideale Lösung fungieren, weil sie sehrwenigoder keinenStrombenötigen. Erwä

gungen zum Einsatz elektrochemischerSensoren betreffen meist die Sensordriftsowie die Lebensdauer der Sensoren. EinSensor mit hoher Drift und/oder kurzerLebensdauer wird kaum als gangbareLösung für autonome Dauermessanwendungen in Betracht kommen. Die SPETechnologie erlaubt jedoch Sensorausführungen, die auf einer Anzahl Parameter,darunter Lebenszeit und Drift, basieren.

Dieser Beitrag beschreibt die Technologiehinter Feststoffelektrolyt-Sensoren wie demNO

2-Sensor ES1, aber auch die Anwendun-

gen, für die sich diese in Kombination mit ei-ner speziellen Verpackungstechnik eignen.Die NO

2-Gassensorserie ES1 ist für drei un-

terschiedliche Messbereiche verfügbar: von0 bis 50 ppm, von 0 bis 100 ppm sowie von 0bis 1000 ppm. Aufgrund der Chemie undder Fähigkeit, die Elektronen von den Gas-molekülen zu trennen, lassen sich SPE-ba-sierte Gassensoren den Bedürfnissen zahl-reicher verschiedener Gase anpassen. Sieeignen sich deshalb für viele unterschiedli-che Anwendungen.

eck‑datenSensitivität und Reaktionszeit sind ebenfalls mögliche Parameter, die beim Sensordesignmit einfließen können, damit dieSensoren denAnforderungen bestimmterAnwendungen entsprechen.Die Basis für die planare Dreielektro

denanordnung des Sensors sind AluminiumoxidKeramiksubstrate (Bild 1).Arbeits, Gegen und ReferenzElektrodebilden den Dreielektrodensensor selbst,der aus nichttoxischen MetallkontaktenundPolymerschichten (Aktiv undSchutzschichten) besteht, die per Siebdruck ineiner geordnetenundgeschichtetenStruktur auf die Keramik aufgebracht werden.NO2 ist ein starker Elektronenakzeptor.Aus diesemGrund ist es notwendig, dassdie chemischen Eigenschaften des Elektrolyts über die polymere Elektrolytschichteines Sensors hinweg und auch zwischendenSensoren einerCharge homogen sind.Die Siebdrucktechnologie ist zwar für dieMassenproduktion gut geeignet, die polymere Elektrolytschicht bleibt jedoch derSchlüsselfaktor, um auch bei großemProduktionsvolumen Uniformität zu errei

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Sensorik NO2


autorDr. Thomas ClausenProduktmanager bei Pewatron


chen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist diePolymermatrix, in die der Elektrolyt eingebettet ist. Die Polymerschicht kann keinaktiver Teil der Elektronik sein; nur derElektrolyt ist aktiv. Die vollständige Reaktion im NO2Sensor ist bekannt:NO2 > NO + ½O2

Die dazwischenliegenden Reaktionenauf der Arbeits und der Gegenelektrode(welche die Bildung von Wasser beinhalten) sind komplex und müssen durch dieKonzentration unddenpHWert des Elektrolyts gut abgestimmt werden. Ein zustarker Elektrolyt kann die Lebenszeit desSensors verkürzen oder ihn destabilisieren, wenn er über lange Zeit NO2 ausgesetzt ist.

NO2-Sensor ES1Der NO2Sensor ES1 zeichnet sich durcheineBetriebsdauer vonmehr als drei JahrensowieNullstromStabilität (Nullpunktabweichung<0,2 ppm) aus. SeineQuerempfindlichkeit gegenüber anderenGasenwiebeispielsweiseNO,COundCO2gehtgegennu l l . B e i Ve r wendu ng e i n e s16BitA/DWandlers zur SignalkonditionierungbeträgtdieAuflösung0,1ppm.DerSensor funktioniert imTemperaturbereichvon 40 °C bis +50 °C, im Feuchtigkeitsbereich von10Prozent bis 95ProzentRHundimDruckbereich von800hPabis 1200hPa.

Selbst bei sehrniedrigenTemperaturenvonzirka 40 °C beträgt die Sensorsensitivitätimmer noch einDrittel desWertes bei normalen Temperaturen von mehr als 0 °C.Die physikalischen Parameter des elek

trochemischen NO2Sensors ES1 ermöglichen autonome Dauermessungen wiebeispielsweise dieÜberwachung der Luftverschmutzung. Auch durch die kompakten Abmessungen (11,5 mm x 11,5 mm)ist diemechanische Ausführung der Sensoreinheit gut für autonome Anwendungengeeignet.DieseAbmessungenmachenden ES1 zumweltweit kleinsten kommerziell verfügbaren elektrochemischen Sensor. Für die Entwicklung robuster undkleiner Transmitter bietet dies offensichtliche Vorteile.

NO2 in drei Messbereichen erfassenDie NO2Gassensorserie ES1 ist für dreiunterschiedlicheMessbereiche verfügbar.Die Messbereiche von 0 bis 50 ppm undvon 0 bis 100 ppm kommen zur Abgasüberwachung, beispielsweise in Parkhäusern, sowie für andere Anwendungenmitbegrenzten Platzverhältnissen wie zumBeispiel zurAtemluftanalyse zumEinsatz.Die dritte Ausführung mit einem Messbereich von 0 bis 1000 ppm findet in derRegel in der Prozessüberwachung ihreAnwendung.

AufgrundderChemieundder Fähigkeit,die Elektronen von den Gasmolekülen zutrennen, lassen sich SPEbasierteGassensoren den Bedürfnissen zahlreicher verschiedenerGase anpassen. Sie eignen sichdeshalb für viele unterschiedlicheAnwendungen. Ein VOCSensor (auch AllGasSensor genannt) kann beispielsweisezusammenmit einemCO2Sensor für dieMessung derGasqualität in InnenräumenzumEinsatz kommen – eineAnwendung,die zunehmend an Bedeutung gewinnt.Nebst Sensoren in einemNetzwerk kommen hier auch Sensorausführungen zumEinsatz, bei denen Smartphones, Tabletsoder andere Drahtlosgeräte als Plattformfür die Messung der Luftqualität dienen.DieHauptkriterien für Sensoren zurMessungder Luftqualität in Innenräumen sindStabilität und niedrige Drift. Beide Kriterien erfüllt der VOCSensor ES1. Weitereignet sich der VOCSensor ES1 bestensfür dieAtemluftanalyse beimedizinischenoder anderenAnwendungen. Seine Reaktionszeit lässt sich so gestalten, dass einesehr schnelle Erkennung vonGeruchsbildung, Parfümen oder Alkoholmöglich ist.Da die Schichten jeweils auf ein Träger

substrat gedruckt werden, ist die SPETechnologie gut für die Massenproduktion geeignet. Es handelt sich dabei um einNovum inderGassensorbranche, dasneueAnwendungen erlaubt, beispielsweise inWohnhäusern oder auf dem Gebiet derintelligenten Klimatisierung. Mit demneuen Konzept ist der Stromverbrauchzudem so niedrig, dass für Produktentwicklungen auf Basis des SPEGassensorsES1 der Batteriebetrieb sowie RemoteAnwendungen, für die eine lange Batterielaufzeit gewährleistet sein muss, keinProblem mehr darstellen. Weil sich dieTechnologie einfach auf hohe Volumenhochskalieren lässt, kann sich die ES1Plattform, auch was den Preis betrifft,problemlos mit anderen Gassensortechnologien (wie beispielsweise MOSGassensoren) messen. (av) n

bild 2: Auswertung deres1sensorplattformmit der App.


Sensorik Highlight

ON Semiconductor hat sein Portfolio umzwei Bildsensoren der KAEReihe erweitert.Die Sensorenmit ITEMCCDTechnik(Interline Transfer Electron MultiplyingChargeCoupled Device) eignen sich fürAnwendungen, die Aufnahmen mithohemHelligkeitskontrast benötigen. Einsatzbereiche finden die Bildsensoren beispielsweise in derMikroskopie, dermedizinischen Bildgebung, inÜberwachungskameras oder der automatisierten Verkehrsüberwachung.Durch größere beziehungsweise tiefere

Pixel besitzendieBildsensorenKAE04471und KAE02152 auch bei InfrarotBelichtung und im SubLuxBereich eine nochhöhere Bildschärfe als ihre Vorgänger. Mitder ITEMCCDTechnik tretennur geringeDunkelströme auf und die Sensoren besitzen ein niedriges Ausleserauschen sowieeinen hohen Dynamikumfang – wichtigeEigenschaften für den Einsatz in Situationen mit sich schnell ändernden Beleuchtungsverhältnissen. Ein integrierter Sensorermittelt dabei die erfassteLadungsmenge,gleicht diesemit demvomBenutzer gesetzten Schwellenwert ab und verstärkt dasSignalgegebenenfallsüberdenElektronenMultiplikator, bevor der Eintrag der Datenins Register erfolgt.

höhere bildschärfe als der vorgänger: be i weniger l icht

bildsensoren für sub‑lux‑hochkontrastaufnahmen

Der KAE04471 verfügt über eine vierMegapixelAuflösung und kann 15 Bilderje Sekunde aufnehmen. Die Pixel desChips sind mit 7,4 µm x 7,4 µm deutlichgrößer als die des Vorgängers, weshalb derSensormehr Licht einfängt undmit 92 dBüber einen höherenDynamikbereich verfügt.Gehäusetechnisch ist derKAE04471zum Vorgänger KAE08151 kompatibel.Die Serienfertigung des Sensors soll lautHersteller im zweitenQuartal 2017 beginnen; EntwicklerVarianten des Sensorssind bereits erhältlich.BeimKAE02152 (2Megapixel, 30 Bilder

je Sekunde, 16:9Format) sind die 5,5 µmx 5,5 µm großen Pixel tiefer ausgeführt,wodurch der Bildsensor besonders imNahinfrarotbereich (NIR) über eine höhere Empfindlichkeit verfügt. BeiWellenlängen von 820 nm ist die Quantenausbeutedes Sensors imVergleich zumVorgängermodell KAE02150 doppelt so hoch, ohnedass sich dadurch die Modulationstransferfunktion (MTF) verringert.Optional istder Bildsensor auch mit einem integrierten, thermoelektrischenKühler erhältlich;die Serienproduktion beginnt im drittenQuartal 2017. (na) n


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die bildsensorenKAe02152 undKAe04471 arbeitenmit IteMccdtechnikund eignen sich fürAnwendungen, die einen hohen helligkeitskontrast benötigen.Bil

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Sensorik Drehmoment


bye‑bye, dehnmessstreifen!berührungsfreie drehmomentmessung

Bis vor kurzem lautete das technische Synonym für „Drehmomentmessung“ stets„Dehn(ungs)messstreifen“, aber in letzter Zeit hat sich die Situation signifikant verändert.Mithilfe magnetorestriktiver Sensoren lassen sich viel genauere Messungen durchführen –auch unter schwierigen Bedingungen. Autor: Alfred Vollmer

Sensoren für die berührungsfreie Drehmomentmessung ersetzen in immer mehr Anwendungen die DehnmesstreifenTechnologie. Dafür

gibt es zahlreiche gute Gründe: Installation undAnwendung kommerzieller FolienMesstreifen sindteuer und komplex. Im Einsatz halten sie insbesondere anspruchsvollen Bedingungen nur mit sehrhohem Aufwand stand. Mechanische, thermischeund chemische Beanspruchung bringen herkömmliche Lösungen schnell an ihre Grenzen, sodass es zuBeschädigungen an den empfindlichen Dehnmessstreifen (DMS) kommt oder die DMS nur noch unzureichendeDaten liefern. Zudem ist die Signalübertragung per Telemetrie aufwendig, teuer und störanfäl

lig. Dies sind nur einige der Gründe, warum Drehmomentmessung trotz ihrer großen Aussagekraftbislang oft nur in exklusiven Prüf, Test und Entwicklungsanwendungen zum Einsatz kam.

Berührungsfrei messen:ein Maschinenleben langDas hat sich geändert, denn moderne Drehmomentsensorik arbeitet berührungsfrei. Durch die präziseErfassung von Messwerten direkt an Wellen undGelenken ermöglicht die berührungsfreie Arbeitsweise neue Messmöglichkeiten in einer Vielzahl vonAnwendungen jenseits der Prüfstände: von Elektrofahrrädern über Richtmaschinen und Extruder, Flugzeuge, Robotik und Industrie 4.0, bis in die Medizinund Lebensmitteltechnik.Die von NCTE entwickelte Drehmomentmess

technik arbeitet vollständig berührungsfrei undrobust. Im patentierten NCTEProzess werdenWelle, Achse oder rotierende Komponenten einesMotorsoder einer Maschine selbst zum Primärsensor. ZurKraftmessung nutzt NCTE das Prinzip der Magnetostriktion. In einem eigenentwickelten patentgeschützten Strompulsverfahren wird die Achse dau

Bilder: NCTE

Mit der Baureihe 2300 hat NCTE eine neue Serie von Dreh-moment-Sensoren entwickelt, die berührungsfreie Mes-sungenmit einer Messgenauigkeit von 0,5 Prozent imMessbereich von 1 Nmbis 100 Nm ermöglicht. Die neuen,nach demmagnetorestriktiven Prinzip arbeitenden Senso-ren ermöglichen jetzt auch feinste Messungen im Bereichunter 2,5 Nm, sodass auch hier keine instabileren und teu-reren Dehnmessstreifenmehr notwendig sind.

eck‑daten

beispiel für einen sensor zurberührungsfreien drehmomentmessung.

Sensorik Drehmoment

erhaft mit einer remanenten, schwachen magnetischen Codierung versehen.Das dabei erzeugte Magnetfeld ist langzeitstabil

und auch unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungenunempfindlich gegenüberVibrationen, hohenUmdrehungszahlen und Temperaturen. Nahe derAchse erfassen hochauflösende Miniatursensorenberührungslos und verschleißfrei selbst kleinsteMagnetfeldänderungen durch einen Luftspalt von mehreren Millimetern. Die erhobenen Daten lassen sichdirekt und automatisiert zur optimalen Steuerung desMotors oder der Maschine nutzen.

Noch präziser messenMit der Baureihe 2300 hat NCTE eine neue Sensorserie entwickelt, die Konstrukteuren und Entwicklern noch präzisere berührungsfreie Messungen ineinem noch größeren Drehmomentbereich ermöglicht. Die neuen Sensoren arbeiten mit einer Messgenauigkeit von 0,5 Prozent in einem Messbereichvon 1 Nm bis 100 Nm, sodass jetzt auch für feinsteMessungen im Bereich unter 2,5 Nm keine instabileren und teurerenDehnmessstreifenmehr notwendig sind. NCTE entwickelte die Baureihe 2300 gezieltfür anspruchsvolle Messungen im Prüfstandsbau,für Robotik und Industrie 4.0, für Hochpräzisionsmessungen in der Prozessüberwachung und für EndofLine Tests. Dabei arbeitet die neue SensorSerieüber den Temperaturbereich von 20 °C bis +100 °Cstabil. Die Sensoren sind gemäß IP65 geschützt undlassen sich an die üblichen SchnittstellenStandardswie CAN und USB anschließen.Ein Anwendungsfeld, in dem die neue Serie viele

Vorteile bietet, sind große IndustrieRührer in derMedizintechnik und Lebensmittelindustrie. Hierermöglicht der feinere Messbereich die Identifizierung selbst geringster Unebenheiten, Viskositätsunterschiede und Rheologien in der gerührten Lösung.Die neuen Sensoren eignen sich auch für die Kon

trolle diverser feinstmechanischer Kraftprozesse,beispielsweise in Greifadaptern für die Kroneneinstellung von Uhren.

Berührungsfreie Drehmomentmessungbietet VorteileGerade für den Einsatz auf Prüfständen und in Elektromotoren bietet berührungsfreie Drehmomentmessung eine Reihe entscheidender Vorteile gegenüber Dehnmessstreifen. In bewegungsführendenWellen, Achsen oderGelenken erfassen berührungsfreie Drehmomentsensoren kontinuierlich und inEchtzeit die auftretenden Kräfte. Dadurch ermöglichen sie die exakte Anpassung von Antrieben undBewegungen an das jeweils ermittelte Drehmoment.Berührungsfreie Drehmomentsensoren sorgen fürbesonders kurze Systemlaufzeiten derMessdaten andie Kundenschnittstelle, sodass eine schnelle Regelung entsprechend den Sensordaten möglich ist. Solassen sich Schäden und Überlastsituationen sichervermeiden. Zudem ermöglicht die ständige Kraftrückmeldung eine Antigravitationsregelung, wasinsbesondere in Industrie 4.0 und RobotikAnwendungen beachtliche Vorteile bietet.Sogar Hohlwellen mit innenliegenden leistungs

führenden Kabeln können zu Primärsensorenmagnetisiert werden. Die gekapselten Sekundärsensorensind geschützt vor magnetischen Störfeldern underfüllen alle EMVAnforderungen. Ebenso bestehtdie Möglichkeit, Innenwellen zumagnetisieren undals Sensoren zu nutzen. Damit sind auch in extremengen Bauräumen hochpräzise Drehmomentmessungenmöglich, beispielsweise inGetrieben, Antrieben und Elektromotoren.

Wartungs- und kalbrierungsfreiWährend der gesamten Lebensdauer des Sensorsfallen keinerlei Kalibrierungs oder Wartungsaufgaben an, da die magnetische Codierung dauerstabil

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Sensorik Drehmoment


ist, undweil dieWelle selbst zumPrimärsensor wird,sind auch keine Zusatzteile erforderlich. Die Sekundärsensoren finden ohne großen Aufwand auch inengen Bauräumen Platz. Da das gesamte Prinzipberührungsfrei arbeitet, verrichtet es selbst unterbesonders schwierigen Bedingungenhochzuverlässigseinen Dienst – auch bei starker Staubentwicklung,in Öl oder Wasser und bei hohen Temperaturen odergroßen Temperaturschwankungen.

Kombinierte Kraftmessung:Drehmoment, Scherung, BiegungBerührungsfreie Drehmomentsensoren ermöglichensogar mehrdimensionale Messungen: Die Sensorenerfassen nicht nur zuverlässig, präzise und serientauglich das Drehmoment, sondern sie könnengleichzeitig auch das Biege und Schermoment vonWellen messen. Das eröffnet ihnen völlig neue Einsatzbereiche der parallelen Beobachtung unterschiedlicher Arten von Belastungen in Echtzeit. Solassen sich Schäden anWellen vermeiden oder Bauteile lastgerecht auslegen. NCTESensoren vereinigen Drehmomentmessung und parallele Biegungsmessung in zwei Achsen in einem einzigen Sensor.Hierfür werdenmehrereMiniatursekundärsensorenmiteinander verbunden, die berührungsfrei und inEchtzeit die verschiedenen Leistungsdaten erheben.Diese Messtechnologie bietet in Anwendungen mitkomplexen Bewegungsabläufen, beispielsweise inRobotern und anderen Industrie 4.0Anwendungen,entscheidende Vorteile.

Wartung und KostenDank ihrer hohen Präzision ermöglichen Drehmomentsensoren effiziente, vorausschauendeWartung,denn sie machen selbst hochdynamische Prozessesichtbar und transparent. Bei Bedarf arbeitet die Technologie so genau, dass zum Beispiel beim Einsatz inGetrieben jeder einzelne Zahnradeingriff einzeln

autorDipl.-Ing. Alfred VollmerChefredakteur elektronik journal.Er bearbeitete den Beitrag nach Unterlagen von NCTE.


hochaufgelöst dargestellt wird. Dies liefert völlig neueund teils überraschende Einblicke in wichtige Lastsituationen und Prozesse und ermöglicht exakteErkenntnisse zu Lebensdauer, Last und optimalenWartungsintervallen. Teile werden nur dann proaktiv gewartet oder ausgetauscht, wenn dies auchwirklich erforderlich ist.Berührungsfreie Drehmomentsensoren sind

besonders robust und halten ein Maschinenlebenlang. Ihre geringe Systemkomplexität und einfacheIntegration machen sie kostentechnisch interessantfür den Serieneinsatz. Dank der kontinuierlichenErfassung entscheidender Daten zu Lastsituation,Verschleißfrüherkennung und Wartungsintervallplanung muss Service nur dann erfolgen, wenn erauchwirklich nötig ist. Durch die automatische Regelung der Drehmomentsensorik fahren Anlagen undMotoren größtenteils im idealen Bereich. Dies trägtebenfalls zu längerenWartungsintervallen, reduzierten Standzeiten und längerer Lebensdauer bei. Jenach Anlagentyp lassen sich Effizienzpotenziale vonüber 20 Prozent realisieren. In besonders anspruchsvollen Industrien, in denen ein Maschinenausfallkatastrophale finanzielle Schäden nach sich zieht, istder Wert noch höher; ein gutes Beispiel hierfür sindSpezialextruder für die Pharmaindustrie.

Schutz und ÜberwachungIn vielen Anwendungen ist ein Überlastschutz durchkontinuierliche Drehmomentmessung erforderlich:Sobald ein Sensor eine Drehmomentänderung identifiziert, gibt er die Daten direkt an die Steuerungweiter, die dasDrehmoment automatisch und in Echtzeit anpasst. Diese Funktion sichert nicht nur in Produktions und Erntemaschinen gleichbleibend hoheQualität durch die automatische Anpassung derMaschinengeschwindigkeit an die Realbedingungen.In Industrie und RobotikAnwendungen ermög

lichen berührungslose Drehmomentsensoren eineautomatisierte Überwachung von Antrieben undMotoren interagierenderAggregate.Die Echtzeitmessung der auftretenden Kräfte vermeidet hierbei Fehlfunktionen, Kollisionen und Beschädigungen allerArt.Dies erhöht insgesamtAusfallsicherheit, Effizienzund Verfügbarkeit der Anlagen, steigert die Produktionsleistung und kann helfen, Reparaturkosten zuvermeiden. n

so funktioniert die drehmomentmessung per Magnetostriktion; gemäß dem physikalischen Prinzip der Magnetostriktionändert sich die länge eines Körpers unter dem einfluss einesäußeren Magnetfeldes. dieser effekt ist robust, langzeitstabil, präzise reproduzierbar und streng linear.

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NEU:


Sensorik Messevorschau

sensor‑news rund um diesensor + test 2017Aktuelle lösungen aus der sensorwelt

Zur besseren Vorbereitung auf die 24. internationale Messtechnik-Messe Sensor + Test, die vom30. Mai bis zum 1. Juni 2017 auf dem Gelände der Messe Nürnberg stattfindet, hat sich dieRedaktion im Vorfeld nach den aktuellen Trends und neuen Produkten erkundigt. Autor: Alfred Vollmer

Für den AMA Verband für Sensorik und Messtechnik e.V.als Träger und die AMAServiceGmbH als Veranstalter derMesse Sensor + Test gibt es „in Europa keine vergleichba

re Plattform, auf der Anwender auf so viele innovative Anbietervon Sensorik, Mess und Prüftechnik aus allerWelt treffen können“. Da ist es kaum verwunderlich, dass in diesem Jahr wohlrund 600 Aussteller und über 9000 Besucher nachNürnberg fahren werden.

DrucksensorenZwar können die Besucher auf der Sensor + Test viele verschiedene Standardaufnehmer mechanischer Messgrößen finden,

aber wer genau hinschaut, wird auch Spezialitäten und das nichtAlltägliche entdecken. Die zur Messung von Druck und Differenzdruck eingesetzten Technologien reichen von piezoresistiven Siliziumsensoren für Druckmessung in flüssigen undgasförmigenMedien bis zu DünnschichtDehnungsmessstreifen, wobei manchen Sensoren zusätzlich Temperatursensorenenthalten.So zeigt der amerikanische Hersteller PressureSensor Blue

toothfähigeMEMSDrucksensoren sowie vorgefertigte Sensormodule und Keramiksensoren für Automobil, Industrie undConsumerAnwendungen, aber auch Sensoren für Luftverdichter undWasseraufbereitungsanwendungen. Sensoren für Absolutdruckmessungen mit Kantenlängen von einem Millimeterwird das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik ausstellen.Die eingebetteten Piezowiderstände haben eine Empfindlichkeitvon 20 μV/hPa beiMessgenauigkeiten vonbis zu 0,001 hPa.Durchdie hohe Auflösung eignen sie sich für die Navigation in Innenräumen oder für Überwachungsaufgaben wie etwa die Sturzerkennung von Patienten.MiniaturisierteDrucktransmitter im kompaktenMetallgehäu

se messen verschiedene Druckarten wie Absolut, Relativ undDifferenzdruck im Druckbereich von 50 mbar bis 10 bar. ImrobustenMetallgehäuse könnendie SensorendesMainzerUnternehmens Analog Microelectronics in pneumatischen Systemengeringe differenzielleDruckänderungen bei hohemSystemdruckmessen. ZumEinsatz kommen die 35 x 25 x 25mm3 großen Sensoren in derMedizintechnik zurGasstromüberwachung oder alsFüllstandanzeiger in Flüssigkeitstanks oder zur Druckmessungin Reinräumen.

InfrarotMessfühler von Orientalsystem technologies.

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drucksensoren von Pewatron.

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ratiometrischer druckaufnehmer vonsensaggio.

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Auch in diesem Jahr rechnen die veranstalter der sensor + test mit vieleninternationalen besuchern.

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„Der weltweit kleinste digitale Differenzdrucksensor“, denSensirion fertigt, misst lediglich 5 x 8 x 5 mm3 und erlaubt damitneue Anwendungsmöglichkeiten wie dieMessung desMassendurchflusses in der Medizintechnik oder in der Konsumgüterindustrie. Keller Gesellschaft für Druckmesstechnik zeigt den„kleinsten Drucktransmitter, der sich mit der I2CSchnittstellezur einfachen Integration in mikrocontrollerbasierte Systemeeignet“. Mit einem „besonders niedrigen Stromverbrauch“ undRFIDSchnittstelle bietet er sich auch für batteriebetriebeneGeräte an. ACSControlSystem aus Eggenfeldenwiederumwill„den kleinsten programmierbaren 2DrahtDrucksensor mitHartSchnittstelle“ inNürnberg ausstellen. Er ist vollverschweißtund eignet sich zur Überwachung des Relativdrucks in Gasen,Dämpfen, Flüssigkeiten und Stäuben.Der italienische Sensorhersteller Sensaggio entwickelte

ursprünglich für den Automobilsektor einen ratiometrischenDruckaufnehmer, bei dem es auf besonders unverfälschte Ergebnisse ankommt. Jetzt gibt es den gleichen Sensor auch für denindustriellen und biomedizinischen Sektor. DerDruckaufnehmernutzt eine piezoresistive, chemisch geätzte Keramikmembranundmisst die Änderung des spezifischenWiderstandesmit einerWheatstoneBrücke. AmStanddes rumänischenHerstellers Sitexgibt esDifferenzfeindrucksensorenmit piezoresistiven Siliziummembranen zu sehen, wobei sich auf dem 3 x 3 mm2 großenGesamtchip eine 1mm2 SiMembran befindet. Die Druckbeaufschlagung erfolgt dabei auf beiden Seiten der Membran. Damitlässt sich der Sensor sowohl als Messfühler als auch als Differenzdruckmesser verwenden.Bei seinen leiterplattenbasiertenDrucksensoren hebt Pewatron

besonders das „extrem rauscharme analoge Ausgangssignal,eine hoheAuflösung und eine schnelle Abtastrate“ hervor.Möglichwird dies durch ein ZweiChipSystem, bestehend aus einemMEMSSensorchip und einemChip zur Signalkonditionierung.Anwendungsgebiet sindHighendMessgeräte für die nichtinvasive Blutdruckmessung. Der Standardmessbereich der Sensorenliegt zwischen 0 und 250 mbar beziehungsweise 0 und 12 bar.Mit der EinpunktDruckschwellwerterkennung lässt sich einkleiner Druckschalter realisieren.

Kraft, Gewicht, DrehmomentMiniaturwägezellen in einem Edelstahlgehäusemit integrierterVerkabelung messen sowohl auf Druck und Zug – mit einer

Genauigkeit von 0,15 bis 0,25 Prozent. Aufgrund ihrer kompakten Größe lassen sie sich leicht in Arbeitsschächte von Maschinenprüfsystemen integrieren, umKräfte auf einer angetriebenenWelle zumessen. Im Rahmen eines Forschungsprojektes entwickelte dieHTWdes Saarlands jetzt hochempfindlicheDehnungsmessstreifen aus funktionalenDünnschichtSensormaterialien,die unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen sind. Sieeignen sich für Kraft, Druck, Drehmoment undGewichtsmessungen.LorenzMesstechnik hat rotierende digitale Drehmomentsen

soren entwickelt, die den Anwendern die Drehmomentmesstechnik durch einen schnellen elektrischenMessaufbau erleichtern sollen. Im Sensor sind dabei alle Kalibrierungsdaten hinterlegt, die die Messsoftware für die Konfiguration auslesen kann.Als Anzeige und Auswerteeinheit genügt ein handelsüblicherRechner mit USBAnschluss. Die Messrate beträgt bis zu 2.500Messungen pro Sekunde. Meist ist mehr als „nur“ der nackteSensor gefragt. So fertigt Manner Sensortelemetrie Drehmomentflansche für die hochgenaue dynamische Drehmomenterfassung. Dabei korrigiert ein Sensorsignalverstärker in EchtzeitdieNullpunkttemperaturablagen inAbhängigkeit von derUmgebungstemperatur an der Messstelle und veredelt so Serienbauelemente zu hochgenauen Drehmomentmessgliedern.SechsAchsenSensoren messen die Kräfte und Momente in

den drei Richtungen des Raums. Auf dieseWeise können sie dieGreifkraft von Roboterzangen und vielen Anwendungen in derRobotik und Fertigungstechnik bestimmen. Ein achtkanaligerMessverstärker von MEMeßsysteme, der mehrere Kanäle überder Zeitachse (ytDiagramm) oder über einer xAchse (xy

Achtkanaliger Messverstärker von MeMeßsysteme.

Bild:

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gassensoren von Idt Integrateddevice technology.

Bild:

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Infrarotsensor von texys.

Bild:

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Impulslaserdioden von lasercomponents.

FtIrspektralsensor von MountainPhotonics.

Bild:

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Diagramm) aufzeichnet, liefert hierbei die Basis zur Auswertungder Sensordaten. Wenn es um robotische Mikromanipulationssysteme mit MEMSMikrogreifern für Zellmanipulationen, indie Mikrosensoren für die Positionsmessung und Kraftrückkopplung integriert sind, dann kommen die Produkte des rumänischen Unternehmens Sitex ins Spiel.SiliziumbasierteMEMSSensoren können sicherheitsrelevan

te Schraubverbindungen imMaschinenbau, in der Fördertechnikund in Windkraftanlagen kontrollieren. Der neue Sensor vonCiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik wird dabei auf demSchraubenkopf appliziert undmisst dessenVerformung aufgrund

der Schraubenvorspannkraft, die zwischenGewindeundSchraubenkopf auf die zu verbindenden Werkstücke wirkt. Intern sinddazu vier piezoresistive, dehnungsempfindlicheMesswiderstände über eine Wheatstonesche Brücke verschaltet. Die aktiveFläche ohne die elektrischenAnschlüsse beträgt hierbei lediglich200 x 200 μm² bei einer Dicke von 10 μm.

Geschwindigkeit, Beschleunigung, SchwingungLidar ist eine demRadar sehr verwandteMethode zur optischenAbstands und Geschwindigkeitsmessung. Ein LidarbasierterSensor ermittelt durch Laufzeitmessung die Position und dieGeschwindigkeit von vorausfahrenden Fahrzeugen, und in automatisiert fahrendenAutos ist ein LidarSensor neben der Kamera und dem Radar ein unverzichtbarer Basissensor. Integriert inmoderne Systeme entstehen daraus adaptiveGeschwindigkeitsregelungen oder Laserpistolen für dieGeschwindigkeitskontrollen der Polizei. Nach Angaben von Laser Components kommenhierbei als Sender Impulslaserdioden zum Einsatz, die bei 905nm Spitzenleistungen bis zu 650 W haben. Das reflektierte Signal fangen dann SiPIN oder SiAvalancheFotodioden ein.Triaxiale Beschleunigungssensoren eignen sich besonders gut

für Industrieumgebungen, bei denen eine Messung der Vibrationen in allen drei Raumachsen gefragt ist, zum Beispiel in derLuft undRaumfahrt, der Automobilindustrie und der Landwirtschaft sowie im Berg und Straßenbau. Untertauchbare triaxialeMiniaturbeschleunigungssensoren vonDisynet sind hermetischabgedichtet und haben eine umspritzte Gummimanschette amKabelausgang. Damit erreicht der Sensor einen wasserdichtenSchutz nach IP68, der einemWasserdruck vonbis zu 12 bar standhält. Der 500 gSensor hat eine Empfindlichkeit von 10mV/g; der50 gSensor eine Empfindlichkeit von 100 mV/g. Derselbe Hersteller bietet auch einen triaxialen Vibrationssensor in einemrobusten,wasserdichten EdelstahlGehäuse nach IP66mit einemMontageloch in derMitte. Eine interne Elektronik verringert dasRauschen und erhöht die Stabilität der Vorspannung. Wer elektrisch isolierte IEPEMiniaturbeschleunigungssensoren sucht,findet sie auch mit einer innen schwarz eloxierten Aluminiumhülle.WürfelförmigeBeschleunigungsaufnehmer vonMetraMeßund Frequenztechnik wiederum lassen sich direkt mit einemM3Gewinde oder einem Kunstsstoffclip befestigen und eignensich aufgrund ihrerMesseigenschaften besonders für dieModalanalyse. Sie haben Empfindlichkeiten 10 und 100 mV/g.Die auf MEMSBasis arbeitenden SIL2Schwingungs und

Vibrationssensoren von TWKElektronik erfassen die einwirkende dynamische Beschleunigung und digitalisieren dieDaten, umsie dann für viele Funktionen zur Verfügung zu stellen. DurchFilter elfter Ordnung lassen sich hierbei bevorzugte Frequenzbänder herausfiltern, beispielsweise die im Bereich 0,1 bis 2 Hzangesiedelten Turmschwingungen von Windkraftanlagen.Laservibrometer können Materialeigenschaften, Fehler oder

charakteristische Eigenschaften bei den unterschiedlichstenPrüflingen anhand des Schwingverhaltens sehr genau bestimmen. Die Laservibrometer von SIOS Meßtechnik ermöglichendie berührungslose Schwingungsmessung anOberflächen beliebiger Rauheit im Bereich von 0 bis 5 MHz bei einer Auflösungim Subnanometerbereich. Der Arbeitsabstand lässt sich hierbei

Bild:

SAFT

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umgebungsüberwachungssystem von sAF tehnica.

drucksensoren von Analog Microelectronics.

Bild:

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der besucherandrang auf die sensoren und Messgeräte war auf derletztjährigen sensor + test bereits groß.

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durch ein eingebautesObjektiv zwischen einigenZentimeternund einigen Metern stufenlos einstellen.Eine neue Generation von Schwingungsanalysatoren aus

demHause IFTA lässt sich für hochdynamische Impulsmessungen und winkelbezogene Auswertungen nutzen, umDrehschwingungen an Antriebssträngen zu untersuchenoder Torsionsschwingungen an Turbomaschinen zu überwachen. Mit dem anpassbaren Triggerschwellwert ist dasautomatische Nachführen bei sich ändernden Messbedingungenmöglich. VonGEPA stammt einmobilesMesssystemfür die Schwingungsdiagnose nach VDI 3834, das imMessbereich von 0 bis 10 Hz Eigenfrequenzen, Gondelschwingungen, Rotationen, Unwuchten und Flügelfehlstellungenvon Windkraftanlagen oder sehr niederfrequente Schwingungen anMaschinen und Bauwerken analysiert. Das Überschreiten von Grenzwerten und Warnschwellen meldet dasSystem über verschiedene Funktechnologien.Die hochauflösendenNeigungssensoren von A. B. Jödden

basieren auf einem sehr genauen und robusten Pendelsystemaus hochreinem Silizium, bei dem sich durch eine Beschleunigung, Neigung oder Vibration inMessrichtung das Pendelmit der Prüfmasse bewegt.Die zweikanaligenNeigesensorenmessen Verschiebungen mit einer Auflösung bis zu 0,002Prozent; die Beschleunigungssensoren messen Beschleunigungen von±2 g bis ±18 g bei Auflösungen von 0,002 Prozent.Ein Mehrkanalsystem von M+P International Mess undRechnertechnik ermöglicht es, bei Vibrationstests an großenStrukturen Prüfling und Schwingerreger zuverlässig undunabhängig vondenMessdaten zuüberwachenund zu schützen. Die Kanäle messen die Antwortsignale vor, währendund nach dem Vibrationstest unabhängig vom Schwingregelsystem in Echtzeit und vergleichen sie mit den nutzerdefinierten Warn und Abbruchgrenzen.

TemperaturAuf der Sensor + Test 2017 erwarten die Besucher wohl etwa600 verschiedene TemperaturSensorelemente, von denendie Mehrzahl Pt, NTC oder KTYTypen sind. Dies fängt anmit kundenspezifischen Bauformen für dieMedizintechnik,den Rennsport, die Energietechnik oder ganz allgemein fürdieMess undRegelungstechnik sowie dieGebäudeautomation. Pyroelektrische Infrarotsensoren eignen sich besondersfür den Einsatz in der berührungslosen Temperaturmessung,in derGasanalytik, der Spektroskopie, der Umweltmesstechnik und der Sicherheitstechnik. Durch IonenstrahlÄtztechnologien erreichen die Hersteller hierbei mittlerweile sehrhohe Werte der spezifischen Detektivität D*.Vom chinesischen Unternehmen Shanghai JNL Industry

kommen Thermoelementdrähte, die das Unternehmen invielen unterschiedlichen Temperaturbereichen als Rollenware für Messaufgaben und Temperatursensoren beziehungsweise alsVerlängerungs oderKompensationsdraht ausliefert.Platinbasierte RTDs mit stabilen und schnellen LinearausgängenwiederumwirdHoneywell in verschiedenenWiderstandsbereichen und in diversenGehäusen undGrößen ausstellen.




Jumo ist durch eine eingebrannteHochtemperaturGlasschicht,welche die Platinstruktur des Messwiderstands abdeckt, in derLage, einen PTTemperatursensor für Temperaturen bis zu 250°C zu fertigen. Der Sensor ist somit besonders gut gegen Umgebungseinflüsse geschützt und kann damit auch in Heizern, InfrarotStrahlern oder für kalorimetrischeMessungen zumEinsatzkommen. Ein Infrarotsensor des französischen UnternehmensTexys wiederum hält Betriebstemperaturen bis 180 °C stand undkann so die Temperaturen von CarbonBremsscheiben messen.Ein PT1000Ausgang misst mit hoher Genauigkeit die Innentemperatur des Sensors, sodass am Ausgang der Messwert fürdie Zieltemperatur in Abhängigkeit von der Signalausgabe undder Umgebungstemperatur zur Verfügung steht. Zudem stelltdas Unternehmen auch einen schockgeschützten Infrarotsensorfür die Messung der Bremsscheibentemperatur in rauer Umgebung im Temperaturbereich von 50 bis 800 °C aus.Die klassischeMethode derOnlineTemperaturerfassungmit

tels Tauchspule und einemNTCals Temperaturfühler (EssertscheMethode) versagt bei hohen Belastungenwie sie imPKWKolbenauftreten. Deshalb entwickelte Manner Sensortelemetrie einrobustes achtkanaliges Temperaturerfassungssystem, das onlinedie Temperaturen an wichtigen Punkten im Kolben erfasst. Derbis 200 °C temperaturfeste Sensortelemetrieverstärker imKolbenscannt pro Kolbenhub die Temperaturmessstellen und überträgtdie Messwerte an eine stationäre Auswerteeinheit. Auch diesesExponat wird auf der Sensor + Test zu sehen sein.Der taiwanesischeHerstellerOriental SystemTechnologywie

derum liefert berührungslosmessende InfrarotTemperaturfühler auf MEMSBasis mit einer temperaturempfindlichen Flächevon 8 x 8 beziehungsweise 16 x16 Pixeln. Die kompakten Module eignen sich für eine intelligente HLKSteuerung, als Präsenzmelder für die Haussicherheit, als Gestensteuerung für interaktive Geräte oder als Einbruchserkennung.

Das passende Dichtungsmaterial sowie Messumformer undKlemmsockel präsentiert der deutscheHerstellerDeltaR in FormvonAnschlussköpfen ausAluminiummitKabelanschlussmutternaus vernickeltem Stahl und Gummi oder Silikon auf seinemMessestand.

Klimatische MessgrößenIn diesemAbschnitt geht es vorrangig um eine Kombination ausFeuchte und Temperaturmessung. Auf der Sensor + Test 2017sind außerdem auch Sensoren für barometrischen Luftdruck,atmosphärische Gaskonzentrationen, Rauch, Staub, aber auchfür Solarstrahlung zu finden.So erfasst ein hochempfindlicher Gassensor von IDT Integra

tedDevice Technology beispielsweise selektivmehrere flüchtigeorganischeVerbindungen, einschließlich Formaldehyd undEthanol. Eine 3,0 x 3,0 x 0,7 mm3 große SiliziumMikroheizplatte mitnanostrukturiertemSensormaterial ermöglicht dabei eine hochempfindliche Gasmessung. Mit dem zugehörigen ASIC bestehtdieMöglichkeit, den Chip in verschiedene Endgeräte wieMobiltelefone,Wearables und andereGeräte einzubauen. An den neuen Mehrkanalanalysator von Zirox Sensoren & Elektronik wiederum, der für mindestens drei unterschiedliche Messgasbestandteile ausgelegt ist, lassen sich WLD, NDIR und YSZGassensoren anschließen. Interne Berechnungsmöglichkeitenentsprechend der thermodynamischen Gesetze bieten hierbeiviele unterschiedliche Variationsmöglichkeiten.Die Bestimmung der Feuchtigkeit vonGasen erfolgt häufigmit

pyroelektrischen Sensoren – und zwar beiWellenlängen von 1,94μm und 2,9 μm. Allerdings überlagern hier die Absorptionswellenlängen von CO2 das Signal. Mit den richtigen Filtern und dempassenden Licht ist auch mit einfachen NDIRMessgeräten einezuverlässigeMessungmöglich. Laser Components hat jedoch dieZentralwellenlängen seiner neuen Filter so gewählt, dass man

Bild:

Polyt

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vnIrspektrograph von Innospec.

Mess und Überwachungssystemvon nokeval.

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evalutionKit von toposense.

differenzdrucksensor vonsensirion.

Bild:

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neigungssensor von tWK.

Multichannelspektrometer von Polytec.



PRÄZISION TRIFFT QUALITÄT: INTELLIGENTEMESSTECHNIK IN JEDEM PROZESSSCHRITT.

Immer dann, wenn es um höchste Genauigkeit und Qualität geht,hat SICK die Antwort: intelligente Messtechnik vom Experten, derLicht in die Industrie gebracht hat. Eine besondere Pionierrolle, dieauf langjähriger Erfahrung und unseren Innovationen in optischerSensortechnik basiert. Wir sichern effiziente Prozesse und lösenauch komplexe Messaufgaben. Egal, ob Oberflächen, Durchmesser,Dicken oder Breiten bestimmt, ob Produkte positioniert oder ver-messen werden sollen. Damit Ihre Produkte so perfekt sind, wie Siees wollen. Wir finden das intelligent. www.sick.de/messsensoren

Methan (CH4) bei 7,91 μm, Alkoholmischungen bei 9,50 μm undFeuchtigkeit (Wasserdampf) bei 5,78 μmmessen kann. Filter fürden nahen (NIR), mittleren (MWIR) und fernen Infrarotbereich(FIR) stellt der chinesische Hersteller Hangzhou Multi IR Technology aus – und zwar inklusive IRKantenfiltern, LangpassFiltern (LP) und IRAntireflexionsFiltern (AR).Die Zeiten, in denen man bei jedem Wetter täglich von Mess

stelle zuMessstelle laufenmusste, umdenWasserstand/Füllstandoder die installiertenDatenlogger abzulesen, sind definitiv vorbei.Mit einemschnell installierbarenGSM2Modul vonKellerGesellschaft fürDruckmesstechnik lassen sichdieMessdatenper EMailoder per SMS direkt ins Büro versenden. Ein Datenmanager liestdie von den Messstellen versendeten Daten fortlaufend ein, legtsie ab und zeigt sie zur permanentenÜberwachungderGeräte an.Umgebungsüberwachungssysteme des lettischen Unterneh

mens SAF Tehnika JSC ermöglichen es, mit einer Reichweite vondrei Kilometern zwischen dendrahtlosen Sensoren und demGateway die Temperatur und dieFeuchtigkeit zu überwachen. Bis zu100 Funksensoren lassen sich dabeiin ein Netzwerk einbinden. BeimÜberschreiten von definiertenWarnschwellen erfolgt eine Meldung per SMS oder EMail. Derfinnische Hersteller Nokeval wiederumentwickelte ein vollautomatischesMesssystem, das auf einemsich selbstorganisierenden drahtlosen Netzwerk aufgebaut ist. DasMess und Überwachungssystemarbeitet mit einem Webbrowseroder mit der speziellen mobilenApp. Verfügbare physikalischeGrößen sind beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit und RaumluftKohlendioxidNiveau.Ein komplettes Fühlersystemmit

je einemkapazitiven Feuchtigkeitsfühler undeinemBandlückenTemperaturfühler sowie der analogenund digitalen Signalverarbeitungpasst bei Sensirion in ein 1,3 x 0,7 x0,5 mm3 kleines FlipChipGehäuse. Damit sind Trageerkennungenmöglich, mit denenman feststellenkann,obeinGerätammenschlichenKörper getragen wird oder nicht.Dies erlaubt ein smarteres Batteriemanagement bei batteriebetriebenen Geräten wie Kopfhörern, FitnessTrackern, intelligenten medizinischen Geräten, VRBrillen etc.Für hochpräzise laserinterfero

metrische Messungen muss man

die Laserwellenlänge in der Luft korrigieren. Voraussetzungdafür sind genaueUmweltdaten von Temperatur und Luftdruck.SIOSMeßtechnik zeigt auf der Messe eine Laborklimamessstation für Kalibrierinterferometer, die aber auch als separate Klimastation für andere Anwendungen zur Verfügung steht. DieMessstation erfasst die Umweltgrößen Temperatur, Luftdruckund Luftfeuchte mit höchstmöglicher Genauigkeit und verwendet digital kalibrierbare Sensoren, die entweder drahtgebundenoder per Funk kommunizieren. Zusätzlich stehen ein hochauflösender Luftdrucksensor und ein relativer Feuchtefühler zurVerfügung.

Optische SensorenAnwendungsgebiete optischer Sensoren gibt es reichlich: Gasund Partikelmesstechnik, Fluoreszenz undAnalysenmesstech




nik, Spektroskopie, Temperaturmessung, Bewegungsmelder,hochauflösende Positioniersysteme etc. Zu denwichtigsten Parametern zählt neben der Empfindlichkeit, bezogen auf die Wellenlänge, immer das Signal/RauschVerhältnis. Neben der Sensorik kommen in diesen Anwendungsbereichen auch spezielleLichtquellen zum Einsatz.Excelitas Technologies zeigt auf der Messe diverse pyroelektri

sche InfrarotDetektoren zur digitalen Bewegungs und Präsenzerkennung.DieDetektorenhabeneinengroßenErfassungsbereichbei einer Empfindlichkeit von 1,8 V und kommen unter anderemin IPKameras und Systemen für drahtlose Einbruchalarme zumEinsatz. InnoSpecwiederumbietet Systeme indenBereichenUV,VIS, NIR und MIR für die industrielle Prozesskontrolle und analytischeLaboranwendungenan.AnNIRundSWIRProzessspektrometern vonPolytec lassen sich imMultiChannelBetrieb neunMessköpfe parallel ansteuern. Bevorzugte Anwendungsbereicheder PSSSysteme sind die Messung des Feuchte, Protein undFettgehalts, die Analyse der Produktausbeute und qualität in derAgrar, Futter undLebensmittelindustrie sowie inder chemischenIndustrie und Kunststoffherstellung.UmGase in besonders kleiner Konzentration sehr schnell mes

sen zukönnen, ist eine äußerst hoheEmpfindlichkeit desDetektorsnotwendig.Hier kommenunter anderemdiePbSeDetektorenvonLaser Components zum Einsatz. Der Widerstandswert von polykristallinenBleisalzdetektoren ist abhängig vomeinfallendenLicht.Wenn infrarotes Licht auf einen Bleiselenid oder einen BleisulfidDetektor trifft, so verringert sich ihr Widerstand. Um eine höherePerformance und einen größeren Spektralbereich von 1 bis 5,2 μmzuerhalten, ist eine einoder zweistufigeKühlungerforderlich. Fürdie Gasmessung bietet das Unternehmen eine Version mit vierPbSeChips und je einem Filter in einem TO8 oder TO39Gehäuse; auchMehrkanalvariante sind jetzt verfügbar.Auf der Sensor und Test stellt Mountain Photonics FTIR

Spektralsensoren für den nahen Infrarotbereich aus, die mit 70x 50 x 25 mm³ kaum größer sind als eine Streichholzschachtel.Das Unternehmen erreicht die kleine Bauform dadurch, dass eseinen FTIRAufbau mit einem MichelsonInterferometer inMEMSTechnologie und einem IREinzeldetektor koppelt.Photomultiplier (PMT)weisen ein sehr geringes Rauschen auf,

und ihre Empfindlichkeit ist um mehrere Größenordnungen

besser als die anderer Detektoren imUV oder VISBereich. DerbritischeHersteller ET Enterprises zeigt auf derMesse PMTsmitEndfenstermit blaugrünempfindlicher BialkaliPhotokathodeund zehn hochverstärkenden SbCsDynoden im linear fokussierten Design. Die kompakten PMTs eignen sich besonders fürSzintillationsanwendungen. Das Unternehmen stellt aber auchkompakte PhotodetektorModule mit einem Durchmesser von25 oder 30 mm in rechteckiger oder zylindrischer Form an. EineHochgeschwindigkeitselektronik kombiniert mit einem schnellen PMTmit niedrigenDunkelgraden sorgt dabei für einen breitenDynamikbereich. EntsprechendeHochspannungsversorgungen bis 2000 V und HochvoltStecker mit verschiedenen Durchmessern gehören ebenfalls zum Sortiment des Unternehmens.Kurzwellige UVLEDs finden unter anderem in der Photothe

rapie, der Analytik, der Drucktechnik, der Katalyse sowie zurWasser, Luft und Oberflächensterilisation Anwendung. DerjapanischeHersteller EQ Photonics entwickelte jetzt eineHochleistungsLED im UVBBereich mit einer optischen Leistungvon 45mWbei einem Betriebsstrom von 350mA und einerWellenlänge von 285 nm. Der LEDChip ist gemeinsam mit einerSchutzdiode in einem 3,5 x 3,5mm2 großen SMDGehäuse untereinem Quarzglas hermetisch dicht verschlossen.

Induktive Wegaufnehmer und Doppler-RadarmodulInduktiveWegaufnehmer haben einen hohlen Spulenkörpermitstreng symmetrisch gewickelten Spulen und einermagnetischenAbschirmungmit hoher Permeabilität. Durch den Spulenkörperder neuen Exponate von A. B. Jödden bewegt sich ein NiFeStößel und verändert die Induktivität der beiden Spulenhälftengegensinnig. DieMesslänge reicht bis 20mm. Bei geringemEinbauraum lassen sich die induktiven Taster mit PushPullSteckverbindern eng aneinandergereihtmontieren.DieWegaufnehmervon TWK Elektronik erfassen die absolute Position des Stößelsmit einemResonatorMesssystem.Dieses besteht aus einer Erregerspule, die einen amStößel befestigten Resonanzschwingkreiszu Schwingungen anregt. Dieser erregtwiederumdie imGehäuse fixierten Empfangsspulen auf einer Platine. Eine eingebauteElektronik setzt diese Signale wegproportional um – und zwarbei einer Messlänge von 75 bis 500 mm mit einer Genauigkeitvon 0,05 Prozent.

lasertriangulationssensoren vonMicroepsilon.

Bild:

Micr

o-Ep

silon

Bild:

Exce

litas

Pyroelektrische Infrarotdetektoren von excelitas.

laservibrometer von sIOs.

Bild:

SIOS




Safety Vibrationssensoren NVAmit Sicherheits-Grenzwertschaltern

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SENSOR+TEST 2017Halle 1 | Stand 441

autorAlfred VollmerChefredakteur elektronik journal


Mit einem DopplerRadarmodul mit zwei Antennen lassensich einfache Bewegungsmelder realisieren. So führt der DopplerSignalProzessor beimModul vonEndrich eine FFT derDatendesDopplersignals durch undwertet die Ergebnisse hinsichtlichBewegungsrichtung undGeschwindigkeit aus.Mit einer Baugröße von 25 x 25 x 6 mm3 findet das Modul in Lampen oder inautomatischen Türöffnern Platz. Für Geschwindigkeitsmessungen steht es auch für industrielle Applikationen zur Verfügung.

Messung geometrischer GrößenDie Ermittlung von Abstand, Weg, Position, Winkel, Neigung,Lage und Füllstand gehört zu den häufigsten Messaufgaben inganz unterschiedlichenAnwendungen, angefangen vomSmartphone über die Fahrzeugtechnikmit Prüfständen undAssistenzsystemen bis zu Werkzeugmaschinen und Robotern. Ausstellerzeigen in Nürnberg diverse Lösungen, die auf vielen verschiedenen Sensorprinzipien basieren. StandardDehnungsstreifen,gekapselt in KonstantanFolie mit Phenolharz als Trägerwerkstoff, sind auf der Sensor + Test genauso vertretenwieDehnungsmessstreifenmit FaserBraggGittern, SonderanwendungenmitglasfaserverstärktemPolyamidträger fürUnterwassermessungenoder Messungen in großen Höhen.Das Unternehmen Sensitec will den Anwendern beispiels

weise mit einem neuen EvaKit dabei helfen, Erfahrungen mitmagnetoresistiver Sensortechnik zur Umsetzung von Positionierungsaufgaben zu sammeln. Das Kit enthält neben der Elektronik zur Signalverarbeitung noch Polringe und Linearmaßstäbe in verschiedenen Polteilungen sowie „die dazupassenden Freepitch und FixpitchSensoren“. Mit ihnenlassen sich einerseits verschiedene Messanordnungen amWellenende und am Wellenumfang realisieren, aber auchLinearmessungen durchführen.FaserBraggGitter sind in Lichtwellenleiter eingeschrie

bene optische Interferenzfilter, die dieWellenlängen innerhalb der Filterbandbreite reflektieren. So bietet beispielsweise der belgische Hersteller FBGS International für präziseDehnungsmessungen sowie für dieÜberwachungvonKrümmung und Form spezielle FaserBraggGitter an, bei denenmehrere unabhängige optische Faserkerne innerhalb einerSensorstruktur untergebracht sind. Diese Kombinationermöglicht dieMessungmultiaxialer Spannungen. Aus zweiübereinander gestapelten SiliziumFotodiodenundoptischenDünnschichtfiltern entwickelte das in Erfurt ansässisge CiSForschungsinstitut für Mikrosensorik spektral sensitiveDetektoren für Spezialanwendungen auf der Basis von FaserBraggGittern. Die schmalbandigen Filter detektieren hierbei Wellenlängenverschiebungen mit einer Genauigkeit imPicometerbereich.LaserTriangulationssensorenmessen berührungslos und

verschleißfrei Weg, Abstand und Position. Dank der zusätzlichenMessbereiche von 100 beziehungsweise 200mm könnenunter anderemdie Produkte vonMicroEpsilon fürMessaufgaben zum Einsatz kommen, bei denen ein großer Messbereich gefordert ist. DreistrahlInterferometer wiederumeignen sich zur simultanen Bestimmung von Position undVerkippungmit einer Genauigkeit imNanometerbereich. So

sind beispielsweise die entsprechendenProdukte vonSIOSMesstechnik nach Angaben des Unternehmens „besonders kompaktaufgebaut“, sodass sie sich direkt an unterschiedliche Messaufgaben anpassen lassen, um so nicht nur Führungen, Mess undMikroskoptischen zu vermessen oder genauen Messungen vonDimensionsänderungen durchzuführen sondern auch, umhochpräziseNick undGierwinkelkorrekturen beiMehrkoordinatenmessungen vorzunehmen.Neue Sensoren des Herstellers Sensitec auf der Basis des tun

nelmagnetoresistiven Effekts (TMR)wiederumhaben eine hoheTemperaturstabilität sowie einen „bis zu 100fach niedrigerenEnergieverbrauch als vergleichbare Sensoren“ und ermöglichendie Längen, Positions und Winkelmessung.

Neigungs-, Hall-, Schall- und FüllstandssensorenWeitere Informationen überNeigungs,Hall, (Ultra)Schall undFüllstandssensoren finden Sie in der Langversion dieses Beitragsper infoDIREKT auf www.allelectronics.de. n


Messtechnik IoT


messtechnische und eda‑heraus‑forderungen bei der entwicklungProdukte fürs Iot – Internet der dinge

Das IoT (Internet der Dinge) wird aus einem bunten Strauß von Geräten aufgebaut sein, von einfa-chen Sensoren bis hin zu komplexen Gateways. Trotz der Vielgestaltigkeit diese Geräte stellen sich fürden Entwicklungsingenieur immer wieder die gleichen Herausforderungen: Möglichst geringerStromverbrauch, möglichst lange Betriebszeit, die Interferenz in den Griff bekommen und dieStandardkonformität sicherstellen. Autor: Andrea Dodini

Marktprognosen legen nahe,dass wir schon bald einige zigMilliarden Geräte im Internet

der Dinge (IoT, Internet of Things) sehenwerden, über das diese Geräte Informationen melden und Befehle entgegennehmen. Das kann eine Überwachungskamera im Kinderzimmer sein, ein Dehnungssensor in einer Brücke oder sogarein ganzes Flugzeug. Viele dieser „smarten Geräte“ werden einfach aufgebautsein, aber man wird von ihnen erwarten,dass sie Monate oder gar Jahre klaglosund ohne Wartung ihren Dienst tun.Andere werden komplexer sein, sie wer

den als Gateways dienen und als Datensammelpunkte für Geräte in lokalenUnternetzen. Entwickler solcher smartenGeräte stehen vor nachfolgendenwesentlichen Herausforderungen.

Zunehmende IntegrationsdichteFortschritte bei der Technologie vonMixedSignalICs ermöglichenGeräte, diemehr leisten und weniger kosten als vergleichbare Geräte in diskretem Aufbau,sie sind weiterhin kleiner und brauchenweniger Strom. Diese Vorteile bringenallerdings ein komplexeres Design mitsich, weil digitale, analoge undHFFunk

Design- und Simulationswerkzeuge, die Fra-gen wie Stromverbrauch, Betriebszeit, Inter-ferenz und Standardkonformität ganzheit-lich angehen und die in der Praxis nahtlosvon entsprechenden Messwerkzeugen un-terstützt werden, steigern die Aussicht aufeine erfolgreiche Entwicklung von Produk-ten fürs Internet der Dinge erheblich.

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tionen auf ein und demselben Substratrealisiert sind und somit gleichzeitig entworfen und verifiziertwerdenmüssen.DieKomplexität lohnt sich aber: Frühe Implementationenvon IoTGeräten, etwa strom


Messtechnik IoT


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sparendeMikrocontrollermit eingebauterFunkschnittstelle und Schnittstellen fürSensoren und Aktoren, sind bereits heutein IoTAnwendungen gängig.Die Integration treibtmanweiter voran,

wennman die Antenne direkt auf die Leiterplatte des Geräts druckt. Damit spartman ein internes oder sogar externes Bauteil. Manche an sich einfache IoTGeräteverfügen sogar über mehrere Antennen(etwa fürWLANundBluetooth, für Internet und lokale Netze) und entsprechendmehrere Sender, die diese Antennenansteuern. Daher ist es wichtig, dassmanFaktoren wie Antennenanpassung, Wirkungsgrad, Richtcharakteristik undgegenseitige Störungen simulieren und inder Praxis messen kann.

Batterielaufzeit von IoT-GerätenWill man ein großes Sensorennetz aufbauen, ist eine möglichst lange Batterielaufzeit gefragt, weilmandadurchWartungskosten spart. Viele IoTDesignerarbeiten zur Stromersparnis mit sehr

geringen Tastverhältnissen und verschiedenen Schlafmodi. In leistungsfähigerenGeräten brauchen Prozessor, Bildschirmund Funkschnittstellen einenGroßteil desStroms. Für ein detailliertes Verständnisdes Energieverbrauchs dieserGerätemussman ein gutesModell für das Zusammenwirken der einzelnen Subsysteme undihrer Stromsparmechanismen erstellen(Bild 2).Will man eine möglichst lange Batte

rielaufzeit erzielen, muss man nachvollziehen können, wie viel Strom in jederBetriebsart fließt und wie lang. Die Herausforderungdabei ist der großeDynamikbereich: Der zu messende Strom kann imTiefschlaf nur einige Nanoampere betragen, im aktiven Modus hingegen bis zuvielenAmpere. Die nutzbare Betriebsdauer eines unbedienten, abgesetzten Gerätssteigt mit verbesserter Batterietechnik,EnergieHarvesting, einer möglichststromsparendenKonstruktion und stromsparenden Kommunikationsstrategien.Man muss den Energieverbrauch syste

bild 1: typische baugruppen eines Iotgatewaysoder sensors, etwa eines thermostats oder eines gas, Wasser oder stromzählers.

bild 2: tausend Wege und schnittstellen führen in die cloud.

matisch analysieren, wennman verstehen will, wie diese Variablen dieBetriebsdauer desGeräts und seine thermischen Anforderungen beeinflussen.Ihre Ergebnisse verbindet man mit denUmwelt und Netzbedingungen derPraxis und trifft daraus schließlich Entscheidungen beim Design von Hardund Software.


Messtechnik IoT


Saubere SignaleSaubere Signale und eine saubere Stromversorgung sind für einen zuverlässigenLangzeitbetrieb jedes Geräts unabdingbar. Besonders wichtig sind Fragen derSignal und Stromversorgungsintegritätfür Schaltungen mit niedriger Betriebsspannung oder hohen Taktfrequenzen,weil diese anfälliger für Übersprechensind. Fragen zur Signalintegrität (SI) fallen in vier Kategorien: Einzelnetz, Übersprechen zwischen verschiedenen Netzen, Strom und Masseschienen inStromversorgungsnetzen (PDN, PowerDistribution Networks) und elektromagnetische Interferenz. Man geht dieseFragen an mit sauberer Impedanzanpassung an den Schnittstellen, einergeeigneten räumlichen Anordnung vonSchaltungsteilen zur Reduktion von Einstreuungen, möglichst kurzen Leitungslängen, einer möglichst niederohmigen

Stromversorgung sowie einer gutenMasseführung und Abschirmung.Durch Analyse der Stromversorgungs

integrität findet man heraus, mit welchenStörungen die Betriebsspannung auf demWeg von der Quelle zur Last befrachtetwird. Bei stromsparender Elektronikbeträgt die zulässige Betriebsspannungstoleranz lediglich ±1%. Jede Welligkeit,jedes Rauschen, jede Störspannung, jedeSpannungsspitze auf denVersorgungsleitungen kann bei Schaltungen, die eine soeng tolerierte Versorgung brauchen, Taktoder Daten beeinträchtigen. Dem Ingenieur stellt sich daher die Herausforderung,immer kleinere und immer schnellereWechselstromkomponenten auf denVersorgungsleitungen zu messen.

Viele FunkschnittstellenIoTGeräte arbeitenmit vielen und höchstunterschiedlichen Funkschnittstellen. Ein

batteriebetriebener Sensor hat vielleichteine Kurzstreckenfunkverbindung mitsehr niedrigem Tastverhältnis, wohingegen ein selbstfahrendesAuto eine hochzuverlässige Verbindungmit großer Bandbreite braucht. BeimMessen ist diese Vielfalt eine Herausforderung, weil jederFunkstandard andere TestbedingungenbeimHFTest, andere Physical Layers undandere Modulationsstandards aufweist.Entwicklungsingenieure müssen verifizieren, dass verschiedene Geräte korrektinteragieren und mehrere Standardsgleichzeitig verarbeiten. An dieser Stellespart eine Messausrüstung, die allegenutzten Standards abdeckt, baresGeld.

Interferenz und NormeinhaltungWenn zig Milliarden IoTGeräte in Betriebsind, müssen sie sich knappe Ressourcenteilen, etwa das immer stärker genutztelizenzfreie ISMBand. EinEntwicklermusssicherstellen,dass seineGeräte insolchstarkgenutzten Signalumgebungen noch sicherarbeiten. Die Standards des jeweiligenFunkverfahrens und die regulatorischenBedingungenmüsseneingehaltenwerden,sodassdieGeräteandereGeräte imgleichenKanal oder im Nachbarkanal nicht stören.IoTGerätemüssenauchauf elektromagnetischeVerträglichkeit geprüftwerden.Diesgeschieht mittels Messung der vom GerätausgehendenStörspannung/StörstrahlungundderEmpfindlichkeitdesGerätesgegenüber externerStörspannung/Störstrahlung.

Lösungen fürs DesignDie EDAWerkzeuge und DesignabläufevonKeysights EEsof arbeiten auf System,Bauteil und physikalischer Ebene underlauben systemische Simulationen, wieman sie für ein effektives IoTGerätedesignbraucht. System Vue ist ein Designwerkzeug auf Systemebene, mit dem Systemarchitekten undAlgorithmenEntwicklerverschiedene Ansätze bei der Implementierung des Physical Layer drahtloserKommunikationssysteme prüfen undbewertenkönnen. SystemVueverfügt übervirtuelleMessfunktionen,mit denenmandie Leistung des zu entwickelndenGerätsvorhersagen kann.Das Advanced Design System (ADS)

ermöglicht einCoDesign von ICs,GehäusenundLeiterplatten.DamitkönnenSchaltungen, die in verschiedenenTechnologien

bild 4: gleiches Messprinzip vom laborplatz bis zur Produktion sorgt für reproduzierbare undvergleichbare Messwerte.

bild 3: nahtloser bereichswechsel ermöglicht Keysights sMus,in echtzeitden stromverbrauch des testobjekts zu messen.


Messtechnik IoT

autorAndrea DodiniEuropean Marketing Manager,Keysight Technologies


MRC GIGACOMP GmbH & Co. [email protected]

Tel. +49 89 4161599-40, Fax -45

USB-Echtzeit-SpektrumanalysatorenDPX®-Technologie zur VisualisierungDynamikumfang -160 bis 30dBm40MHz Analysebandbreite

Tektronix RSA306BExtrem leicht: nur 730gExtrem kompakt: 19 x 12 x 3cmStromversorgung durch USB 3.09kHz bis 6,2GHz, 40MHz BandbreiteAnalysevielfalt mit SignalVu PC-SWSehr gutes Preis-Leistungsverhältnis

Tektronix RSA500 und RSA600Empfänger f. GPS, GLONASS, Beidou9kHz bis 3GHz oder 7,5GHzOptionaler MitlaufgeneratorOptionaler Akku für RSA500 Serie

Tektronix SignalVu PC-SoftwareDPX®-Spektrum und SpektrogrammModulationsdomänenanalyseSpektrummasken benutzerdefiniertNachbarkanalleistung (ACLR)Kumulative VerteilungsfunktionKostenlose Basisversion

entworfenwerden, nicht nur auf der Schaltungsebene simuliert werden; das Systemermöglicht auch eine vollständige elektromagnetische 3DSimulation.Das Tool verfügt über planare 3D und voll3DEMFeldRechnerundunterstützt elektrothermischeAnalysen. Es verfügt über einEchtzeitOptimierungsSteuerpult und Bibliotheken für die neuesten Funkstandards.Die Analyse der Signalintegrität wird

mit Wechselstrom und SParameterSimulatorenunterstützt. Sie errechnendasRauschen, das jedes Bauteil in einer Schaltung erzeugt undbestimmendann, inwelcherWeise dies dasNetz beeinflusst. ADSbietetweiterhin SIPro für die EMCharakterisierung von schnellen Verbindungenauf dicht bestückten Leiterplatten undPIPro, das den Gleichspannungsabfall anohmschenWiderständen,dieWechselstromimpedanz und die Eigenresonanz derStromversorgungsebeneanalysierenkann.DieEMSimulationumfasstdieMomen

tenmethode, FEM und die FiniteDifferenzenMethode in der Zeitebene. Mankann damit Einkopplungen und Parasitäreffekte aufMultilayerLeiterplatten einschließlich räumlichen Strukturen wieetwa Gehäuseformen, Bondingdrähten,Steckverbindern undAntennen analysieren.Weiterhinkannmandamit EMI/EMC,die äquivalente RadarEchofläche undbiomedizinische Anwendungen prüfen.Und dann gibt es nochGoldenGate, ein

Werkzeug für die Entwicklung vonMixedSignalHFICs.Das Tool verbindet die Entwicklung auf System, Subsystem undBauteilebene und bietet damit eine übergreifende Steuerung des Arbeitsablaufsbeim Design von IoTGeräten.

Testlösungen für IoTFür die Analyse des Batteriestromverbrauchs bietet Keysight die beiden ZweiQuadrantenSMUs (SourceMeasurementUnit) N6781A und N6786A. Diese bieteneinennahtlosenMessbereichswechsel übersieben Größenordnungen und könnensomit Strömemessen, die über einen weitenDynamikbereich variieren. Die Gerätekönnen auchdasVerhalten realer Batterienemulieren und verfügen für Laufzeitmessungen über belastungslose Strom undSpannungsmessgeräte (Bild 3). Keysightliefert Messgeräte für Signal und Stromversorgungsintegrität, die den Ingenieur

bei der Validierung der Simulation unterstützen. Die Option TDR (Time DomainReflectometer)desENANetzwerkanalysators ermöglicht die Charakterisierung vonSteckverbindern und Übertragungsstrecken,die InfiniiumOszilloskopeunterstützen Sendermessungen und die BERTLösungen (Bit Error Ratio Test) kann manfür den Empfängertest einsetzen. Für Entwickler von IoTGeräten mit Funkschnittstelle liefert Keysight sowohl BenchtopMessgeräte als auch modulare VersionenundOneBoxTester. All dieseGeräte können mit entsprechender Software aufgerüstetwerdenundarbeitendannnachdemgleichenMessprinzip. So sindMessergebnisse auf allen Ebenen vergleichbar undreproduzierbar, von der Entwicklung bishin zur Serienproduktion.Keysights Software Signal Studio kann

kundenspezifischeund standardkonformeSignale erzeugen. DieMessapplikationender Familie X bieten fertige Tests nach verschiedene IoTFunkstandards, die perTastendruck abgerufen werden können.Weiterhin gibt es dieVSASoftware 89600,mit der man digitale Modulation analysieren und Fehler diagnostizieren kann(Bild 4). Keysights Lösungsangebotumfasst auch dedizierte Messgeräte, wieetwa den BasicSpektrumanalysatorN9210B/N9322C für den Test von preisgünstigenBluetooth undZigbeeGerätenund modulen sowie das TestsystemT3111S für RiderNFCKonformitätstests.Schließlich bedürfen EMI und EMC dersorgfältigen Beachtung. Keysights EDASoftware EMPro kann Emissionen vonSchaltungen simulieren, um zu prüfen, obsie EMVStandards wie etwa CISPR, FCCTeil 15 und MILSTD461G einhalten.Weiterhin sind Tools für entwicklungsbegleitende (PreCompliance) EMVTestsmit der EMVMessapplikationN/W6141Aauf Spektrumanalysatoren der Familie Xerhältlich. (jj) n


Messtechnik Highlights


entwicklung von geräten und systemen rund um das internet der dinge

messgeräte für die iot‑entwicklungDie Rigol Technologies EU verfügt überein relativ großes Spektrum anWerkzeugen für Testaufgaben bei IoTAnwendungen und wendet sich an Entwickler, diemit den speziellen Anforderungen bei derEntwicklung von Geräten und Systemenrund um das Internet der Dinge konfrontiert sind. Während der Testphase kannein IoTGerät beispielsweise seineBetriebsspannung von einem Stromversorgungsgerät DP832A erhalten, das überdrei Ausgängemit einermaximalen Leistung von 195 W verfügt. Der Stromverbrauch des Gerätes lässt sich dabei miteinem Multimeter DM3068 überprüfen.Wenn Sensoren über den SPIBus kommunizieren, können Stromspitzen entstehen, wobei sich schnell ändernde Stromspitzen vomMultimeter nicht erfasst werden. Daher ist es sinnvoll, die Strommessung zusätzlich beispielsweise mit einemOszilloskopDS4054 (500MHz, 4 Kanäle,

4 GS/s) und einer Stromzange RP1002Cdurchzuführen.Bei den immer kleiner werdenden IoT

Komponenten ist es nach mechanischerIntegration notwendig, die Signalqualitätauf demBussystemzumessenund zu analysieren.Mit demDSMSO4054 ist es zumBeispiel möglich, das SPISignal zu triggern und zu decodieren. Gerade in der

Entwicklungsphase ist es notwendig, dieKommunikation zwischen zwei IoTPlatinen zu debuggen. Neben der Analysedes Leistungsverbrauchs ist es auch notwendig, hochfrequente Signalanalysendurchzuführen. Dies kann mithilfe desSpektrumanalysatorsDSA832(E) erfolgen,der die mit hoher Frequenz auftretendenSignale erfassen kann. Mit diesemMessinstrument ist es auchmöglich, das erfasste Signal in einer csvDatei abzuspeichern,dieman erforderlichenfalls verändern undüber die Software Ultra Station auf einenFunktionsgeneratorDG1062Z laden kann.Dieses Signal lässt sich dann bei Aktivierung der Amplitudenmodulation mitexterner Frequenz über denModulationseingang des HFGenerators DSG830 aufeinen gewünschten Träger bringen und inRuhe analysieren. (jj) n


rigol verfügt über ein breites sortiment anMesstechnik, das sich für die design und entwicklungsumgebung von IotAnwendungeneignet.

Bild:

Rigol

indiv iduell bestückbar mit 8b‑modulen

messmodule mit isolierter und modularersignalkonditionierungDie USB und EthernetMessmodule derBaureihe SC1608 vonMeasurementComputing (Vertrieb: Data Translation) bieteneine flexibel konfigurierbare Lösung fürunterschiedlichste Messtechnikanwendungen an.Die Serie kombiniert auf einemBoard Multifunktionsmesstechnik mitUSB oder Ethernetanschluss und einekanalweise isolierte Signalkonditionierung für bis zu zehnanalogeEinundAusgänge und acht digitale I/OKanäle. DieBaureihe SC1608umfasst dreiUSBMessinstrumente und eine Variantemit EthernetInterface. AlleModelle habenPlatz fürzehn isolierte analoge 8BEingangs undAusgabemodule für die Aufbereitung verschiedener Signale sowie acht digitale I/OSolidStateRelaisModule. Jeder einzelneKanal kann individuell bestückt werden;so können die Analogeingänge beispiels

weise für die Erfassung vonSpannungundStrom, die Temperaturmessungmit Thermoelementen oder Widerstandsfühlern,denAnschluss vonDMSoder für die Aufzeichnung von Frequenzen genutzt werden. Die A/DAuflösung beträgt 16 Bit,die maximale Abtastrate 500 kS/s.Angeschlossen werden die Sensoren

bequem über Schraubklemmen. JederKanal kann auch ohne Signalkonditionierung als nicht isolierter Ein beziehungsweise Ausgang verwendet werden.OEMKunden können die Messmodule vergleichsweise platzsparend in ihre Systemeintegrieren, darüber hinaus ist auch einRahmen für den Einbau der Boards in ein19“Rack erhältlich. Zum Lieferumfanggehören Treiber und Entwicklungsbibliotheken für die aktuellen WindowsBetriebssysteme sowie für Linux undAnd

roid, darüber hinaus auch Schnittstellenfür Dasylab oder Labview. Unterstütztwerden die SC1608Module auch vonStandardMesstechnikprogrammen, wieDAQ ami und Tracer DAQ. (jj) n


sc1608Messmodule mit usb oder ethernetanschluss und individuell konfigurierbaren analogen und digitalen I/OKanälen.

Bild:

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Messtechnik SMU


der Zusatznutzen einersource measure unitWarum ist eine simultane einspeisung und Messung wichtig?

Die meisten Ingenieure haben bereits eine Labor-Stromversorgung und ein Digitalmulti-meter (DMM) auf ihrem Arbeitstisch. Welchen zusätzlichen Nutzen bringt nun ein SMU-Instrument (Source Measure Unit), welches diese beiden Geräte in sich vereint? Kann esbeispielsweise die Produktivität erhöhen? Autor: Peter Bachmayr

Ein guter Startpunkt für die Betrachtung einer SourceMeasure Unit (SMU) ist die Herausstellung der Unterschiedezwischen einer SMU und den Alternativen DMM und

LaborStromversorgung. Im Allgemeinen kann eine SMU alsSpannungsquelle (mit einem programmierbaren Stromgrenzwert) oder Stromquelle (mit einem programmierbaren Spannungsgrenzwert) genutzt werden. Sowohl die Quellen als auchdie GrenzwertFunktionen sindmit einer 16BitAuflösung programmierbar. Zudem lassen sich beide Parameter mit der Präzision eines hochauflösendenDMMsmessen.Weitere Unterschiede zu einer Stromversorgung und einemDMMwerden deutlich,wenn man einige Einzelheiten betrachtet:Geschwindigkeit – Viele Stromversorgungen beinhalten eine

Strombegrenzungsfunktion, allerdings nur fürGleichstrom. Eine

SMUverfügt dagegennormalerweise über eine viel höhere Bandbreite. Die Geschwindigkeit der Quellen und BegrenzungsFunktion ist zwar lastabhängig, meist kann die Quellen oderGrenzwertFunktion der SMU einen festen Strom oder Spannungswert innerhalb von nur 50ms einregeln. Die Stromgrenz

Die Kombination von Stromversorgung, DMM, Stromquelle und elekt-ronischer Last ergibt ein Testinstrument, das deutlich vielseitiger ist alsEinzelinstrumente. Nachfolgend werden die wichtigsten Eigenschaf-ten und Fähigkeiten einer SMU erläutert. Anhand einiger Szenarienwerden zudem die Anwendungsschwerpunkte einer SMU aufgezeigt,bei denen es vorwiegend um die Einspeisung und Messung von Stromund Spannung geht.

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Messtechnik SMU


wertFunktion ist außerdem ausreichend schnell, um Komponenten und komplette Schaltungen vor einem Überstrom zuschützen, was bei kostengünstigen Stromversorgungen oft nichtder Fall ist. Eine SMU ermöglicht auch die Einspeisung vonSpannung oder Strom in Pulsform, um die Bauteilleistung zubegrenzen.Dynamikbereich –Diemeisten Stromversorgungen haben nur

wenige Bereiche und viele sogar nur einen einzigen. Je nachModell ermöglicht der große Dynamikbereich einer SMU dieMessung von Strömen von einigen Hundert FemtoA bis hin zu50A.Die niedrigeren Strombereiche eignen sich für eine BauteilCharakterisierung, die Suche nach beschädigten Komponentenoder dasDebugging vonAnwendungenmit einer sehr niedrigenStromaufnahme.Hohe Auflösung – eine SMU bietet ebenso wie ein DMM

Messfunktionen für Spannung und Strommit einer hohen Auflösung von bis zu 22 Bit.Programmierbarkeit – eine zusätzliche Flexibilität bietet die

SMU durch die Möglichkeit der Programmierung von Spannungs oder Strompulsen oder individuellen Spannungs oderStromsequenzen. HighEndSMUs verfügen über eine sehr leistungsfähige integrierte Programmiersprache, sodass das Instrument auch als ArbiträrSignalgenerator (ARB) für die Einspeisung von Spannung oder Strom genutzt werden kann.Eingangsimpedanz – im Gegensatz zu einem DMM zeichnet

sich die SMUdurch eine hohe Eingangsimpedanz bei allen Spannungsfunktionen aus. Im Vergleich dazu nutzt ein DMM (undein Oszilloskop) einen Spannungsteiler aus Widerständen, umhohe Spannungen zu messen.VierQuadrantenBetrieb – wie im Bild 1 dargestellt, kann eine

SMUsowohl einen positiven als auch einen negativen Stromodereinepositive oder negativeAusgangsspannung einspeisen, sodassder AusgangVerstärker alle vier Quadranten abdeckt. Dadurchkann das Gerät auch als elektronische Last genutzt werden. Einetypische Stromversorgung kann nur Spannung und/oder Stromliefern und somit in einem ZweiquadrantenBetrieb genutzt werden.Während desQuellen oder SenkenBetriebs kann die SMUgleichzeitig Spannung, Strom und Widerstand messen. DieseFlexibilität ist besonders bei der Charakterisierung von Batterien,Solarzellen oder anderen Energieerzeugern hilfreich.Im Folgenden werden einige Szenarien betrachten, in denen

eine oder zwei SMUs zum Einsatz kommen.

Validierung eines StromversorgungsprototypsDas erste Szenario ist die Entwicklung eines neuen Stromversorgungsdesigns. Wie bei vielen aktuellen Projekten erfolgt dieEntwicklung unter großem Zeitdruck und die Spezifikationenändern sich bis zur letztenMinute.Die zu entwickelnde Softwaregesteuerte Stromversorgung bietet einen großen Funktionsumfang und viele verschiedene Betriebsarten für den Einsatz inunterschiedlichenAnwendungen. Zu den Funktionen der Stromversorgung gehören eine programmierbare Versorgungsspannung, eine kurze Reaktionszeit, ein hoher Wirkungsgrad undmehr. Sie enthält eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC), eine netzunabhängige Versorgung sowie mehrere GegentaktDurchflusswandler und eine große Zahl von SekundärAusgängen.

Die Stromversorgung umfasst zahlreiche andere Softwaregesteuerte Funktionen, von denen noch nicht alle fertiggestelltsind. Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Baugruppe durch Softwarefehler beschädigt werden könnte.Bevor die Baugruppe gefertigt wird, kommt sie auf den Prüf

stand.Mit einer SMUwerden dieNennspannungen an die jeweiligenLeiterplattenbahnender Stromausgänge sowie andie Schaltungen für die Netzspannung angelegt. Wenn die Stromversorgung später in Betrieb genommen wird, muss diese mit denNennspannungen funktionieren, also wird dies zuerst einmalmit einem sicheren Stromgrenzwert von 10 μA ausprobiert. DieNetzspannung (und die Sicherheitsabstände) sowie alle Niederspannungsversorgungen scheinen okay zu sein, aber der 700 VHochspannungsausgang hat den 10 μA Stromgrenzwert sofortausgelöst. Etwas funktioniert also nicht. Die SMUmeldet einenSpannungsgrenzwert von 350 V. Dies ist ein klarer Hinweis fürein Spannungsproblemundnicht für einenKurzschluss. Schließlich ist der Ausfall erst bei 350 V aufgetreten.Nach einigenUntersuchungen konnte dieses Problem einfach

durch das Fräsen eines Schlitzes zwischen demHochspannungsnetz (HochspannungsLeiterbahnen auf der Leiterplatte) undeiner kurzenMasseleitung behobenwerden. Es stellt sich heraus,dass die SpannungsabstandsRegeln für dieses Netz vomCADTool nicht beachtet wurden. Der Ingenieur hat die Abstände derLeiterbahnen zwar insgesamt beachtet, diese einewahrscheinlichaber übersehen.Durch die frühzeitige Entdeckung dieses Fehlerskonnte der Schlitz noch vor der Bestückung der Baugruppeneingebracht werden. Die Korrektur dieses Problems nach derBestückung aller Bauteile wäre viel schwieriger gewesen.

die sMu 2602b mit zwei Kanälen verfügt über ein eng integriertes vierQuadrantendesign, das eine simultane einspeisung und Messung vonspannung und strom ermöglicht

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bild 1: eine stromversorgung (rechts) erlaubt nur einen zweiquadrantenbetrieb; ein sMuInstrument (links) kann dagegen als Quelle und senke inallen vier Quadranten arbeiten.

Source + Sink Source Only


Messtechnik SMU


Software-ProblemeIn diesem StromversorgungsSzenario wurde gerade ein klarerHinweis für ein entscheidendes Problem gefunden. Eine vollbestückte Musterbaugruppe ist abgebrannt, nachdem sie ersteBestückungstests erfolgreich durchlaufen hat. Die abgebrannteBaugruppe wird beiseite gelegt und eine neue genommen. DieSMU wird mit einem zuvor erstellten Testskript so eingestellt,dass sie am Ausgang eine ACNetzspannung zur Verfügungstellt. Das Skript programmiert den Ausgang auf eine 50 HzSinusspannungmit einemStromgrenzwert, der demRuhestromder unbelasteten Stromversorgung entspricht.Die neue Baugruppe startet korrekt, wobei alle Versorgungs

spannungen innerhalb der Spezifikationen bleiben. Wenn sichdiese Baugruppe wie die erste verhält, bleibt nur wenig Zeit, umdie Ursache zu finden, bevor das Problem erneut auftritt, diesesMal aber mit einem sicheren Stromgrenzwert. Mit einemOszilloskop wird die über den Gleichrichtern anliegende Spannungüber einen vollständigen Schaltzyklus der Stromversorgungbeobachtet. Bild 2 zeigt die Spannungsänderung über derGleichrichterdiode. Diese ist proportional zum Laststrom, der mittelseiner logarithmischenVerstärkungI/VKurvemit der SMUermittelt werden kann.Wenn diese Aufzeichnungen (obere Aufzeichnung ohne Last, untere Aufzeichnungmit Volllast) nicht wie eineeinfache Verschiebung aussehen oder wenn die Verschiebungnicht korrekt ist, kann ein Problem in der Sekundärschaltungnach dem Gleichrichter vorliegen.Alle Spannungen über denGleichrichtern der Ausgänge sehen

allerdings korrekt aus. Wenn der GleichrichterStrom aus

irgendeinem Grund zu hoch wäre, würde die GleichrichterSpannung (im Wesentlichen ein logarithmischer Verstärker)eine Erhöhung des Stroms über der Zeit zeigen. Indemmit einerzweiten SMU die IUCharakteristik jeder Diode gemessenwird, steht fest, welchenWert die Spannungen annehmen sollten. Dazu wird ein Spannungsverlauf programmiert und derStrom gemessen.Es dauerte nicht lange, bis die Probleme offensichtlich wur

den. Innerhalb von ungefähr 30 Minuten hatte die SMU, diedie zweite Baugruppe ansteuerte, den Stromgrenzwert erreicht.Dieses Mal ist jedoch nichts ausgefallen und die Baugruppe istauch nicht abgebrannt. Es musste nur der Ausgang der SMUabgeschaltet werden, um das Instrument auf null Volt zu programmieren und das Skript für die ACNetzspannung erneutzu starten.Um das Problem zu isolieren, wurden mit einem Oszilloskop

die Primärströme jeder GegentaktVersorgung gemessen. Daniemanddarandachte hier einenWiderstand zuplatzieren,musste der Primärstrom über den kleinen Spannungsabfall von einerkurzen Leiterbahn auf der Leiterplatte gemessen werden. Normalerweise wird dieser Test mit einem potenzialfreien Oszilloskop ausgeführt, in diesemFallwurde ein hochauflösendesDMMeingesetzt.Diese Messung hat sich als sehr aufschlussreich erwiesen. In

nur wenigen Minuten war erkennbar, dass der Strom zunahm!Da anhand der vorherigen Tests bekannt war, dass die Sekundärseite problemlos funktioniert, blieben nur zwei möglicheUrsachenübrig: Entwederwar der Transformator falsch entwickeltoder gefertigt, oder die über einen Mikrocontroller gesteuertenEinschaltzeiten der MOSFETs sind ungleich. Dies wird auch alsFlussUnausgewogenheit bezeichnet.Nach weiterer Suche wurde entdeckt, dass das Problem im

ControllerCode lag. Anscheinend gab es ein Interrupt währendeiner Hälfte des Schaltzyklus, und zwar immer beim gleichenSchalter.Dies veränderte die Einschaltzeit, was eine FlussUnausgewogenheit im Transformator zur Folge hatte. Das eingesetzteTransformatorDesignwar aufgrund einer geringenMagnetisierungsInduktanz für dieses Problem besonders empfindlich. Beidiesem Projekt spielte die SMU damit eine wichtige Rolle beimDebugging eines ernsten Problems.

Prüfung des Stromverbrauchsmit Source Measure UnitIn einem anderen Szenario besteht die Aufgabe in der Verifizierung und dem Debugging einer fortschrittlichen, batterielosen Uhr mit EnergyHarvestingFunktionen für militärische

bild 2: die grafik zeigt den spannungsabfall über einem brückengleichrichter bei nennlast und ohne last.


Messtechnik SMU


autorPeter BachmayrMarket Development Manager bei Tektronixin EMEA.


Anwendungen. Sie verfügt über Funkeigenschaften, um dieBewegungen der Soldaten zu verfolgen und den Kontakt mitder Befehlszentrale zu halten, sowie die Zeit und Datenmit denanderen Uhren unter demselben Kommando zu synchronisieren. Die Kommunikation wichtiger Informationen an die Soldaten erfolgt manchmal über ein passives LCD, manchmaldurch ein blinkendes Licht undmanchmal durch einen schwachen Stromschlag, den kein anderer hören, sehen oder anderweitig erfassen kann. Die Uhr erzeugt die benötigte Energieaus Körperwärme, Licht und Bewegungen und hat Dutzendevon Betriebsarten, die jeweils unterschiedliche Ruheströmeaufweisen.Ein kritischer Aspekt war den Stromverbrauch unter dermagi

schen Grenze von 1 nA zu halten, dem niedrigsten garantiertenStrom, den dieUhrmittels der kombinierten EnergyHarvestingFunktionen erzeugen kann.Wenn der durch die Uhr verbrauchte Strom für eine gewisse Zeit über 1 nA ansteigt, muss die Uhrdie Last über eine gewisse Dauer reduzieren, um diesen Extraverbrauch „zu kompensieren“.AmAnfangwurden die einzelnen Peripheriekomponentenmit

einer SMU und einem Testadapter mit niedrigem Leckstromgeprüft. SMUs wie das Source Meter Instrument Modell 2461von Keithley verfügen über die notwendigen Messbereiche undrauscharme TriaxStecker für kleine Ströme. Dadurch könnennicht nur der Stromverbrauch, sondern auch die Stromänderungen aufgezeichnet werden, wenn die jeweiligen Schaltungenaktiviert oder deaktiviert werden. Selbst geringe Änderungenhatten einen messbaren Einfluss. Ändert sich zum Beispiel derStromverbrauch zu schnell, dannwerdendie EnergyHarvestingFunktionen gezwungen, mit einem niedrigeren Wirkungsgradzu arbeiten. Mit der SMU konnte die IUCharakteristik derSolarzellen simuliertwerden, umdie ultrahocheffizientenWandler der Uhr zu prüfen. Diese Prüfung erfordert eine schnelleQuelle, die sowohl hohe Spannungen als auch niedrige Strömeliefern kann.Nun geht es um den Testadapter. Da weder das Gehäuse noch

das Armband der Uhr verfügbar waren, mussten der Testadapter und die TriaxVerkabelung eine präziseMessung des Stromverbrauchs gewährleisten. Eine Abschirmung um die Uhr stelltsicher, dass nur der Strom von der Uhr selbst gemessen wirdund nicht Signale von außen eingekoppelt werden. Über denTestadapter können die Ingenieure und Auditoren außerdemeine Verbindung zwischen der Uhr und einem Computer herstellen, sodass nicht die Tasten der Uhr verwendet werdenmüssen. Diese Schnittstelle wurde entwickelt, um die Auditierung zu beschleunigen, die jetzt überall durchgeführt werden

kann. Um das Testverfahren zu beschleunigen, wurde zudemein Code für die SMU geschrieben, mit dem der von der SMUin die Uhr eingespeiste Strom kontinuierlich durch die SMUüberwacht wird. Der Code zeichnet alle Situationen auf, indenen die 1nAGrenze überschritten wird. Zudem zeichnet erden durchschnittlichen Strom auf. Dieser Testaufbau wurde fürjeden Design und Auditierungsingenieur kopiert. Die Auditierung kann nicht nur durch eine Fehlfunktion scheitern, sondern auch, wenn die Uhr zu viel Strom verbrauchen sollte. Indiesem Fall müssen die spezifischenHardwareZustände überprüft sowie die Fehlerursache ermittelt – und natürlich eineLösung gefunden werden.In Anbetracht der Komplexität des Designs lieferte die Audi

tierung unvorhersehbare Ergebnisse. Das Teammusste sowohldas Problem eines zu hohen Stromverbrauchs als auch eineFehlfunktion beheben. Allerdings konnte das Team durch denEinsatz einer SMU viel Zeit beimDebugging sparen. Die bisherverwendete Stromversorgung und die elektronischen Lastenverfügten nicht über die hier erforderlichen Funktionen fürkleine Ströme und unterstützten zudem auch keine Programmierbarkeit.

InbetriebnahmeObwohl diese Beispiele aus verschiedenen DesignProjektenzusammengestellt wurden, sind die dort vorhandenen Test undMesstechnikanforderungen sehr real. Auch die Zeiteinsparung,die eine SMU bei der Lösung von Problemen sowie bei Reparaturen und Nacharbeiten ermöglicht, lässt sich sicherlich ingewissemMaße auf andere Aufgaben übertragen. Natürlich istjedes Projekt verschieden, und jedes Projekt stößt auf andereHindernisse. Um ihre Arbeit zu erledigen, haben die Ingenieure nur ihr Wissen, DetektivFähigkeiten und Testinstrumentezur Verfügung. Die Nützlichkeit eines Messinstruments istdavon abhängig, welche Fähigkeiten ein Tool bietet und ob dieumfangreichen Funktionen möglichst gewinnbringend eingesetzt werden. (jj) n


Messtechnik Hochfrequenzsignale


flying‑Probe‑testhFsignale bis zu 1,5 ghz verifizieren

Das Pilot-V8-System von Seica testet Leiterplatten-Baugruppen ohne dedizierte Test-punkte und misst Hochfrequenzsignale. Es kontaktiert selbst winzige Testpunkte bisherab zu Pads mit 150 µm. In den Tastköpfen integrierte Hochfrequenz-Messsystemeverifizieren HF-Signale bis zu 1,5 GHz. Autor: Luca Corli

Deshalb müssen Entwickler beim Entwurf ihrer Designs sehrumsichtig vorgehen und die Qualität der HFSignale in Bezugauf Frequenz, Anstiegszeit undÜberschwinger validieren, wozuhochpräzises Triggern der Messungen unabdingbar ist.

Die neuen HerausforderungenDie Entwicklung hin zu immer kleineren Bauteilen und Strukturen in der Elektronik in Verbindung mit dem verstärkten Einsatz von Hochfrequenztechnologien lässt den Designern wenigoder keinen Raum für Testpunkte auf diesen sehr kleinen Schaltungen. Einer der kritischstenAspekte hängtmit der Validierungund Prüfung des Produktes selbst zusammen. Sowohl imLaborals auch im Produktionsbereichwird es zunehmend komplizierter oder gar unmöglich,Oszilloskope oder einfache Tester an denPrüfling anzuschließen. Die Zeiten, als ein Ingenieur in seinemLabor manuell Instrumente mit Testpunkten verband, sindGeschichte. So wird die Forderung, HFSignale vor der Produktionsfreigabe und später während der Produktion zu testen, zueiner immensen Hürde.

Diese Schwierigkeiten erfordern neue beziehungsweise alternative Strategien, umHard und Softwarezu testen. Die FlyingProbeTechnologie ist einebewährte Lösung zum Testen von Produkten in derPrototypenphase, bei geringen Stückzahlen oder beihochkompakten Bauteilen, die keinen Platz mehrfür Testpunkte aufweisen. FlyingProbeSystemeermöglichen das Testen vonLeiterplattenBaugruppen ohne dedizierte Testpunkte.

Hochfrequenzsignale messenDer zusätzliche Bedarf, Hochfrequenzsignale zumessen, ist jedoch eine neuartigeHerausforderung.Testingenieure wissen umdie Schwierigkeiten, dieder Test vonHochfrequenzsignalen bedeutet – selbstunter idealen Bedingungen, die nicht auf herkömmlichen FlyingProbeSystemen basieren. Die miteinemFlyingProbermöglichenTestarten umfassenden klassischen InCircuitTest sowie Funktions

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Heutzutage ist Elektronik in praktisch jedem Bereich zufinden.Miniaturisierung und Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit bestimmen dieWeiterentwicklungen in

der Elektronikbranche ganz wesentlich. Die Miniaturisierungder Gerätegrößen hängt eng mit der Herstellung der LeiterplattenBaugruppen zusammen. Zahlreiche Produkte, wie zum Beispiel Wearables, sind in extrem kompakten Abmessungen verfügbar. Die winzigen Bauteile sind nahezu unsichtbar und trotzdemmuss optimale Produktqualität bei höchster Zuverlässigkeitgewährleistet sein. Beim Gedanken an Bauteile der Größe008004 (0,25 × 0,125mm²) ist es leicht vorstellbar, wie viele neueProbleme durch die Miniaturisierung im Montageprozess entstehen und zwar von den Bestückern bis zur Testausrüstung.

Hochpräzises TriggernDer zweite Aspekt hängt primär mit den Produktfunktionalitäten zusammen. Prozessoren undPeripheriegerätewerden immerschneller, benötigen weniger Leistung und beanspruchen einegeringere Fläche. Da sie schneller arbeiten, erfordern sie aucheine schnellere Kommunikation. Hochfrequenzsignale werdenmit ihrer Empfindlichkeit bezüglich schlechter Versorgungsspannungen, Rauschen und elektrischen Störungen immer kritischer.

die hochpräzisen tastköpfe des Pilotv8systemskontaktieren selbst winzige testpunkte bis herabzu Pads mit 150 µm.


Messtechnik Hochfrequenzsignale


MESS- UND PRÜFSYSTEMEFÜR DIE ELEKTRONIKFERTIGUNG

mcd-elektronik.de

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Sharp senses for perfection

tests. Aufgrund von architekturbedingten Einschränkungenwares jedoch bisher nicht möglich, Hochfrequenztests ebenfallsdurchzuführen.

Hochpräzise TastköpfeDie von Seica im FlyingProber Pilot4DV8 HF realisierte Lösunghat die Herausforderungen gemeistert. Die hochpräzisen Tastköpfe des PilotV8Systems kontaktieren selbst winzige Testpunkte bis herab zu Padsmit 150 µm. In diese Tastköpfe wurdenHochfrequenzMesssysteme integriert, die HFSignale bis zu1,5GHz verifizieren können. Zu denmöglichenMessungen zählen Taktfrequenz, Anstiegs und Abfallzeiten sowie Setup undHoldzeiten kritischer Signale. Das genaue Equipment ausHardundSoftwaresicht kann jetzt nahtlos in denFlyingProbes genutztwerden. Auch wurden sämtliche Studien zur Signalintegritätdurchgeführt, um optimale Endergebnisse sicherzustellen.Pilot4DV8 HF ist mit acht elektrischen FlyingProbes (vier je

Seite), zwei PowerFlyingProbes (eine je Seite um den Prüflingmit Spannung zu versorgen) und vier hochauflösendenKameras(zwei je Seite) ausgerüstet. Diese Komponenten befinden sich in

einem vertikalen, äußerst kompakten und robusten Aufbau.Weitere Komponenten, wie OpenfixFlyingProbes (eine je Seite), LaserSensoren (einer je Seite) und LEDSensoren (einer jeSeite) sind ebenfalls verfügbar und können bei Bedarf nachgerüstet werden. Durch die hohe Zahl an FlyingProbes lassen sichauch zwei Prüflinge gleichzeitig testen, was einer Durchsatzverdoppelunggegenüber einemSystemmit vier Probes gleichkommt.

RessourcenvielfaltDie Ressourcenvielfalt bedeutet keine Einschränkung der ICTFähigkeiten des Systems, sondernmacht das Pilot4DV8HF letztendlich zu einem Kombinationstester mit ICT, Funktions undHFTestFähigkeiten. Darüber hinaus können weitere Features,wie zum Beispiel TestUmgebungstemperaturen im Bereich von0 bis +70 °C für thermischen Stresstest, realisiert werden, umdenPrüfling auch unter kritischen Umweltbedingungen testen zukönnen. (ah) n

autorLuca CorliSales Director Seica Worldwide


Immer kleinere Elektronik-Bauteile und der verstärkte Einsatz von Hoch-frequenztechnologien lassen kaum Platz für Testpunkte. Aufgrundarchitekturbedingter Einschränkungen ist es mit der Flying-Probe-Technologie nicht möglich, auch Hochfrequenztests durchzuführen.Die von Seica im Flying-Prober Pilot4DV8 HF realisierte Lösung hat dieHerausforderungen gemeistert.

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Pilot4d v8 hF ist mit vier hochauflösenden Kameras(zwei je seite) ausgerüstet.


Messtechnik MIPI-Schnittstellen


miPi‑schnittstellenmit dem oszilloskop testensignaltreue der Messausrüstung entscheidend

Viele Komponenten in modernen Smartphones kommunizieren untereinander über Schnittstellen, die von derMIPI Alliance standardisiert wurden. Mit entsprechenden Software-Tools können Entwickler mit Oszilloskopendie Signalintegrität und den Dateninhalt auf diesen Schnittstellen analysieren und Fehler lokalisieren. Das Os-zilloskop sollte jedoch sehr rauscharm sein und eine besonders hohe Messdynamik bieten. Autor: Dr. Philipp Weigell

Jede neueGenerationmodernerMobiltelefone kommt mit neuen Featureswie zusätzlichen Sensoren, höheren

DisplayAuflösungen und erweiterterAusstattung auf den Markt. Die zahlreichen Komponenten im Inneren dieserGeräte kommunizieren schnell undstromsparend über gemeinsame Schnittstellen, umdie Funktionsvielfalt reibungslos verfügbar zu machen. Dabei stammendie meistverwendeten Standards fürHardware und SoftwareSchnittstellenin Mobilfunkgeräten von der MIPI Alliance (MIPI: Mobile Industry ProcessorInterface), einerNonProfitOrganisation,der mehr als 280 Firmen angehören. Lautdieser Alliance ist mindestens einer ihrerStandards in jedemmodernen Smartpho

ne und in 90 Prozent aller klassischenHandys implementiert. Auch Tablets undDigitalkameras sowie Produkte für denAutomotive und Gesundheitsbereichnutzen dieMIPIStandards, deren Vielfaltkontinuierlich erweitert wird. Bild 2 zeigtden aktuellen Stand.

Die physikalischen Schichtendes MIPI-FrameworksDas StandardFramework definiert dreiphysikalische Schichten: DPHY, CPHYundMPHY (Bild 3). Sie sind optimiert fürdie schnelle Datenübertragung (highspeed, HS) bei gleichzeitig niedrigemEnergieverbrauch (low power, LP). DieseOptimierung stellt spezielle Anforderungen an die Testgeräte in der Entwicklung.

DPHY, die am weitesten entwickelteund amhäufigsten eingesetzte Spezifikation, unterstützt Kameras und DisplayApplikationen.Die kürzlich veröffentlichte Spezifikation fürCPHYbeschreibt eineeffiziente, unidirektionale StreamingSchnittstelle mit langsamem InBandRückkanal. Sie soll künftig bei höherenGeschwindigkeitsanforderungenDPHY

Mit den Optionen zum Triggern und Deco-dieren sowie für Konformitätstests deckendie R&SRTO-Oszilloskope alle Messungennach MIPI-Standards ab. Dank ihrer gutenHF-Eigenschaften und der komfortablen Be-dienerführung erzielen Entwicklungsingeni-eure schnell gute Ergebnisse.

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bild 1: die guten hFeigenschaften der r&srtOOszilloskope und ihre zahlreichen Fehlersuchfunktionen für MIPIschnittstellen sparenzeit in der entwicklung.

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ersetzen. Die dritte SpezifikationMPHYunterstützt ein größeres Applikationsspektrum, einschließlich Schnittstellenfür Display, Kamera, Audio, Video, Speicher, Leistungsmanagement unddie InterChipKommunikation, beispielsweisezwischendenChips für das Basisbandunddenen fürHFÜbertragungen. Außerdemwurde sie als physikalische Schicht fürProtokolle außerhalb des MIPIÖkosystems wieMobile PCIe (MPCIe) und USBSSIC (Super Speed InterChip) adaptiert.Für jede physikalische Schicht sind

mehrere übergeordnete Protokolle spezifiziert (Bild 3). Derzeit werden die aufCPHY basierenden Varianten kaumgenutzt. Die Spezifikation „Unified Protocol“ (Uni Pro) macht die Gemeinsamkeiten der aufMPHY basierenden Protokolle auf höheren Schichten nutzbar, umGeräte und Komponenten in Mobilfunksystemen darüber zu verbinden. Die Spezifikation ist für zahlreiche unterschiedliche Komponenten geeignet wie Anwendungs und CoProzessoren, Modemssowie für verschiedene Arten des Datenverkehrs wie Steuersignale, NutzdatenTransfer und paketiertes Streaming.

Analyse der Protokolleund SchichtenWährendderEntwicklung vonMobilfunkgerätenmuss die standardgemäße, fehlerfreie Protokollübertragung zwischen deneinzelnenMIPISchnittstellen immerwieder getestetwerden.Rohde&Schwarz bietet für dieseZwecke für seineOszilloskopeder R&S RTOReihe (Bild 1) verschiedeneSoftwareOptionen zur Analyse MIPIbasierterProtokolleundder jeweiligenphysikalischen Schichten an (Bild 4). Im Folgenden werden die messtechnischenAnforderungen der MIPIStandards dargestellt und gezeigt, wie sie sichmit einemRTO Oszilloskop bewältigen lassen. Dasgeschieht exemplarisch für die beidenMIPIStandards DPHY und MPHY, giltaber weitgehend auch für die anderenMIPIOptionen für diese Oszilloskope.

Signaltreue der MessausrüstungBei derAnalyse der physikalischenSchichtist es wichtig, zwischen der Signalintegrität des DUTs (Device unter Test) und derSignaltreue derMessausrüstung zu unterscheiden. Kritische Parameter bei Oszil

loskopen sind unter anderem Rauschenund Jitter, DCGenauigkeit sowie dieBandbreitenBegrenzung bei großen Verstärkungsfaktoren. Besonders anspruchsvoll ist das Erfassen von LP und HSSequenzen mit ihren stark unterschiedlichenSignalpegeln. Sie erfordern einehoheSignaltreue zum Bestimmen der Signalqualität – speziell für dieHSAnteile. Bild 5zeigt die jeweiligen Spannungspegel.Allgemein gilt, je besser die Eigenschaf

ten der eingesetzten Messgeräte sind,umsogrößer ist der verbleibendeToleranzbereich für das DUT, was sich in geringerem Ausschuss, niedrigeren Kosten undinsgesamt effizienteren Messungen niederschlägt.

200 mV und 1,2 V simultan erfassenZurCharakterisierung der physikalischenSchicht wird das LPSignal bei einemFull Scale von 1,4 V erfasst.Mit 8bitA/DUmsetzern, wie sie in üblichen Oszilloskopen verbaut sind, verbleibt eine FullScaleAuflösung von 5,5 mV/bit. Diese istzwar für Messungen am 200mVSignaltheoretisch ausreichend, zusätzliche Einflüsse führen aber schnell dazu, dass sienichtmehr genügt. Denn obigeAnnahmegeht von einem idealen A/DUmsetzeraus. In der Praxis jedoch reduzieren verschiedene Einflüsse die Anzahl der effektiven Bits (ENOB). Dazu zählen Offset,Verstärkungs und LinearitätsFehlersowie statisches Rauschen. Bei diesen

bild 2: Überblick über das „Ökosystem“ der MIPIspezifikationen am beispiel eines Mobilgerätes.

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bild 3: Applikationen, Protokolle und physikalische schichten der MIPIstandards.Bil

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Anforderungen profitieren die RTOOszilloskope von ihremLowNoiseFrontend und den präzisen A/DUmsetzern.LetzterehabeneinenDynamikbereich vonüber 7 bit (ENOB), der über der gesamtenGerätebandbreite von 4 GHz zur Verfügung steht.Zudem reduziert das niedrige Rauschen

derOszilloskope den Einfluss desGrundrauschens auf dieMessung. Ihr effektivesRauschen bei gewähltem Full Scale von1,4 V, also bei 140 mV/Div, beträgt beispielsweise nur 5 mV – ein Wert, der beimarktüblichen Oszilloskopen deutlichhöher sein kann.

Übersteuerung des FrontendsEin scheinbar geeignetes Verfahren zurReduzierung des OszilloskopEinflussesaufMessungen amHSSignal ist dieWahl

einer höheren Verstärkung. Bei 300 mVFull Scale beispielsweise vergrößert sichdie Auflösung auf 1,2 mV/bit und daseffektive Rauschen reduziert sich auf1,1mV. Dies hat jedoch denNachteil, dassdieVerstärker vor demA/DUmsetzer einegewisse Erholungszeit brauchen,wenn sieaußerhalb ihres spezifizierten Bereichsbetriebenwerden.Während dieser Periode verursacht die im Verstärker gespeicherte Energie Signalverzerrungen undmacht Ergebnisse unbrauchbar.DieseVorgehensweise wäre nur dann sinnvoll,wenn das interessierende Signal erheblichspäter auftreten würde als der Übergangvom LP in den HSStatus. Die dafürbenötigten Zeitspannen geben die Hersteller gewöhnlich nicht an, sie liegen typischerweise im Bereich mehrerer Nanosekunden.

Selbst wenn ein übersteuerter Verstärker deninteressierenden Bereichnicht beeinflusst, kann estrotzdem zu Problemenkommen, weil viele Oszilloskope bei hoher Verstärkungmit reduzierter Bandbreite arbeiten, um dasRauschen zu verringern.Diese Einschränkungensind oftmals drastisch. Beihöchster Verstärkung stehen oft nur noch maximal500 MHz zur Verfügung.Da der Standard DPHYdieMessung der Anstiegsund Abfallzeiten in derGrößenordnungvon100pserfordert, sindOszilloskope mit Bandbreiten vonmindestens 3,5GHz erforderl ich. A rbeitet der

Anwender mit einer Eingangsempfindlichkeit von 30 mV/Div und verwendeteinen typischen aktiven Tastkopf miteinem Teilerverhältnis von 10:1, dannmuss er, um den kompletten Bereich des200mVDifferenzsignals abzudecken, amFrontend 3 mV/Div einstellen. Bei diesemWert reicht die Bandbreite der meistenOszilloskopenicht aus. BeimRTOdagegensteht durch sein rauscharmes Frontendund seinesA/DUmsetzers die volleGerätebandbreite bis hinab zu 1 mV/Div zurVerfügung. Es bietet damit eine sehr hoheMessdynamik für Konformitätsmessungen (Bild 6).Neben diesen technischenDetails steht

bei Konformitätsmessungen ein rasch zuErgebnissen führender intuitiver Workflow im Vordergrund. Den bieten dieR&S Scope Suite (Bild 7) und die zugehörige ComplianceTestoption RTOK26.Der Anwender profitiert von den SchrittfürSchrittAnleitungen und den erklärenden Bildern, sodass Messungen aufAnhieb gelingen. Zudem nutzt die Option die zahlreichen Möglichkeiten desdigitalen TriggerSystems der Oszilloskope, um schnell die richtigen Signalezu isolieren und die Messzeit zu reduzieren.

bild 4: Überblick über die MIPIstandards, die über die Analyseoptionenfür rtOOszilloskope abgedeckt werden.

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bild 5: Pegel des MIPIsignals dPhY.

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bild 6: das Oszilloskop rtO bietet die volle Messbandbreite bei jeder eingangsempfindlichkeit, sogar bei 1 mv/div.

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bild 7: der startbildschirm der r&s scope suitezeigt die verfügbaren Konformitätstests.

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autorDr. Philipp WeigellProduktmanager Oszilloskope bei Rohde &Schwarz in München.

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Kommunikationzwischen KomponentenNachdem der Entwickler eines Designsdie Signalintegrität verifiziert hat, wirder die Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten untersuchenund nach Fehlern suchen. Trigger undDecodierSoftware für MIPI und serielleKommunikationsprotokolle (Bild 4) vereinfachen diese Untersuchungen erheblich.So bietet Rohde & Schwarz für seine

RTOOszilloskope die Option RTOK44.Sie unterstützt die Fehlersuche sowohldirekt auf der untersten physikalischenSchicht MPHY als auch auf den höherenProtokollschichten des UniProStandards. Das 4GHzModell RTO2044 decktUni Pro 1.6 bis zum HSÜbertragungsmodus Gear 2 (HSG2, 2,9 Gbit/s) ab.Dementsprechend ermöglicht es auch einDebugging von Protokollen wie CSI3,UFS und Uni PortM.Für das Setup zur Decodierung eines

MPHYSignals auf zwei seriellenDatenverbindungen (Lanes) werden zwei differenzielle Tastköpfe an die Kanäle 1 und 2angeschlossen. EinDialogfeld führt durchdie Konfiguration (Bild 8). Der Anwendermuss lediglich zwischenMPHY undUniPro wählen und die Anzahl der seriellenDatenverbindungen angeben (bis zu vierLaneswerden unterstützt). Es sind gekop

pelte oder individuelle Schwellenwerteverwendbar.In einem zweiten Schritt werden das

Datenformat und die zu decodierendeSchicht eingestellt. Die Wahl der Schichtist nützlich, um Fehler auf unterschiedlichen Protokolldetailschichten aufzudecken, beginnendbei den Flankenübergängen über die Bits und Symbole bis hin zuden höheren Uni ProSchichten (Bild 9).In Bild 10 zeigt das Oszilloskop für das

BeispielSetupmit aktivierterDecodierungdie unterschiedlichenBursts fürDatenundMarker (MK0, MK1, MK2) an. Für die tiefer gehendeAnalyse einzelner Bursts listetdie Tabelle links unten im Screenshot(Decode results details 1) die zugehörigenDetails auf. Die protokollabhängige Triggerung der Option RTOK44 grenzt diejeweiligenDatentelegramme voneinanderab (Bild 11). Durch den Einsatz der schnellen und genauen Trigger mit zusätzlicherSoftwareSelektion ist ein extrem performanter Arbeitsablauf erreichbar. (jj) n

bild 8: Konfiguration der MPhY/uni ProProtokolldecodierung.

Bild:

Rohd

e&Sc

hwar

z

bild 9: Auswahl der zu decodierenden Protokolldetailschicht.

Bild:

Rohd

e&Sc

hwar

z

bild 10: decodierergebnisse der MPhYschichtzeigen die details der Frames und bursts.

Bild:

Rohd

e&Sc

hwar

z

bild 11: Konfiguration der decodierung desMPhY/uni ProProtokolls.

Bild:

Rohd

e&Sc

hwar

z


Messtechnik AWG-Signale


awg‑signale durch gleichungenin sbench 6 erzeugen14 und 16 bit vertikale Auflösung und signalbandbreiten bis zu 200 Mhz

Arbitrary Waveform-Generatoren (AWG) zählen zu den leistungsstärksten Signalquellen für Test-zwecke. Sie können unterschiedlichste Wellenformen erzeugen, um im Handumdrehen diverseTestereignisse zu realisieren. Dieser Beitrag zeigt, wie AWG-Signale durch Gleichungen mit derSoftware SBench 6 erzeugt werden können. Autor: Oliver Rovini

DasUnternehmenSpectrumSystementwicklung Microelectronicaus Großhansdorf bei Hamburg

bietet zwei Baureihen vonArbitraryWaveformGeneratoren zur Erzeugung vonAWGSignalen. Bei der ersten handelt essich umdie BaureiheM2i.60xx, dieAbtastraten von bis zu 125Megasample/Sekunde(MS/s) und Signalbandbreiten von bis zu60 MHz bei einer Amplitudenauflösungvon 14 Bit bietet. Bei der zweiten handelt essich um die Arbitrary WaveformGeneratoren Baureihe M4i.66xx, die Maßstäbe inpunkto Bandbreite, zeitliche Auflösungund Amplitudenauflösung setzt. Die

Modelle der Baureihe M4i.66xx bieteneinen, zwei und vier Kanäle, wobei überjeden Kanal elektronische Signale mitAbtastraten von bis zu 625MS/s und 16 Bitvertikaler Auflösung ausgegeben werdenkönnen. Diese beiden AWGBaureiheneignen sich besonders für die Erzeugungniedrig undhochfrequenter Signale bis zu200 MHz bei hoher Präzision und Signaltreue. Die SoftwareAnwendungSBench 6 unterstützt alle modularen Digitizer und AWGProdukte von Spectrum.Für dieAWGsbietet die Software SBench 6einenEditor für die ErzeugungvonWellenformenmithilfe von Gleichungen (Bild 1).

Komponenten von Wellenform-gleichungenDieser Anwendungshinweis gibt einenÜberblick über die Regeln für die Erzeugung von Wellenformen und zeigt einigeBeispiele imDetail. AmAnfang steht eineÜbersicht über die in SBench 6 zur Verfügung stehenden Elemente zur Erzeugungvon Wellenformen.

KonstantenZwei Konstanten sind vordefiniert:e = eulersche Zahl = 2,7182… sowiepi = Pi = 3,14159…Benutzer können ihre eigenenKonstanten

Bild:

Foto

lia:c

nsto

ck




Bilde

r:Spe

ctrum

mithilfe der Funktion „const“ definieren:const Lichtgeschw=299792458;

KommentareKommentare lassensichunterVerwendungder Zeichenfolgen /* und */ in die Formel

einfügen (Kommentare in einer Formähnlichder vonKommentaren inderProgrammiersprache C). Leerzeichen, Leerzeilenund Zeilenvorschübe lassen sich in dieStruktur der Gleichung einfügen, um dieVerständlichkeit zu verbessern.

Quellsignalesig0(x) Wert des Quellsignals 0sig1(x) Wert des Quellsignals 1sig2(x) Wert des Quellsignals 2sig3(x) Wert des Quellsignals 3

Operatoren+ Addition– Subtraktion* Multiplikation/ Division%Modulo^ Potenz& bitweises AND| bitweises OR

<< bitweise Verschiebung nach links>> bitweise Verschiebung nach rechts

FunktionenAllenachstehendaufgeführtenFunktionenerfordern ein Argument. Das Standardargument ist x (aktuelles Sample), das vonNull bis [Länge−1] verläuft.DasArgumentkann auch mit einem anderen Ausdruckverändert werden. Dadurch lässt sich dieZeitbasis des resultierendenSignals beeinflussen. Die bitweisen Funktionen AND,OR und SHIFT lassen sich nur für Signaleund füranderebitweiseFunktionennutzen;sie lassen sichnicht für Funktionennutzen.

Liste der Funktionensin(x) Sinuscos(x) Kosinustan(x) Tangensasin(x) Arkussinusacos(x) Arkuskosinus

bild 1: editor für die erzeugung von Wellenformen mithilfe von gleichungen.




autorOliver RoviniTechnischer Leiter der Spectrum System-entwicklung Microelectronic.


atan(x) Arkustangenssinh(x) Hyperbelsinuscosh(x) Hyperbelkosinustanh(x) Hyperbeltangensln(x) Natürlicher Logarithmusabs(x) Absolutwert

Konditionale Funktionenif (x, min,max) wenn x ≥min und x ≤max,dann ist das Ergebnis 1,0, anderenfalls nullsign (x) ist 1,0, wenn das Argument

negativ ist, oder +1,0, wenn dasArgumentpositiv isttri (x,d)Dreieckmit d%einer ansteigen

den Periode, die andere 100 − d% fallendrect (x,d) Rechteck mit d% einer hohen

Periode, die andere 100 − d% niedrig

AWG-Signale in SBench 6 mithilfevon Gleichungen erzeugenDie Tabellen 1 bis 4 enthalten Beispiele fürWellenformen, diemit Gleichungen unterVerwendung der oben aufgeführten Elemente erstellt wurden. Zu beachten ist,dass alleGleichungenauf der Samplenummer, der durch das Symbol x repräsentiertwird, basieren. Dies führt zuGleichungsargumenten, die in Form der Signalperiode ausgedrücktwerden,was immer einerganzzahligenAnzahl anAbtastungenentspricht.DieZeitachse lässt sich durchMultiplikation desAbtastwertsmit derAbtastperiode bestimmen. Eine Anpassung derAbtastrate desAWGermöglicht die Erzeugung eines beliebigen Frequenz oder

Zeitintervalls innerhalb der WellenformSpeicherlängeundderAuflösungsgrenzender Abtastrate. Weitere Gleichungen fürSignale sind als PDF über die InfodirektNummer in derApplikationsschrift Erzeugen von AWGSignalen durch Gleichungen in SBench 6 downloadbar. (jj) n

tabelle 1 (li.):gleichungen fürrampen, dreiecksignal und sinus.

tabelle 2 (re.):gleichungenfür exponentialfunktionen undgaußPuls.

tabelle 4 (re.):gleichungen fürlogarithmischemFrequenzsweep, Phasenmodulation, lorenzscherPuls und sinushalbwelle.

tabelle 3 (li.):gleichungen fürAmplituden undFrequenzmodulation.


Messtechnik Sensor + Test 2017


sensor + test 2017vernetzte Messtechnik in nürnberg

In Halle 5 findet während der Messe Sensor + Test in Nürnberg vom 30. Mai bis zum 1. Juni 2017eine Sonderausstellung zum Thema „Vernetzte Messtechnik für mobile Anwendungen“ statt.

Autor: Alfred Vollmer

Mit dem Sonderthema „Vernetzte Messtechnik für mobileAnwendungen“will dieMesse

Sensor + Test, die vom 30. Mai bis zum 1.Juni 2017 auf dem Gelände der MesseNürnberg stattfindet, der wachsendenBedeutung von Sensoren, Mess undPrüfsystemen für die vernetzte WeltRechnung tragen.Die Spanne reicht dabei von tragbaren

Systemen zurMessung anMenschen überinstrumentierteKraftfahrzeugeundmobile Maschinen bis hin zur Luftfahrt. DieDaten kommen dabei entweder von selbstmessenden Sensoren oder von Sensornetzwerkenmit einer Vielzahl von Sensoren. Der wesentliche Fortschritt in dervernetzten Welt von morgen liegt in derglobalenVerfügbarkeit lokalerMessergebnisse. Entscheidend für die Effizienz sol

cher Systeme ist deshalb, welchenNutzender Betreiber aus den Daten ziehen kannund in welchem Kontext sie verwendetwerden sollen. Viele dieser Anwendungensind auf der Aktionsfläche im Einsatz zusehen – inklusive der dazugehörigensicheren Datenübertragung an den Messestand des Anbieters. Im Fokus desForums in Halle 5 zum Sonderthema derSensor + Test 2017 stehen neue LösungenundKonzepte zu den damit verbundenenFragestellungen, wie zumBeispiel Datensicherheit undweltweite Vernetzung, verteilte und lückenlose Datenerfassung,benutzerfreundliche Software für mobileAnwendungen, Vernetzung von Testaufgaben im Internet of Things oder auchDatenmanagement mit Sensorik.Übrigens: Bereits zum zehnten Mal in

Folge gehört die Sensor + Test zum Kreis

jener internationalen Leitmessen, die vomBundesministerium für Wirtschaft undEnergie für die spezielle Förderung derMessebeteiligung junger innovativerUnternehmenausgewähltwurden.Gezieltbezuschusst wird die Teilnahme amGemeinschaftsstand „Innovation Madein Germany“. n


autorAlfred VollmerChefredakteur elektronik journal.Er erstellte diesen Text auf Basis vonUnterlagen des AMA-Fachverbandsfür Sensorik und Messtechnik.

Bild:

AMA

Fach

verb

and

Im Jahr 2017 gibt es auf der sensor + test das sonderthema „vernetzte Messtechnik“. die sensor + test findet in diesemJahr vom 30.5. bis zum 1.6.2017 statt.


Impressum/Verzeichnisse


A. B. Jödden 30ACS-Control-System 30AMA-Fachverband 30, 57AMA Service 30Amphenol Advanced Sensors 8AMS 6, 9AMS Sensors Germany 6Analog Microelectronics 30CiS Forschungsinstitut Mikrosensorik 30Contec 9Data Translation 42Delta-R 30Disynet 30Elmos Semiconductor 14Endress+Hauser 6Endrich 30EQ Photonics 30ET Enterprises 30Excelitas 30FBGS International 30

GEPA 30Hangzhou Multi IR Technology 30HTW des Saarlands 30Icsense 6IDT Integrated Device Technology 30IFTA 30Inno-Spec 30IS-Line 9Jumo 30Keller Ges. für Druckmesstechnik 30Keysight 38Kionix 9Laser Components 30Lorenz Messtechnik 30M+P International 30Manner Sensortelemetrie 30Mazet 6Measurement Computing 42ME-Meßsysteme 30Metra 30

Microchip 8Micro-Epsilon 30Mountain Photonics 30Mouser 8NCTE 26Nokeval 30ON Semiconductor 25Oriental System Technology 30Pewatron 22, 30Polytec 30Pressure-Sensor 30Rigol Technologies 42Rohde & Schwarz 50Rohm 9Rutronik 6SAF Tehnika JSC 30SE Spezial-Electronic 8Seica 48Sensaction 6Sensaggio 30

Sensirion 10, 30Sensitec 30Shanghai JNL Industry 30Silicon Microstructures 14SIOS Meßtechnik 30Sitex 30Smartgas Mikrosensorik 18Spectrum Systementwicklung 54TDK-Micronas 6Tektronix 44Texys 30Toposense 30TU Chemnitz 6TWK Elektronik 30Unitronic 8Zirox Sensoren & Elektronik 30

unternehmen

Bachmayr, Peter 44Bopp, Matthias 6Clausen, Thomas 22Corli, Luca 48

Dodini, Andrea 38Gaynor, Justin 14Huelsekopf, Volker 18Mangler, Andreas 6

Muer, Bram De 6Münch, Michael 6Orzati, Andrea 10Rothballer, Stefan 6

Rovini, Oliver 54Weigell, Philipp 50

Personen

Beta LAYOUT 17Bürklin 33CSM 39CTX Thermal Solutions 5Deutronic 27Digi-Key Titelseite, 2. US

Fischer 3Intersil 4. USMCD Elektronik 49MF Instruments 46, 47MRC GIGACOMP 41MTS 49

ODU 23Rigol 53Rohde & Schwarz 43Rohrer 21SE Spezial-Electronik 25Sensirion Titelseite

SICK 35TRACO Electronic 9TURCK duotec 19TWK-Elektronik 37Würth Elektronik eiSos 7

inserenten

impressum

www.elektronikjournal.comwww.all-electronics.deISSN: 0013-567452. Jahrgang 2017

Ihre Kontakte:Abonnement- und Leserservice:Tel: +49 (0) 8191 125-777, Fax: +49 (0) 8191 125-799E-Mail: [email protected]: Tel: +49 (0) 8191 125-408Anzeigen: Tel: +49 (0) 6221 489-363

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AnwendungController mitDual-Ausgang

KompatibleSchnittstellen

Ausgangs-phasen-konfiguration

AVSBus ISL68137 PMBus, AVSBus X+Y ≤ 7

ISL68134 PMBus, AVSBus X+Y ≤ 4

General Purpose ISL68127 PMBus X+Y ≤ 7

ISL68124 PMBus X+Y ≤ 4

SVI2 ISL69147 PMBus, AMD SVI2 X+Y ≤ 7

ISL69144 PMBus, AMD SVI2 X+Y ≤ 4

IMVP8 ISL69137 PMBus, IMVP8 X+Y ≤ 7

ISL69134 PMBus, IMVP8 X+Y ≤ 4

IMVP8 & VR13 ISL69128 PMBus, IMVP8/VR13 X+Y ≤ 7

VR13 ISL69127 PMBus, VR13 6+1

ISL69125 PMBus, VR13 X+Y ≤ 4

ISL69124 PMBus, VR13 X+Y ≤ 4

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DasThemen-MagazinfürdenEntwickler · 2017. 6. 12. · 1 elektronikjournal 04/2017...

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