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Mit der richtigenMethode zur InnovationInterdisziplinäres Arbeiten ist wichtig, aber mit Methode.Der Kongress Innovation 360° liefert hierfür wissenschaftlicherarbeitete Handlungsempfehlungen. Seite 16

OPC UA-Serverim Profinet-DeviceTPS-1 ist eine Single-Chip-Geräteschnittstelle fürProfinet zur unkompliziertenIntegration. Seite 18

EffektiveRauschbandbreiteRauschphänomene beiA/D-Wandlern sind eineHerausforderung. Wasbedeutet ENBW? Seite 32

Power overEthernetViele Geräte benötigenStrom und Daten. Dadurchwird Power over Ethernetimmer beliebter. Seite 50

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EDITORIAL

ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 16 5.9.2019

Warum wir Post-Quantum-Kryptographie brauchen

2048 und 8. Diese Zahlen geben Ban-ken, Sicherheitsbehörden und etli-chen Unternehmen mittlerweile zu

denken. Zumindest denjenigen, die sen-sible Informationen elektronisch für 25Jahre odermehr sicher speichernwollen.ZumAbsichern vonNachrichten, die überdas Internet übertragen oder verschlüs-selt auf Langzeitspeichern abgelegt wer-den, kommt oft RSA-Kryptografie mit2048 Bit langen privaten Schlüsseln zumEinsatz. Derartige Verschlüsselungsver-fahren sind so ausgelegt, dass es selbstmit Supercomputern viel zu langedauernwürde, sie zu entschlüsseln.Unknackbarsind sie aber nicht.Hier kommen Quantencomputer ins

Spiel. Noch sind sie weit davon entfernt,derartigeAbsicherungen schnell brechenzu können. Doch die Technik entwickeltsich rasch. 2015 schätzten Forscher, dasseinQuantencomputer etwa 1Mrd. Qubitsbenötigen würde, um eine Zahl mit 2048Bit schnell und zuverlässig zu zerlegen.Nun haben Craig Gidney von Google inSanta Barbara undMartin Ekerå amKTHRoyal Institute of Technology in Stock-holm, Schweden, diese Vorhersage be-reits pulverisiert. Das berichtet die MITTechnology Review. Demnach haben die

„Ein 2048 Bit langerRSA-Schlüssel lässt sichmit 20 Mio. Qubits in8 Stunden knacken.“

Michael Eckstein, [email protected]

Forscher einen effizienteren Weg gefun-den, mit Quantencomputern die Berech-nungen für das Entschlüsseln durchzu-führen. Statt 1 Mrd. kommen sie mit 20Mio.Qubits aus. Ein solcherQuantencom-puter würde nur noch rund 8 Stundenzum Zerlegen eines 2048 Bit langen RSA-Schlüssels benötigen.Angesichts heutigerQuantencomputer

mit deutlich unter 100 Qubits mutet einRechnermit 20Mio.Qubitswie ein fernerTraum an. Doch man muss kein Prophetsein, um vorherzusagen, dass Forscherund Entwickler Mittel und Wege findenwerden,Qubit-Prozessoren indennächs-ten Jahren schnell zu skalieren. Umsowichtiger ist, neue Verschlüsselungsver-fahren zu etablieren. Schon heute lassensichDatenper Post-Quantum-Kryptogra-phie so absichern, dass sich auch Quan-tencomputer darandie Zähne ausbeißen.Sie könnten zumneuenStandardwerden.

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4 ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 16 5.9.2019

ELEKTRONIKSPIEGEL6 Zahlen, Daten, Fakten

8 News & Personalien

SCHWERPUNKTEIndustrieelektronikTITELTHEMA

16 Mit der richtigen Methode zur InnovationInterdisziplinarität ist wichtig. Aber sie erfordert Anstren-gungen im Unternehmen. Der Kongress Innovation 360°liefert hierfür praxisnahe Handlungsempfehlungen.

18 OPC UA-Server in einem Profinet-DeviceTPS-1 ist eine Single-Chip-Geräteschnittstelle für Profinetzur schnellen, unkomplizierten Integration in das Auto-matisierungsgerät. Der Artikel erklärt die Integration desChips in das Device.

Internet of Things22 Die Funkspezifikation von Sigfox ist jetzt offen

Das 0G-Funkprotokoll von Sigfox ist seit Februar diesesJahres veröffentlicht und Hersteller haben die Möglichkeit,die Vorteile für ihre Produkte zu verwenden.

26 Audio-Appliances für das Smart-Home entwickelnDas Vernetzen elektronischer Geräte zu Hause ist gefragtwie nie. Sprachsteuerung und Audioausgabe spielen invielen Anwendungen eine zentrale Rolle.

Analogtechnik32 Rauschbandbreite bei Delta-Sigma-A/D-Wandlern

Selbst für erfahrene Analogtechniker sind Rauschphä-nomene bei A/D-Wandlern eine Herausforderung. Ganzkompliziert sind Störungen im Gesamtsystem. Hier hilft dieeffektive Rauschbandbreite weiter.

34 Die Batterielaufzeit bei Bedienkonzepten optimierenNeue Bedienkonzepte wie Drücken oder Fingerstreichenam Gehäuse eines Handgerätes erweitern dessen Funk-tionalität. Wir zeigen, wie Sie bei diesen Konzepten dieBatterielaufzeit im Griff behalten.

Messtechnik38 Modulare Hardware-Plattform arbeitet mit Linux

Für Entwickler in der Automatisierung dürfte die modulareHardware-Plattform von Jumo interessant sein. Nebendiversen Schnittstellen überzeugt vor allem ein offenesLinux bei der Programmierung.

40 Störer in Mobilfunknetzen erkennen und auffindenStörsignale aufzuspüren ist keine einfache Aufgabe. Nebeneiner guten Planung sollten HF-Techniker auf die richtigenWerkzeuge setzen. Doch allein die Technik reicht nicht aus.

Stromversorgungen46 Eigenschaften von Power-Modulen verbessern

Kompakte, leistungsfähige Power-Module sind mitAbwärtswandlern und externen MOSFETs realisierbar,aber auch mit Wandlern und integrierten MOSFETs. DieserBeitrag vergleicht beide Möglichkeiten und gibt einenÜberblick über die Vorteile.

INDUSTRIEELEKTRONIK

Mit der richtigenMethode zur InnovationDie Innovationskultur beschreibt eine spezifischeAusprägung der Unternehmenskultur, die vor allemdie Entwicklung von Innovationen im Unternehmenfördern soll. Da es sich bei Innovationsprozessenin der Regel um bereichsübergreifende Prozessehandelt, fungiert die Innovationskultur als eine ArtQuerschnittskultur, deren Normen und Werte vonsämtlichen Prozessbeteiligten geprägt und getra-gen werden. Eine positive Innovationskultur schafftAnreize für Mitarbeiter und führt zu einer Erhöhungder Innovationskraft des Unternehmens.

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INHALT Nr. 16.2019

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5ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 16 5.9.2019

50 Power over Ethernet – Strom aus dem NetzwerkImmer mehr Geräte benötigen Strom und Daten. Deshalbwird Power over Ethernet (PoE) immer beliebter, denn esüberträgt nicht nur Daten, sondern liefert auch Strom überStandard-Ethernet-Kabel.

Lichttechnik54 Eine Alternative zur Straßenbeleuchtung mit LED

Weniger Lichtverschmutzung, und auch beim Energiever-brauch gibt es eine seit vielen Jahren bewährte Alternativezur LED: die Natriumdampf-Hochdrucklampe. Was ist ander Aussage dran?

TIPPS & SERIEN14 Power-Tipp

Welche Störungen zeigen die verschiedenen Schaltregler?

ZUM SCHLUSS58 Dr. Consuela Utsch, Acuroc Solutions

Start-up-DNA – Fauler Zauber oder unausweichlich?

RUBRIKEN3 Editorial

52 Impressum

22 Die Funkspezifikationvon Sigfox ist jetzt offen

40 Störer in Mobilfunk-netzen auffinden

34 Die Batterielaufzeit imGriff behalten

46 Power-Module richtigoptimieren

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ELEKTRONIKSPIEGEL // ZAHLEN, DATEN, FAKTEN


1780: Die Entdeckung des GalvanismusSeit Benjamin Franklin 1752 die atmosphärische Elektrizität (undden Blitzableiter) entdeckt hatte, vermuteten die Forscher auchhinter der Nervenfunktion Elektrizität. Luigi Galvani war bereitsseit Jahren auf der Suche nach diesem geheimnisvollen „Flui-dum“, das alles Lebendige eine Zeitlang vor dem Verfall bewahrt.Im Jahr 1780 entdeckte er durch Experimente mit Froschschenkelndie Kontraktion von Muskeln, wenn diese mit Kupfer und Eisen inBerührung kamen, wobei auch Kupfer und Eisen verbunden sein

mussten. Galvani stellte also unwissentlich einen Stromkreis her,bestehend aus zwei verschiedenen Metallen, einem Elektrolyten(„Salzwasser“ im Froschschenkel) und einem „Stromanzeiger“(Muskel). Diese Zusammenhänge erkannte der damalige Professorfür Anatomie noch nicht und er forderte die Wissenschaft auf dasGeheimnis zu lösen. Mit seinen Experimenten legte Galvani dieGrundlage für die Entwicklung elektrochemischer Zellen (auchGalvanische Zellen genannt) durch Alessandro Volta. // ED

AUFGEMERKT

Bild:gem

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ELEKTRONIKSPIEGEL // ZAHLEN, DATEN, FAKTEN


AUFGEDREHT: Audi e-tron 55 quattro

Eigentlich handelt es sich bei dem e-tron 55quattro um Audis erstes Vorzeige-Elektroauto.Erst seit kurzem auf dem Markt in USA, Kanadaund Europa ist der SUV von einem weltweitenRückruf betroffen. Anscheinend kann durch eine

fehlerhafte Dichtung am Niedervoltkabel Feuch-tigkeit in die Lithium-Ionen-Batterie eindringen.Dies führt zu einem Aufleuchten der orangefar-benen Batterie-Warnleuchte. Das Schnellladenist dann nicht mehr möglich. // ED

LadegerätWassergekühltesHochvolt-Ladegerät

BatterieDie flüssigkeitsgekühlteLithium-Ionen-Batteriehat eine Kapazität von95 Kilowattstunden.

ReichweiteDie Reichweite dese-tron beträgt maximal400 Kilometer.

AnschlussLadeanschluss für AC-und DC-Laden

„Viele Brainworker wissen nichtmehr, wo ihnen der Kopf steht.Sie brauchen klare Leitplanken.“Dr. Consuela Untsch, Geschäftsführerin und Gründ-erin der Acuroc GmbH und der AQRO GmbH, in ihremKommentar auf Seite 58.

AUFGE-SCHNAPPT

AUFGEZÄHLTWeltweit belaufen sich die Ressourcen von Lithiumauf ein Volumen von rund 62 Millionen Tonnen imJahr 2018. Lithium wird aus verschiedenen Vor-kommen gewonnen - besonders aus Festgesteinund Sole. Die wichtigsten Förderländer von Lithiumsind derzeit Australien, Chile und China. Das Alka-

limetall besticht durch seine besonderen Eigenschaften der hohen Siedetem-peratur und Wärmekapazität als idealer Energiespeicher.

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Erfinder derLi-Ionen Batterie

Der japanische Wissenschaftler Akira Yoshinogilt als Vater der Lithium-Ionen-Batterie. SeineErfindungen sind es, die heute für die Stromver-sorgung in Smartphones, Elektrofahrzeugen undzahlreichen weiteren Geräten zuständig sind.Mehr als 30 Jahre hat er der Aufgabe gewidmet,seine Technik weiter zu verbessern. // ED

Batterie-forschungMit einem neuen Beschich-tungsverfahren gelangForschern des KarlsruherInstituts für Technologiedie wohl bislang schnellsteProduktion von Elektrodenfür Lithium-Ionen-Batteri-en. Gleichzeitig verbessertdas neue Verfahren dieQualität der Elektrodenund reduziert die Produk-tionskosten. Die Techno-logie soll nun im Rahmeneines Spin-offs vom Laborin die industrielle Produk-tion überführt werden.Der Doktorrand Ralf Diehmrechnet mit der Marktreifein ein bis zwei Jahren. //KR

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ELEKTRONIKSPIEGEL // NEWS & PERSONALIEN


Jetson Nano – KünstlicheIntelligenz für die Massen

Mit einem auf KI-Anwendungen fokussierten Kleincomputerspricht Nvidia Maker, Technologie-Fans und Embedded Designer an.Der Nano rundet die CUDA-X-basierte Jetson-Baureihe nach unten ab.

Nvidia hat seineKI-Plattform JetsonumeinModul samt passendemEntwick-lungs-Kit nach unten erweitert:

JetsonNano spricht Tüftler, Technologiefansund Embedded-Designer an, die für ihre KI-Projekte eine günstige und trotzdem leis-tungsfähige Plattform suchen. „Mit Nanosteigt die Reichweite unserer Jetson-Platt-form auf rund 30 Millionen Hersteller, Ent-wickler, Erfinder und Studenten weltweit“,sagtDeepuTalla, Vice President undGeneralManager of Autonomous Machines vonNvidia, bei der Vorstellung der neuen Platt-form. LautNvidia ist das jüngsteMitgliedderJetson-Familie, zu der auch die Modelle Jet-sonAGXXavier für vollautonomeMaschinenund Jetson TX1/TX2 für KI-Processing amEdge gehören, softwarekompatibelmit allenanderen CUDA-X-basierten Produkten.

Mehr Rechenleistung alsandere Maker-BoardsJetson Nano verfügt über eine Quad-Core

64-Bit-ARM-A57-CPU und einen integrierten128-Core-Grafikprozessor (Graphic Proces-sing Unit, GPU) mit hauseigener Maxwell-Architektur. In Kombination mit 4 GByte64-Bit-LPDDR4-Speicher erreicht dasModul472 GFLOPS Rechenleistung. Als Speicher-durchsatz gibt Nvidia 25,6 GBit/s an. Damitist Nano deutlich performanter als typischeMaker-Boards auf Raspberry-Pi- oder Ardui-no-Basis. Trotzdem soll das Modul je nachaktiviertem Leistungsmodus lediglich zwi-schen 5W und 10W verbrauchen.Nach Angaben des Herstellers basiert Jet-

sonNanoauf der hauseigenenCUDA-X-Tech-nologie. Die „Computer Unified Device Ar-chitecture“ ist in der Lage, einzelne Pro-grammteile auf die GPU auszulagern und soden Hauptprozessor zu entlasten. Die GPUist viel besser für dasmassiv-paralleleVerar-beiten bestimmter Routinen geeignet, wasdieVerarbeitungneuronalerNetze erheblichbeschleunigt. NebenPCIe,MIPIDSI undwei-teren GPIO (General Purpose I/O) stehenzwölf Lanes MIPI CSI-2 zum Anschluss vonbis zu drei x4-Kameras oder bis zu vier Ka-

meras in x4/x2-Konfigurationen zur Verfü-gung. So gerüstet soll es bis zu acht HD-Vi-deoströme in Echtzeit verarbeiten können.Dank seines geringen Stromverbrauchs eig-net sich das Produkt nachAngabendesHer-stellers unter anderemals intelligenteVideo-analyseplattform für Netzwerk-Videorekor-der (NVR), Smart Kamerasund IoT-Gateways.

Softwarekompatibel mitgrößeren CUDA-X-SystemenDer Clou der Plattform: Laut Talla laufen

auf Jetson Nano sämtliche KI-Modelle, dieursprünglich für andere auf CUDA-X basie-rende Plattformen geschrieben wurden. Jet-son Nano kann viele KI-Netzwerke ausfüh-ren, zum Beispiel ML-Frameworks wie Ten-sorFlow, PyTorch, Caffe/Caffe2, Keras, MX-Net. Durch das Integrieren von Funktionenwie Bilderkennung, Objekterkennung und-lokalisierung, Posenabschätzung, semanti-sche Segmentierung, Video-Optimierungund intelligente Analytik sollen sich bei-spielsweise autonomeMaschinen und kom-plexe KI-Systeme aufbauen lassen. // ME

Nvidia

Fokus Künstliche Intelligenz: Der CUDA-X-basierte Jetson Nano erreicht mit einer Quad-Core-ARM-CPU undMaxwell-GPU eine Rechenleistung von 472 GFLOPS.

Bild:N

vidia

Jetzt Jetson NanoKI-Dev-Kit gewinnenGewinnen Sie ein Jetson Nano KI-Entwickler-Kit von Nvidia inklusiveRPi Kamera, Lüftungsmodul, SD-Karte und dazugehörigen Netzwerk-kabeln im Gesamtwert von 498,00Euro! Gemeinsam mit dem GPU- undKI-Experten Nvidia verlost ELEKTRO-NIKPRAXIS zwei komplett ausgestat-tete KI-Entwicklerkits auf Basis vonNvidias neuer CUDA-X-Computing-Plattform JetsonNano.DiekompaktenKits verfügen über vier USB 3.0-Ports,MIPI CSI-2-Kamerastecker, HDMI 2.0und DisplayPort 1.3, Gigabit Ethernet,je ein M.2-Key-E-Modul, MicroSD-Kartensteckplatz und einen 40-poli-gen GPIO-Stecker. Details zur Teilnah-me erfahren Sie auf unserer Gewinn-spielseite www.elektronikpraxis.de/nvidia-entwicklerkit-gewinnspiel.Wir wünschen viel Glück!

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Cooling-Days – Fachkongress fürWärmemanagement

Grundlagen, neue Verfahren und Best Practice für Wärmemanagementvermitteln die Cooling-Days am 22./23. Oktober 2019 in Würzburg. EinHighlight in diesem Jahr ist der Einsatz von Künstlicher Intelligenz.

Das Kühlen elektronischer Bauele-mente, Baugruppen und Systemebis hin zu ganzen Anlagen gehört

schon immer zum Handwerkszeug derHardware-Entwickler und System-Desig-ner. Durch die unaufhaltsame Steigerungder Packungsdichte und des stetig zuneh-menden Leistungsdurchsatzes wird dieseklassische Ingenieursaufgabe zur Heraus-forderung.Damit Elektronikentwickler und Geräte-

bauer diesen Herausforderungen optimalvorbereitet begegnenkönnen, hat ELEKTRO-NIKPRAXIS die Cooling-Days ins Leben ge-rufen. An zwei Tagen werden zahlreicheAspekte der Elektronikkühlung analysiert.Experten aus Industrie undForschung erklä-ren die wichtigsten Grundlagen und stellenneue Verfahren und Produkte vor.Schwerpunkte in diesem Jahr sindGrund-

lagen am 22. Oktober sowie TechniktrendsundBest Practice am23.Oktober. Zuder Ziel-gruppe gehören Hardware-Entwickler, Sys-tem-Designer, Geräte- und Anlagenbauer,Schaltschrankplaner sowie Leistungselekt-ronik-Experten in Industrieelektronik, Auto-matisierungundMaschinenbau, Computer-technik und Telekommunikation, Automo-tive undTransportation,MedizintechnikundMechatronik sowie LeistungselektronikundEnergietechnik.

Die Grundlagen imWärme-managementAm 22. Oktober starten die Cooling-Days

mit Prof. Dr. Andreas Griesinger von der Du-alen Hochschule Baden-Württemberg. Ererklärt die physikalischen Grundlagen desWärmetransports durch Leitung, Strömungund Strahlung sowie Grundgleichungen fürÜberschlagsrechnungen.Der zweite Referent Robert Liebchen vom

ZFW Stuttgart befasst sichmit Oberflächen,Grenzschichten und thermische Interface-materialienundgibt praktische Tipps für dieAnwendung von thermischen Interfacema-terialien, Gap Fillern und Phase-Change-Materialien.

Den Nachmittag eröffnet wiederum Prof.Dr. Andreas Griesinger mit Methoden zurCharakterisierung vonWärmepfaden in derElektronik. Er vergleicht verschiedenerMess-und Analyseverfahren zur detaillierten Be-stimmung vonWärmeleiteigenschaften.Die letzten 90 Minuten am 22.10. gehören

dem„Simulations-Prediger“ TobiasBest vonAlphaNumerics. Sein Thema indiesem Jahr:Grundlagen von CFD-Simulationswerkzeu-genund ihre Einsatz amBeispiel von eMobi-lity-Entwicklungen.

Neue Verfahren und BestPractice der ElektronikkühlungAm 23. Oktober berichten 12 Cooling-Ex-

pertinnen und -Experten über Fortschritte,Neuentwicklungen und Anwendungsbei-spiel vonderWärmeableitung auf der Leiter-platte bis hin zum Einsatz von KünstlicherIntelligenz für das Kühlkörper-Design. Fol-gende ThemenundReferenten erwarten dieTeilnehmer der Cooling-Days 2019 am zwei-ten Konferenztag:09:00Uhr: Passive, hocheffiziente Entwär-

mung undWärmespreizungmit kompaktenPulsierenden Heatpipes (PHP), Dr. OlafSchäfer-Welsen, Fraunhofer-Institut für Phy-sikalische Messtechnik IPM.09:30Uhr:Messsystems zur Charakterisie-

rungundOptimierung vonFlüssigkeitskühl-

Mr. Schaltschrank: Ralf Schneider ist seit den erstenCooling-Days als Referent dabei. In diesem Jahrspricht der RITTAL-Experte über die Nachhaltigkeiteines effizienten Wärmemanagements.

Bild:RITTAL körpern–WärmeübertragungundDruckab-

fall, Einfluss und Eindeutigkeit der Messpa-rameter, JuliaMayer, ZFWStuttgart undProf.Dr. Andreas Griesinger, Duale HochschuleBaden-Württemberg.10:00 Uhr: Möglichkeiten einer transien-

tenCFD-Temperatursimulation, TobiasBest,Alpha Numerics.11:10 Uhr: Strukturoptimierung von Pin-

Fin-Kühlkörpern inder Leistungselektronik,Thomas Menrath, Fraunhofer IISB.11:40 Uhr: 3D-gedruckte Mikrokühler für

die Leistungselektronik, Dr. Thomas Ebert,IQ evolution.12:10Uhr: GenerativeDesignofHeat Sinks

Cooled by Natural Convection, Dr. Ir. LievenVervecken, Diabatix.13:40 Uhr: Vergleich von Konzepten ther-

moelektrischer Kühlung (global, regionalund lokale Hot-Spot-Kühlung) am Beispieleiner CMOS-Kamera, Ina Sengebusch, EURE-CAMesstechnik.14:10Uhr: Optimierungs-Potentiale durch

Systembetrachtung beim Einsatz von Venti-latoren in der Elektronikkühlung, ebm-papst.14:40 Uhr: 1k-Gele für verschiedenste An-

forderungen, Holger Schuh, Henkel.15:50Uhr: CladdingCool –PlattierteWerk-

stoffe für ein effizientesWärmemanagement,Wickeder Westfalenstahl.16:20 Uhr: Möglichkeiten der Elektronik-

Entwärmung auf der Leiterplatte – Update,Beispiele und Ausblick, Uwe C. Lemke, AIS-MALIBAR.16:50Uhr:Wie durch fachgerechte Schalt-

schrank-Entwärmung, neue Kühltechnolo-gien und Smart-Service-Konzepte der Car-bon-Footprint in der Produktion gesenktwerden kann. Ralf Schneider, RITTAL.Parallel zudenCoolingDays findenweite-

re Fachkonferenzen statt: der Schaltnetztei-letag, derDC/DC-Wandler-TagundderData-center Day. Alle weiteren Informationen so-wieAnmeldemöglichkeiten findenSie unterwww.cooling-days.de. // JW

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Die Sicherheitsschränke Battery line Typ 90: In ihnen lassen sichLithium-Ionen-Akkus sicher laden und lagern.

Die Sicherheitsschränkeder Bat-tery line vonDüperthal sind spe-ziell für die hohen Anforderun-gen zum sicheren Lagern undLadenvonLithium-Ionen-Batte-rien konstruiert.Mit der Klassifi-zierung Typ 90 und dem vomunabhängigenFraunhofer Insti-tut geprüften explosionsartigenAbbrennen der Batterien im In-nenraum, bietet die Battery line2-fachen Brandschutz – genü-gend Zeit zur Evakuierung undBrandbekämpfung.Bei Sicherheitsschränken

schließen sich bei Bränden, dieaußerhalb vom Schrank entste-hen, die Türen automatisch. EinNovumderBattery line ist hinge-gen der Mechanismus, der beiBränden im Innerendes Schran-kes, selbstständig die Schrank-türen schließt undverriegelt. DieVerriegelung verhindert einÖffnen durch Mitarbeiter undbeugt somit einer möglichenRauchgasexplosion vor. Nur au-torisierte Experten, z.B. die Feu-erwehr, könnendie Türen entrie-geln. Der Einsatz der Battery lineermöglicht es, rechtliche Vorga-ben, insbesondere die Richtlini-en für die Lagerung gemäßGDV-Merkblatt zur Schadenverhü-tung bei Lithium-Ionen-Batteri-en des VdS sowie von FMGlobalzu erfüllen.

AKKUMULATOREN

Wie sich Lithium-Ionen-Batterien sicher lagern und laden lassen

Betreiber sind verpflichtet, imRahmeneinerGefährdungsbeur-teilung die Gefahren, die vontechnischen Einrichtungen aus-gehenkönnen, zubeurteilenunddaraus abzuleitendeSchutzmaß-nahmen nach dem Stand derTechnikumzusetzen.Die zusätz-lichenEinrichtungender Batteryline zur Gefahreneindämmungbei Selbstentzündungder Batte-rien gewährleisten nachhaltigProzesssicherheit.Lithium-Ionen-Batterien sind

fester Bestandteil im Alltag undbei guten Fertigungsstandardssowie beimsachgerechtenHand-

Bild:D

üperthal

ling auch eine ausreichend si-chere Technologie. Aufgrundneuer Erkenntnisse unddie fort-schreitende Entwicklung ist esjedoch notwendig, im Rahmender GefährdungsbeurteilungMaßnahmen zumvorbeugendenBrand- undGefahrenschutz kon-tinuierlich zu überprüfen undbei Bedarf neu zu bewerten.Obwohl Lithium-Ionen-Batte-

rien im regulären Betrieb sehrsicher sind, entsteht ein Risiko,wenn z.B. durch thermische Be-lastung die jeweiligen Inhalts-stoffe freigesetztwerden. So kön-nen z.B. ätzende, giftige, kanze-

rogene oder auch brennbareGefahrstoffe austreten. Entspre-chend sind präventive Maßnah-men zur Früherkennung vonSchadensfällen wichtige Bau-steine für die Gewährleistungsicherer Arbeitsplätze.Der Erfolg eines Löschangriffs

hängt vor allem davon ab, dassin einermöglichst frühenBrand-phase die Feuerwehr vor Ort ist.Für die Lagerung und NutzungvonLithium-Ionen-Batterien, istdeshalb eine flächendeckendeFrüherkennung und automati-sche Weiterleitung von thermi-schenEreignissen, z.B. Brändennahezuunverzichtbar.Mit SmartControl und Temperatursenso-renwerden thermischeEntwick-lungen sofort erkannt undMaß-nahmen eingeleitet.Der Umgang mit Lithium-

Ionen-Batterien ist ein schwierigabzuschätzendes Risiko. Des-halb sollten neben feuerbestän-digen Lagern auch Anlagen zurBrandfrüherkennung mit auto-matischer Alarmweiterleitungals Stand der Technik berück-sichtigtwerden.Das intelligenteAssistenzsystem Smart Controlmit Touchdisplay und Sensorenbietet in solchen Fällen ent-scheidende Vorteile. // TK

Düperthal

ELEKTROMOBILITÄT

Zwei neue Tools gegen ReichweitenangstTomTom bietet Tools zurEntwicklung vonAnwendungenfür Fahrer von Elektrofahr-zeugen.Mit der TomTomRoutingAPI beispielsweise ist es einfach,die aktuell tatsächlichmöglicheReichweite des Fahrzeugs zu be-rechnenunddie energieeffizien-teste Route zu finden – unterBerücksichtigung spezifischerEigenschaften des Fahrzeugsunddes Straßennetzes sowie desaktuellenVerkehrs undvon typi-schen Verkehrsmustern.Nun hat TomTom zwei neue

Programmierschnittstellen vor-

Bild:Tom

Tom

gestellt, die bei der Entwicklungvon Anwendungen für die Elek-tromobilität helfen: die TomTomLong Distance EV Routing APIund die TomTom EV ChargingStations Availability API.Die LongDistance EVRouting

API ermöglicht es, eine Routevon A nach B zu planen, die dasLaden der Fahrzeugbatterie miteinbezieht. Der Routing-Algo-rithmusberechnet dieRoute ein-schließlich der Stopps zum La-den und zeigt die voraussichtli-che Ankunftszeit inklusive derLadezeit an. Die EV Charging

Stations Availability API infor-miert unter Berücksichtigungdes Anschlusstyps darüber, obeine Ladestation verfügbar istund stellt sicher, dass der Fahrervor seiner Ankunft weiß, ob einLadeplatz frei ist oder nicht.Entwickler können für ihre

Anwendungen rundumElektro-mobilität die SoftwareDeveloperKits undSchnittstellen vonTom-Tom nutzen, die über das Tom-TomSelf-Service-Entwicklerpor-tal verfügbar sind. // TK

TomTom

Die TomTom EV Charging StationsAvailability API: informiert unterBerücksichtigung des Anschlusstypsdarüber, ob eine Ladestation ver-fügbar ist und stellt sicher, dass derFahrer vor seiner Ankunft weiß, ob einLadeplatz frei ist oder nicht.

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Der Name Microchip und das Microchip-Logo sind eingetragene Warenzeichen der Microchip Technology Incorporated in den USA und in anderen Ländern.Alle anderen Marken sind im Besitz der jeweiligen Eigentümer. © 2019 Microchip Technology Inc. Alle Rechte vorbehalten. MEC2297A-GER-07-19

Ihre Wahl: jeder Core, jede Leistung, jeder FunktionsumfangSkalierbare Leistungsfähigkeit für sich ändernde Anforderungen

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Sind Sie mit sich ändernden Designanforderungen konfrontiert – wieder einmal? Microchip hilft Ihnen,dem Frust und Zeitverlust, der durch diese Änderungen entsteht, ein Ende zu setzen. Microchip ist dereinzige Halbleiterhersteller, der Neuerungen für 8-, 16- und 32-Bit-Mikrocontroller, digitale Signalcontrollerund Mikroprozessoren anbietet. Durch unsere aufwärtskompatiblen Architekturen sparen Sie Zeitund Ressourcen bei der Code-Entwicklung. Zudem ermöglicht unser Entwicklungs-Ökosystem einegemeinsame Plattform über mehrere Designs hinweg. Sich ändernde Designanforderungen müssen nichtzum Problem werden – erfahren Sie wie Microchip die Arbeit einfacher macht.

DMASS-Studie: Im zweiten Quartal 2019 betrugen die Halbleiterumsätze in derRegion EMEA 2,317 Milliarden Euro.

Laut EuropäischerHalbleiterdis-tribution DMASS (Distributors’andManufacturers’ Associationof Semiconductor Specialists)gingder europäischeHalbleiter-vertriebsmarkt im zweitenQuar-tal um 1% auf 2,32 Mrd. Euro zu-rück. Italien und Russlandkämpfen, Deutschland hält sichvergleichsweise gut. Georg Stein-berger, Vorstandsvorsitzendervon DMASS: „Die Abschwä-chunghängt zusammenmit Ein-flussfaktoren, die sich auf bran-cheninterne Gründe verteilenwieÜberkapazitätenbei Erinne-rungen, langer LagerbestandbeiGroßkunden, schwacher Absatzbei Konsumgütern, Lieferanten,dieGeschäfte vonderDistributi-on zurücknehmenundanschlie-ßende Preisrückgänge. HinzukommenMakroeffekte wie Han-delskonflikte, Brexit und wirt-schaftliche Unsicherheit in der

BAUTEILEBESCHAFFUNG

Das Rekordwachstum der Halbleiterdistribution ist zu Ende

gesamten Branche, trotz ausge-zeichneter Chancen.“Steinberger weiter: „Auf Län-

der- und Regionenebene zeigtdas zweite Quartal 2019 ein sehruneinheitliches Bild: Unter denwichtigsten Märkten wuchs

Bild:D

MAS

S

Deutschland um 0,1% auf681Mio. Euro, Italien schrumpf-te um 11,3% auf 200 Mio. Euro,Frankreich verschlechterte sichum3,9%auf 155Mio. Euro, Groß-britannien (ohne Irland) wuchsum 4,2% auf 155 Mio. Euro, Ost-

europa legte um4%auf 406Mio.Euro zu und Skandinavien um3% auf 207 Mio. Euro.“AufProduktebene entwickelte

sich fast jeder Bereich negativ,mit Ausnahme einiger ausge-wählter Kategorienwie Leistung,Sensoren, Opto, Analog, Spei-cher undLogik. AnalogeProduk-tewuchsenum1,5%auf 687Mio.Euro,MOSMicro schrumpfte um5,6% auf 455 Mio. Euro, Powerwuchs um 2,6% auf 258Mio. Eu-ro, Speicherbausteine sankenum 0,8% auf 206 Mio. Euro unddie Optoelektronik verlor 8,4%auf 203 Mio. Euro. Während dieprogrammierbare Logik um 4%auf 147 Mio. Euro zurückging,verzeichnetendie übrigenLogik-bauelemente ein erneutesWachstum, und zwar um 19,3%auf 137 Mio. Euro.“ //MK

DMASS

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http://www.microchip.com/Scalable

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SERIE // POWER-TIPP


Welche Störungen zeigendie verschiedenen Schaltregler?

FREDERIK DOSTAL *

* Frederik Dostal... arbeitet als Field ApplicationEngineer für Power Management beiAnalog Devices in München.

Es gibt viele unterschiedliche Schaltreg-ler-Topologien. Der klassische Buck-Regler, auch als Abwärtswandler

(Step-Down-Regler) bekannt, istweit verbrei-tet. Daneben gibt es auch weniger bekanntegetaktete DC/DC-Wandler wie die „Zeta“-Topologie. Wir analysieren in diesem Tippdas Störpotenzial der einzelnenTopologien.Bei Schaltreglern unterscheidet man zwi-

schen grundsätzlichen und erweiterten To-pologien.Die Standard-Topologien kommenmit zwei Schaltern, einer Induktivität sowiezwei Kondensatoren aus. Hierzu zählen der‚Buck‘-Regler, der ‚Boost‘-Regler sowie dieinvertierende ‚Buck-Boost‘-Topologie. Alleanderen Topologien erfordern zusätzlicheBauelemente. So benötigt beispielsweise ein‚SEPIC‘-Regler noch eine Koppelkapazitätund eine zweite Induktivität.Neben den nicht isolierten, also nicht gal-

vanisch getrennten, Schaltreglern gibt esauchnochVarianten, in denen ein Transfor-

mator eingesetzt wird, um eine galvanischeTrennung zu realisieren.Der Systementwickler betrachtet eine

Stromversorgunghäufig als ‚BlackBox‘, alsoals Vierpol. Der Vierpol hat zwei Eingangs-leitungenund zweiAusgangsleitungen. Bild1 zeigt das Schaltsymbol fürDC/DC-Wandler,wie es in einem Blockdiagramm verwendetwird. Im oberen Teil des Bildes ist einDC/DC-Wandler dargestellt, welcher galva-nisch nicht getrennt ist, unten ist einWand-ler zu sehen, der galvanisch getrennt ist.Bei einem Symbol wie in Bild 1 gezeigt ist

erst einmal keine Information enthalten,wiestörbehaftet die jeweiligenAnschlüsse sind.Die einzelnenSchaltregler-Topologien zeigenein unterschiedliches Verhalten an den An-schlüssen des Vierpols. Bild 2 zeigt beispiel-haft einenuniversellenAbwärtswandler, denADP2441, für industrielle Anwendungen. Erwandelt 24 V am Eingang auf 3,3 V am Aus-gang. Hier ist zu erkennen, dass die Ein-gangsseite dieser Topologie gepulste Strömeverursacht und somit an der Eingangsseitesehr störbehaftet ist.Wenn der obere Schalter im ADP2441 ein-

geschaltet ist, fließt ein Strom in AnschlussA. Ist dieser Schalter abgeschaltet, fließt

durch Knoten A kein Strom. Auf der Aus-gangsseite C gibt es nur recht geringe Störun-gen. Die Induktivität imAusgangspfad stelltsicher, dass ausgangsseitig keine gepulstenStröme auftreten.Tabelle 1 fasst Informationen zum prinzi-

piellen Verhalten gängiger Schaltregler zu-sammen. In der ersten Zeile ist angegeben,welches Störpotenzial die jeweilige Topolo-gie ander Eingangsseite, also andenVerbin-dungen A und B des Vierpols, aufweist. Inder zweiten Zeile ist das Störpotenzial derjeweiligen Topologie an der Ausgangsseite,also den Anschlüssen C und D des Vierpols,dargestellt. Ein grüner Punkt bedeutet nied-rige, ein roter Punkt hohe Störungen. Durchzusätzliche Filter, beispielsweise separateLC-Filter, lassen sich leitungsgebundeneStö-rungen eines Schaltreglers stark reduzieren.So können die in Tabelle 1 angegebenenNachteile ausgeglichenwerden.Dennoch istes sinnvoll zu wissen, welche DC/DC-Wand-ler anwelchenAnschlüssenbesonders hoheStörungen zeigen. Dadurch kann der Ent-wickler bereits bei der Konzeption einenentsprechenden Filter einplanen. // KR

Analog Devices

Tabelle 1: Gängige Schaltreglertopologien und ihre Störungen am Eingang und Ausgang.

Bild 2: Aufbau eines Schaltreglers. Als Beispiel wurde ein Abwärtswandler gewählt.

Bild 1: Eine getaktete Spannungsversorgungals Black Box dargestellt.

Bild:A

nalogDe

vices

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Höchste Flexibilitätdank vielfältiger Kom-munikationslösungenSIRIUS ACT – Performance in Action

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INDUSTRIEELEKTRONIK & AUTOMATISIERUNG // INNOVATION 360°


Erfolg durch Innovations- undWissensmanagement

Interdisziplinarität ist wichtig. Aber sie erfordert Anstrengungenim Unternehmen. Der Kongress Innovation 360° liefert hierfür

wissenschaftlich erarbeitete Handlungsempfehlungen.

Interdisziplinarität? Niemand bestreitet,dass sie wichtig ist. Doch viele wissenauch: Sie ist alles andere als einfach und

erfordert Anstrengungen von allen Beteilig-ten. Der Sonderforschungsbereich „Zyklen-management von Innovationsprozessen –Verzahnte Entwicklung von Leistungsbün-deln auf Basis technischer Produkte“ (SFB768) hat sich mit insgesamt 17 Teilprojektendiese Mühe gemacht.Mit Informatik,Maschinenwesen, Psycho-

logie, Soziologie und Wirtschaftswissen-schaften decken sie ein breites Disziplinen-Spektrum ab, das sich sogar über ganz ver-schiedeneWissenschaftskulturen erstreckt.Die Forscher haben festgestellt, dass Inter-disziplinarität nicht einfach sopassiert, son-dernman siemiteinanderwollen, lernenundpraktizieren muss.Die Ergebnisse des Forschungsprojektes

werden am 17. und 18. September 2019 imRahmen des Kongresses „Innovation 360°“(www.innovation360grad.de) einer breitenÖffentlichkeit vorgestellt. Im Sinne interdis-ziplinärer Lösungen für zyklische Innovati-onsprozesse werden dort Use Cases zu Wis-sensmanagement, Inkonsistenz-Manage-ment, Change-Management und Stakehol-der-Integration erläutert.Im Rahmen der acht halbtägigen Semina-

re können die Teilnehmer auch ihre unter-nehmensspezifischenFragenmit denExper-ten verschiedenster Herkunft diskutierenoder untersuchen.

Seminar 1: Innovation bedeutetauch Ändern!Wir laden Sie dazu ein, in einem interak-

tiven Workshop die Forschungsergebnissemit Ihren eigenen Herausforderungen zuverknüpfen und so die wissenschaftlichenResultate imBereichdesÄnderungsmanage-ments anwendungsnah zu erleben. Die Er-gebnissewerden imRahmendesWorkshopsauf konkrete Problemstellungen der Indust-rieteilnehmer angewandt und durch dengemeinschaftlichen Austausch von BestPractices ergänzt.

Seminar 2: Wissen agil fürInnovationen nutzenWissen ist eine Schlüsselressource für In-

novationen und Wettbewerbsvorteile vonUnternehmen. Folglich ist effektives Wis-sensmanagement (engl. KnowledgeManage-ment) ein wichtiger Grundstein für den Un-ternehmenserfolg. In diesemSeminar lernenSie interdisziplinäres Wissensmanagementund dazugehörige „Best Practices zum Mit-nehmen“ kennen.

Seminar 3: Geschäftsmodell-innovationenDerWorkshopbetont einerseits Potentiale,

die sich ausder Integration vonStakeholdernin den Innovationsprozess ergeben. Ande-rerseits werden Risiken einer inadäquatenBerücksichtigung von Stakeholdern be-leuchtet. Sie lernen die verschiedenen Pha-sen des Innovationsprozesses kennen, wiesich Stakeholder in allenPhasen integrieren

lassen und in welchen Phasen welche Her-ausforderungen auftreten können.

Seminar 4: Inkonsistenzen inProjekten beherrschenInnovationsprojekte werden immer kom-

plexer undÄnderungszyklenwerden immerkürzer. Dabeimüssen alle Informationen imProjekt konsistent gehaltenwerden, umkos-tenintensive Fehler und Projektverzögerun-gen zu vermeiden. ImWorkshop zumThemaInkonsistenzmanagement bieten wir Ihneneinen Einblick in neueMethoden undWerk-zeuge zurHandhabungvon Inkonsistenzen.

Seminar 5: Möglichkeiten derWissenssicherungDie Bedeutung des Datenaustausches in-

nerhalb des Netzwerks der verschiedenendatenerzeugenden und -konsumierendenSoftwaresysteme im Lebenszyklus einestechnischenSystemswächst. Leiderwerdender für einen effizienten und qualitativenEntwurf notwendige Datenaustausch sowiedie Integration dieser Daten in einem Infor-mationsmodell erschwert. In diesem Semi-nar zur „Integration disziplinspezifischerInformationsmodelle im kollaborativen En-gineering“ lernen Sie AutomationML ken-nen, sowie Grundlagen und Anwendungs-hintergründe. Ziel ist eine zentralisierendeDatenlogistik die Datenquellen und Daten-senken verbindet.

Seminar 6: Expertenwissenvom Hirn ins Projekt bringenDie Aufgabenstellung dieses Seminars ist

die im Unternehmen vorhandenen Potenti-ale in den Projektalltag zu integrieren. Diepraktische Einführung in die Aufgabenstel-lung findet anhandkonkreter Beispiele statt.Dafür verwendenwir für diesen spezifischenEinsatz bekannte Methoden, wie DesignThinking und der TRIZ zur Freisetzung vonPotentialen. Eswerdenkonkrete Lösungsan-sätze vorgestellt und deren Umsetzung be-sprochen. In Kleingruppen werden die Teil-nehmer die Lösungen selbst erarbeiten.

Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser, TU München:„Damit wir den Anschluss im internationalenVergleich nicht verlieren, müssen wir, vereinfachtgesagt, die für den Kunden bessere, effizientereLösung in immer kürzerer Zeit entwickeln und liefernkönnen. Und genau dafür ist Innovationsmanage-ment absolut wichtig.“

Bild:TUMün

chen

/SebastianUlew

icz

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http://www.innovation360grad.de

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INDUSTRIEELEKTRONIK & AUTOMATISIERUNG // INNOVATION 360°


Anschließend werden die Ergebnisse undderen Potential bewertet.

Seminar 7: ModellbasiertesDigital Twin EngineeringZur Umsetzung und Nachverfolgbarkeit

eines Digital Twin Engineeringsmüssen ne-ben 3DCAD-Modellen auch logischeModel-le, die Abläufe und das Verhalten eines Sys-tems kontinuierlich über die Zeit erfassen,Berücksichtigung finden. ImdiesemSeminarzu modellbasiertem Digital Twin Enginee-ring stellen die Referenten Ihnen ein Rah-menwerk zur Verbindung von Hardware,Software, Laufzeit und Simulation durchverzahnteAusführungsschleifen vor. Sie ler-nen kollaborative Modelle kennen undwer-den in das Konfigurationsmanagement ein-geführt.

Seminar 8: Wertschöpfungdurch Smart ServicesProduzierendeUnternehmen desMaschi-

nen- undAnlagenbaus forcieren gegenwärtigvielfach denWandel vom ProduktherstellerzumServiceanbieter. Dabei stehen insbeson-

dere digitale Services – sog. Smart Services– im Fokus. Die erforderlichen hybridenWertschöpfungssysteme zur Erbringungvondigitalen Smart Services unterscheiden sichjedoch grundlegend von den Systemen, diein den klassischen, hardwaregetriebenenUnternehmen vorherrschen.

Rahmenprogramm undAnmeldungDie acht vorgestellten Seminare erstrecken

sich über zwei Tage undwerden am 18. Sep-tember von einer Vortragsreihe flankiert, in

der 13 Experten Impulse zu einzelne Aspek-ten eines erfolgreichen Innovations- undWissensmanagement geben. Darunter auchdie Keynote von Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser, Sprecherin des SFB 768 der Techni-schen Universität München. Ihr Thema ist„Forever Young Software – Wie kann manSoftwareevolution managen?“.Alle Informationen und das ausführliche

Programm zum Kongress finden Sie onlineunter www.innovation360grad.de. // JW

ELEKTRONIKPRAXIS

Sonderforschungsbereich „Zyklenmanagement von Innovationsprozessen“: Das Projektteam des SFN 768vereint Expertinnen und Experten aus Informatik, Maschinenwesen, Psychologie, Soziologie und Wirt-schaftswissenschaften und erstreckt sich über ganz verschiedene Wissenschaftskulturen.

Bild:TUMün

chen

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INDUSTRIEELEKTRONIK & AUTOMATISIERUNG // INDUSTRIAL NETWORKING


Integration eines OPC UA-Serversin ein Profinet-DeviceTPS-1 ist eine Single-Chip-Geräteschnittstelle für Profinet zur

schnellen, unkomplizierten Integration in das Automatisierungsgerät.Der Artikel erklärt die Integration des Chips in das Device.

ANDREAS GRÜNE, MARTIN SCHÜRMANN UND ANDRÉ SONNWALD *

* Andreas Grüne... arbeitet im Research & Development Profinetbei Phoenix Contact Software, Lemgo.

Ein essentieller Bestandteil zur digitalenVernetzungderAutomatisierung inderIndustrie-4.0-Umgebung ist OPC UA.

Um echtzeitkritische Prozess- und Steue-rungsdaten zu verarbeiten, braucht die Da-tenübertragung in Industrie-4.0-Anwendun-gen keine neue industrielle Kommunikati-onslösung.Denn tatsächlich geht es umdenDatenaustausch mit anderen Systemen au-ßerhalb der reinen Steuerungsebene, bei-spielsweise in der Hallen- oder Leitebenerespektive der Produktionsplanung. Hierkann OPC UA die notwendige Datenschnitt-stelle vereinheitlicht über Ethernet zur Ver-fügung stellen.Der IEC-Standard Open Platform Commu-

nication (OPC)UnifiedArchitecture (UA) vonder OPC Foundation kommt im Umfeld vonProfinet immerhäufiger als zusätzlicheÜber-tragungsschnittstelle zur Anwendung. DieOPCFoundation ist ein Industriekonsortium,das Standards für die offene Konnektivitätindustrieller Automatisierungsgeräte und-systeme wie Industrie- und Prozesssteue-rung erstellt undverwaltet. Profinet (ProcessField Network) ist der offene Industrial-Ethernet-Standard der PROFIBUS-Nutzeror-ganisation e.V. (PNO) für die Automatisie-rung.Der OPC UA-Server kann über die vorhan-

deneProfinet-InfrastrukturDatenund Infor-mationen der Automatisierungsgeräte zu-gänglich machen. Entsprechende Anforde-rungen ergeben sich aus der Einführung derIndustrie-4.0-Kommunikation. Es handeltsich alsonicht darum, einenneuenStandard

CompanionSpecification schafft dieVoraus-setzung, Profinet-spezifische Daten auf ei-nemOPCUA-Server für Profinet-Gerätetypenanzubieten.Mit diesemSchritt kannauch einDevice Infrastrukturdaten zur Verfügungstellen, die auf einem gemeinsamen Infor-mationsmodell aufbauen. So lässt sich eineKompatibilität zwischen verschiedenen Ge-räten erreichen.Der TPS-1 ist ein Profinet-Kommunikati-

onscontroller, der Profinet RT und IRT (Con-formance Classes A, B, C) in allen Ausprä-gungen unterstützt. Der TPS-1 umfasst eineleistungsstarkeCPU,welchedieBearbeitungdes Profinet-Stacks sowie die Steuerung desEthernet-Verkehrs übernimmt.Auf dieseWei-se wird die Applikation von der Kommuni-kation in dem Netzwerk entlastet. Die inter-nen Datenwege des ASICs sind für Profinet-Daten in Hardware ausgeführt und damitsehr schnell. Über die SPI-Slave-Schnittstel-le lässt sich ein Applikationsprozessor an-schließen, der mit einer Übertragungsratevonmaximal 25MHzDatenmit demKommu-nikationsprozessor austauschen kann. Einebenfalls möglicher paralleler Anschlusserlaubt eine weitere Leistungssteigerung.Der TPS-1, der einemittlereVerlustleistung

von 800 mW hat, eignet sich insbesonderefürAnwendungen in kleinen, geschlossenenGehäusen. Er bietet zwei Ports, sodass einDevice sowohl in einer Stern- als auch Lini-enstruktur arbeiten kann. Als Basis für denTPS-1 sind ein Evaluation Board (Renesas)sowie eine Testbaugruppe (PhoenixContact)verfügbar. Ein Raspberry PI 3 mit 1,2 GHzQuad Core, 1 GByte DDR2 und einem Mi-croSD-Karten-Port fungiert als Entwick-lungsbaugruppe für die Beispielapplikation.Der Einplatinen-Computer beinhaltet zahl-reiche Schnittstellen, einengroßen internenSpeicher sowie Raspbian (Linux) als Be-triebssystem. Somit erweist er sich als ideale,kostengünstige Entwicklungsplattform.Sämtliche erforderlichenEntwicklungswerk-zeuge (wie Compiler, Editor, RemoteDesktop

Bild 1: Anwendung eines Raspberry PI als Profinet-Controller und TSP-1 Device mit OPC UA-Server.

Bild:Pho

enixContact

Martin Schürmann...entwickelt Firmware Bus Coupler und

André Sonnwald... ist im Development Firmware tätig, beide arbei-ten bei Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont.

für Prozess- undSteuerungsaufgaben zude-finieren, sondern mit dem Konzept einerserviceorientierten Architektur (kurz SOA)entsprechende Informationsmodelle zur Be-schreibung vonGerätenund ihrenFähigkei-tenbereitzustellen (Controller-to-Controller/Leitebene/Cloud).In diesemUmfeld findenderzeit viele Ent-

wicklungen und Normungen statt. Aktuellwird für Profinet eine Companion Specifica-tion erarbeitet,wobei dasnachfolgendeBei-spiel auf dembisherigen Stand aufsetzt. Die

Bild 2: Der typische prinzipielle Aufbau einesProfinet-OPC UA-Geräts.

Bild:Pho

enixContact

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oder Cloud-Dienste) sind zudem frei erhält-lich. Neben dem OPC UA-Server ist die hierskizzierte Beispielapplikation ebenfalls aufdem Raspberry PI 3 implementiert worden.Ziel des Projekts war die Verwendung einermöglichst einfachenApplikation.Daherwer-den lediglich zwei Byte Ein- undAusgabeda-ten weitergeleitet. Das reicht aus, um auchdie Anwendung mit dynamischen Daten zuzeigen. Die OPC UA-Kommunikation fokus-siert sichnicht auf dieÜbertragung vonPro-zessdaten; dazu wird Profinet genutzt. DerOPC UA-Server stellt vielmehr eine Schnitt-stelle bereit, die Informationen über dasDevice liefert (Bild 2).

Der detaillierte Aufbauder BeispielapplikationDiehier vorgestellteGerätelösungbesteht

aus einem TPS-1 Evaluation Board, das eineProfinet-Schnittstelle, die Ethernet-Steckver-binder und ein DPRAM als Schnittstelle zurApplikationsbaugruppe enthält. Hinzukommt die Raspberry PI-3-Baugruppe, aufder die Applikation und der OPC UA-Serverintegriert worden sind. Als Betriebssystemwird Raspbian, ein für Raspberry angepass-tes Linux, eingesetzt. Die Profinet-Kommu-nikation läuft parallel zur Ethernet-Übertra-gung auf der gleichen Leitung. Der TPS-1bietet den TCP/IP-Kanal an. Über diesen in-ternen Kanal können Ethernet-Nachrichten(beispielsweise der TCP/IP-Verkehr) ohneUmwandlung vomProfinet-Netzwerk andenRaspberry PI 3 durchgeleitet werden.Der OPC UA-Server umfasst bereits einen

optimierten TCP-Protokoll-Stack (Binärpro-

tokoll, Port 4840). Die KommunikationwirdvonderOPCFoundation inFormeines StackszurVerfügung gestellt. Für die beschriebeneServer-Applikation kommtopen62541 (OpenSource Implementation of OPC UA der IEC62541) zur Anwendung. Die Kommunikati-onsschicht stellt ebenfalls einen Secu-reChannel (Service Set) bereit, mit dem eingesicherter Kanal zwischen einem OPC UA-Client und einem OPC UA-Server aufgebautwerden kann. Darüber hinaus gehören Zu-griffsfunktionen für die Lieferung derDatenan den OPC-Client zum Server (Bild 3).OPCUAdefiniert verschiedeneDiscovery-

Mechanismen zur Bekanntmachung vonOPC UA-fähigen Teilnehmern sowie derenFunktionen und Eigenschaften. Damit kannein OPC UA-Client schon vorhandene Datenabfragen. Die Datenstruktur des OPC UA-Servers besteht aus demBasisgerätemodell.

Ergänzend dazu lassen sich eine oder meh-rere CompanionSpecifications sowie für denHerstellerwichtigeModelle hinzufügen.DerVorteil einer solchenGliederung liegt imein-heitlichen Datenaustausch zwischen Anla-gen, Maschinen und Geräten unterschiedli-cher Hersteller.

Das Informationsmodelldes OPC UA-ServersEinOPCUA-Server besitzt ein leistungsfä-

higes Informationsmodell. Der Adressraumdes Servers basiert auf einem vollständigvernetzten Graphen. Die Daten werden inNodes (Knoten) abgelegt. DerNode stellt dasgrundlegendeElement derOPCUA-Kommu-nikation dar. Nahezu jedes Element ist aufeinenKnoten reduziert, der einemObjekt ausder objektorientierten Programmierung äh-nelt. Der Node besitzt Attribute, die gelesen

Bild 3:Strukturmodelleines OPC UA-Servers.

Bild:Pho

enixContact

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werden können. Ein einzelner Knoten lässtsichmit OPCUA-Funktionalitäten (wie DataAccess oder Commands) koppeln. Er ist miteinem eindeutigen Identifier (NodeID) aus-gestattet. Nodes, die zum Beispiel zu denProfinet-Daten gehören, werden zu einemNamespace zusammengefasst, der wieder-um durch einen eindeutigen Identifier auf-findbar ist. Zum einfachen Zugriff auf einenNamespace wird oftmals ein Namespace-Index verwendet (etwa „ns=3; i=54438“), hierProfinet-Namespace. Der Namespace 0 istdemBasis-NodeSet derOPCFoundation vor-behalten.Das beschriebene Beispiel greift auf das

Basismodell zurück, das den Namespace 0repräsentiert und um den bisherigen Standder Profinet Companion Specification (hierNamespace 3) erweitert wird. Ein Arbeits-kreis der Profinet-Nutzerorganisation er-gänzt die Profinet CompanionSpecification,die sichnoch inderDefinitionbefindet, suk-zessive. Während seines Startvorgangs for-dert der Server seinen Node-Manager dazuauf, denAddress Space zu erstellen, also dienotwendigen (statischen) Nodes.

XML-formatierter Exportmit dem UA ModelerZur Modellierung der Datenstrukturen

kommt der UA Modeler der Firma UnifiedAutomation (Kalchreuth bei Erlangen) zumEinsatz.Mit demWerkzeug lassen sichbelie-bige Daten und Strukturen entwerfen. DieOPC UA-Umgebung umfasst bereits vieleBuilt-in-Datentypen wie Boolean, Byte oderByteString. Diese werden dann den Node-Classes (Object, ObjectType etc.) zugeordnet.Der UA Modeler kann das definierte Daten-modell XML-formatiert exportieren. Damitliegt eine Form vor, die sich nach der Über-setzung in den OPC UA-Server einbinden

lässt. Das Software Development Kit (SDK)für open62541 beinhaltet einen XML-Node-Set-Compiler. Bei einemNodeSet handelt essich um eine Menge von Knoten (ein OPCUA-Knoten gehört genau zu einem Node),dem ein eindeutiger Name (Namespace) zu-gewiesen wird. Der Compiler übersetzt dieXML-Dateien, welche die Datenstruktur desBasismodells und der Profinet CompanionSpecification enthalten, in C-Quellen (*.c-und *.h-Dateien). Folgende Schrittemüssenvollzogen werden: Modellkonvertierung in C-Quellen (XML-NodeSet-Compiler), Nutzung (Einbindung) der generiertenStrukturen (Objekttypen, Methoden), Einlesen der TPS-1-Daten und Beschrei-ben der Nodes.Somit ist der vollständige Server vorhan-

den. Für den TPS-1 bedeutet das, dass sich

die Daten, die ein Profinet-Device bislangüber Information & Maintenance (I&M) lie-fern kann, nun auch mit Hilfe des OPC UA-Informationsmodells bereitstellen lassen.Für den Anwender sind sicher noch weitereDaten von Bedeutung, um die das Informa-tionsmodell des OPC UA-Servers erweitertwerden kann (Bild 4).

Sichere Datenübertragungin der KommunikationsschichtWie erwähnt, erfolgt der Datenaustausch

auf der Netzwerkebene über ein OPC-spezi-fisches binäres Protokoll auf Basis von TCP/IP. In derKommunikationsschicht sichert derService „SecureChannel Service Set“ dieDa-tenübertragung bis auf die Ebene der Appli-kation ab.Der Client kann sodie Sicherheits-konfiguration des Servers abfragen und ei-nen Kommunikationskanal einrichten, derfür die Vertraulichkeit und Vollständigkeit(Integrität) der weitergeleiteten Meldungensorgt. Auf dem gesicherten Kanal stellt dasSessionService Set die anwenderspezifischeVerbindung zu einer Applikation her. BeimTest und der Inbetriebnahme der Beispiel-Applikation waren die UA-Experten derFirma Unified Automation behilflich.Bild 5 zeigt die Software-Architektur der

Raspbian-Applikation.Das indenRaspberryPI 3 integrierte BetriebssystemRaspbian (Li-nux) unterstützt die SPI-Slave-Schnittstelledes TPS-1 nicht vollständig. Daher ist in derdargestellten Implementierung ein anderer,einfacherer Weg verwendet worden. Dazuwurde einKernel-Modul (tpsmodule.ko) ein-gefügt, das einen Teil der Profinet-Applika-tion des Devices enthält. Durch den Aufrufeines Character-Devices (/dev/TPS-1) überdas „SystemCall Interface“ kann eineAppli-kation die Profinet-spezifischen Daten vomTPS-1 im User Space abholen und dem OPCUA-Server zur Verfügung stellen. Zur Initia-lisierung des OPC UA-Servers – hier insbe-sondere der Teil der Profinet CompanionSpecification – sind Funktionen implemen-tiertworden, die denServermit den erforder-lichen Daten versorgen, zum BeispieladdDev(), CreateDev() oder CreateMod().Schlussbemerkung:OPCUA ist ein ausge-

reifter Standard, mit dem sich die Anforde-rungen von Industrie 4.0 hinsichtlich derInteroperabilität lösen lassen. Am Beispieldes Profinet-KommunikationscontrollersTPS-1 und des Betriebssystems Raspbianwirddeutlich, dass dieVoraussetzungen zurzügigen Implementierung inzwischen gege-ben sind und ein Device mit einem OPC UA-Server ausgestattet werden kann. // KU

Phoenix Contact

Bild 4:Der Aufbau einerSecure Sessionzwischen demOPC UA-Serverund dem OPCUA-Client.

Bild:Pho

enixContact

Bild 5: Die Software-Architektur der Raspbian-Applikation aus dem beschriebenen Beispiel.

Bild:Pho

enixContact

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ELEKTRISCHE ANTRIEBE IM INDUSTRIE-4.0-VERBUND

Direkte Integration von Getriebemotoren via IO-Link in die SPSDurch das schnelle und präziseMessen von Strom und Span-nung erfasst TorqueControl4.0zyklisch Drehmomentverläufeundwertet sie aus. Auf dieseWei-se kann über die integriertenLeistungshalbleiter sehr schnellbei auftretender Überlast abge-schaltet oder eine einfachePosi-tionierung von Achsen über dasDrehmoment ausgeführt wer-den. TorqueControl4.0 ist miteiner (elektronisch parametrier-baren)Überlastkupplunggleich-zusetzen. Auch eine exakte Aus-wertung des Motors im Lastkol-lektiv ist dadurch möglich. Mitdieser Lösung lässt sich einnetz-betriebener Standard-Getriebe-motor vonBauerGear in die stan-dardisierte und feldbusunab-hängige Industrie 4.0-Kommuni-

nung oderWirkleistung. Die Pa-rameter sind so einstellbar, dassder Antrieb im Falle einer Über-lastung abschaltet, umSchädenam Antriebsstrang zu vermei-den. Gleichzeitig kann Torque-Control4.0 den Anlaufstromwiebei einem herkömmlichen Soft-start begrenzen.Darüber hinauskann TorqueControl4.0 im Rah-men der kontinuierlichen Last-punktüberwachung die Magne-tisierung des Motors durch dieEinstellung der Spannung än-dern. Dadurch erhöht sich derWirkungsgrad des Motors imTeillastbereich um bis zu 25%.Diese Lösung braucht keinenFrequenzumrichter.Maßgeblichist, dass das System die Lastda-ten vom Getriebemotor in Echt-zeit ermittelt, weiterleitet und

diese Informationenan eine zen-trale Steuerungübermittelt. Die-se Daten werden dann zentralverarbeitet. Über das Netzwerkist der Betriebsmodus elektro-nisch ein- und ausschaltbar.Durch Integration in den An-schlusskasten ist TorqueCon-trol4.0 bis IP65 geschützt und füreineVielzahl vonAnwendungenmit einer Leistungsaufnahmevon bis zu 3 kW ausgelegt. Ein-satzbereiche:Materialtransport,Intralogistik oder bei Prozessen,die unter Last angefahren wer-den und eine schonende Leis-tungsabgabe erfordern. Durchdie kontinuierliche Datenerfas-sung erfüllt die Lösung die An-forderungen einer Smart Factory.

Bauer Gear Motor

kation integrieren. Entwickeltwurde diese Technik von denBauer-Gear-Ingenieuren, nach-dem sie die Aufgabe erhielten,eine Alternative zu mechani-schen Überlastkupplungen zufinden. TorqueControl4.0 führtzur Betriebszustandsüberwa-chung und selbstständigen Ab-schaltungdesDrehmoments beigleichzeitiger Bereitstellung vonZustandsdatenwie Strom, Span-

Die Niedrigprofil-PCB-Steckverbinder von TE Connectivity (TE) sindideal für LED-Beleuchtungsanwendungen.Mit bis zu sechs verschiedenen Steckerkonfigurationen lassen sichdiverse Anforderungen an die Lichtgestaltung abdecken. Der trenn-bare Steckverbinder ist unter seiner Oberseite mit einem integralenKontaktentriegelungsmechanismus ausgestattet.

Dieser Mechanismus wird durch mehrfaches Umstecken wederbeschädigt noch beeinträchtigt und es sind keine speziellenWerkzeuge erforderlich. Diemodulare Ausführung dieses trennbarenSteckverbinders sorgt für Flexibilität bei der Konzeption und Kon-figuration von Lichtführung und Farbgestaltung und sie ermöglichteine problemlose Identifizierung.

STECKVERBINDERBUCHANANWireMateFür weitere Informationen stehen wir Ihnen sehr gerne unter +49 (0) 8142 6680 0 oder [email protected] zur Verfügung.

Bild:B

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INTERNET OF THINGS // DIENSTE


Die Funkspezifikation vonSigfox ist jetzt offen

Das 0G-Funkprotokoll von Sigfox ist seit Februar dieses Jahresveröffentlicht und Hersteller haben die Möglichkeit, die Vorteile fürihre Produkte zu verwenden. Wir zeigen, was das im Detail bedeutet.

ALEXANDER LEHMANN *

* Alexander Lehmann... ist Technischer Manager PreSalesbei Sigfox in Grasbrunn bei München.

Sowohl in der Logistik als auch im Sup-ply ChainManagementmüssenWarenschnell erfasstwerden.Das beginnt bei

großenFrachtcontainer bis hin zur einzelnenPalette. Dabei ist es nicht nurwichtig zuwis-sen, wo aktuell die Ware ist, sondern mankanndie aktuell vorherrschendenTransport-bedingungen überwachen. Hier helfen Sen-soren, um konsequent die Temperatur und

Luftfeuchte imLadebehälter zuüberwachen.Mit dem sensorischen Monitoring lässt sichauf kritische Abweichungen von den gefor-derten Rahmenbedingungen reagieren, umbeispielsweise Lebensmittel, Medikamenteundandere empfindlicheWarenvor Schädendurch Überhitzung oder Feuchtigkeit zu be-wahren. Hilfe verspricht Sigfox mit seinemweltweit verfügbaren 0G-Netz, das auf einerenergieeffizienten Datenübertragung ba-siert, um Milliarden solcher Sensoren flä-chendeckendmit dem Internet zu verbinden.Das TrackingundMonitoring vonWarenundGeräten stellt dabei nur eines vonunzähligenAnwendungsgebieten für IoT-Geräte dar. Im

Netzwerk sind aktuell über 650Herstellermitrund 1070Sigfox-fähigenProduktengelistet.In Zukunft soll dasAngebot nochdeutlich

ansteigen,was Sigfox imFebruar dieses Jah-res mit der Veröffentlichung seines Funk-standards nachhaltig forciert hat. Denn biszudiesemZeitpunktwar das Sigfox-0G-Netzund alle dafür entwickelten Komponentenund Dienste ein nahezu komplett geschlos-senes System. Details zum Funkstandardsamt Übertragungsprotokollen wurden bisdahin nur an die Partner oder auf AnfrageundnachUnterzeichnung einesNonDisclo-sure Agreements weitergegeben. Damit hat-te Sigfox die Möglichkeit, auf die Anzahl

Kommunizierende Dinge: Sigfox hat sein 0G-Netz für Dritte geöffnet, die jetzt Hardware an ihre Bedürfnisse anpassen können.

Bild:m

etam

orworks

-stock.ado

be.com

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neuer Geräte einzuwirken, was vor allem inderAufbauphasedes LPWANs für Planungs-sicherheit sorgte. Doch Einsatz findet das0G-Netzweltweit in denunterschiedlichstenAnwendungsfällen.

Günstige ASIC-Entwicklungwird möglichBisherwaren es vor allemdie großenHalb-

leiterhersteller, die sichmit der Entwicklungund Fertigung von ICs für Sigfox in entspre-chend großen Stückzahlen befassten. Dochsolche Standardkomponenten sind nichtimmer das Mittel der Wahl, da sie zur Ent-wicklung spezieller ASIC-Designs zu großoder schlicht zu teuer sind. Durch dieOffen-legungder Funkspezifikation lässt sichdieseProblematik lösen. Laut Sigfox-Geschäfts-führer Wosylus werden davon vor allemASIC-Hersteller profitieren, die mit ihrenProdukten auf einenMarkt zwischen 20Centund zwei Euro abzielen. Mit den notwendi-genSpezifikationen lassen sich eigeneASICsmit integrierter Sigfox-Technik entwerfenundmit unterschiedlichenoder angepasstenFunktionsblöcken testen.Hat sich einKundefür ein Design entschieden, kann das ASICauch in entsprechend großer Stückzahl pro-duziertwerden.Dankder offenenSpezifika-tionen verspricht sich der 0G-Netzbetreiberviele neue Akteure mit zusätzlichen span-nenden Anwendungsmöglichkeiten.

Von Aufbau und Inhaltder SpezifikationTatsächlichbezieht sichdie veröffentlich-

te Spezifikation nicht auf das gesamte Netz-werk vonSigfox, sondern ausschließlich aufdieKommunikationder einzelnenGerätemit

denBasisstationen.Unddas sind auchgenaudie Informationen, die einUnternehmenbe-nötigt, umeigeneASICs entwickelnundher-stellen zukönnen.Die gesamte Infrastrukturinklusive den Basisstationen, der entspre-

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chenden Cloud und den Schnittstellen zudenKundenanwendungen sind auchweiter-hin durch Patente geschützt. Somit beziehtsich der Inhalt der veröffentlichten Spezifi-kationen zum einen auf die technischen Vo-

Bild 1:Unterschiedliche Fre-quenznutzungsverfah-ren verlangen jeweilsunterschiedlicheZeitintervallkonfigu-rationen, wie für eineSingle-Frame-Uplink-Message in Europa(DC), Nordamerika(FH) und Japan (LBT).

Bild:Sigfox

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raussetzungen, die das Funk-Modul eineseinzelnen Geräts erfüllen muss, und zumanderen auf den Protokoll-Stack, der fürUplink- und Downlink-Übertragungen ge-nutzt wird.Der erste umfassendeAbschnitt in der ver-

öffentlichten Spezifikation bezieht sich aufdas Design des Funk-Frontends. Unter „Ra-dioHardware Engineering“ in Sektion 2wer-den alle grundlegenden Informationen zu-sammengefasst, die für das Design des Sig-fox-Funk-Moduls erforderlich sind.Hier gehtes umdieNutzungder lizenzfreienFrequenz-bänder, die in verschiedenen Regionen anunterschiedliche Restriktionen geknüpft ist(Bild 1). In Europa beispielsweisemuss einerelative Frequenzbelegungsdauer eingehal-ten werden, die auch als Duty Circle (DC)bezeichnet wird. Ein solches Endgerät nutztfür Uplink-Übertragungen den in etwa200 kHz breiten Korridor zwischen 868,030und 868,230 MHz, darf das Spektrum miteiner Breite von 100 Hz nicht länger als 36Sekunden pro Stunde belegen. In anderenLändernoderKontinenten sindnicht nur diezur Nutzung freigegeben Frequenzbänderunterschiedlich, sondern ebenso die Regle-mentierung der Frequenznutzung. In Nord-amerika ist das Frequency Hopping (FH)beispielsweise Pflicht, während Japan dieNutzung seiner lizenzfreien Bänder per Lis-ten Before Talk (LBT) reglementiert.Die Endgeräte müssen deshalb je nach

Einsatzortmit dengefordertenFrequenznut-zungsverfahrenundden zurNutzung freige-gebenen Frequenzbändern klarkommen.Außerdem müssen sie sich an die jeweiligemaximale Leistungsbeschränkunghalten. Inder Spezifikation werden diese regional ab-

weichenden FrequencyRanges in sechs ver-schiedene Radio Spezifications aufgeteilt,die mit RC1 bis RC6 abgekürzt werden. Zubeachten ist außerdem, dass es FrequencyRanges für den Uplink, also für das Versen-den von Daten zu den Basisstationen, undsolche für den Downlink gibt, wenn Datenvomempfangenwerden sollen. ImAbschnitt2.4 geht die Sigfox-Spezifikation auf die Sen-decharakteristiken wie Sendeleistung,Uplink-Modulation oder Tx-Spektrum undauf die Empfangscharakteristikenwie Emp-findlichkeit oder Störresistenz eines Endge-räts ein.

Wie die Endgeräte ihreNachrichten versendenIn der Sektion 3 der Spezifikationwird be-

schrieben, wie eine Nachricht von einemEndgerät über denUplink-Protokoll-Stack andieBasisstationenvonSigfox verschicktwird(Bild 2). Die Kommunikation wird in einemvon obennach unten laufenden Schichtmo-dell dargestellt, das ganz oben von der An-wendungsebenemit dem Inhalt der zuüber-tragenden Daten startet und bis ganz untenzur physikalischen Übertagungsebenedurchläuft, in der die Informationen auf dieTrägerfrequenz moduliert werden. Die zuübertragendeNachrichtwird alsULMessageContent oder UL-Payload bezeichnet (UL =Uplink) und zunächstmit einemHeader ver-sehen. Danach wird das Framemit demUL-Auth-Parameter versehen, sodass der Emp-fänger im Sigfox-Backend die Integrität undAuthentizität des übertragenenFrames prü-fen kann. Im Bereich CRC und Convolutiongeht es umdie ErkennungvonÜbertragungs-fehlernmit Prüfsummenundumdas korrek-

te Zusammenführung von Nachrichten, diesich ausmehrerenFrames zusammensetzen.Über die Preamble lässt sichderAnfang einerNachricht detektieren.Über das Frame-Type-Feld sindDetails über die LängeunddenTypdes Uplink-Frames ersichtlich. Die letzteProtokollebene, die Modulation, in der dieNachricht über das Funkbandgesendetwird,entspricht dem zuvor besprochenen Ab-schnitt 2 der Spezifikation.

Die Downloads werden perUplink-Message gesteuertDieEndgeräte für Sigfox könnennicht nur

Daten versenden (Uplink), sondern auchempfangen (Downlink). Der Nachrichten-empfang wird über den Downlink-Protocol-Stack geregelt. Entscheidend für eineDown-link-Übertragung ist, dass diese grundsätz-lich von dem Endgerät eingeleitet wird, dasden Download erhalten soll. Dadurch sindDownloads im Netz von Sigfox energiespa-rend für das Sigfox-Device, da es nicht stän-dig empfangsbereit sein muss. Der DL-Pro-tokoll-Stack ist mit einer Fehlerkorrekturausgestattet,womit sichdas erneuteVersen-den einer Downlink-Message vermeidenlässt. Konkrete Details nennt die Bidirectio-nal Procedure, die mit B-Procedure abge-kürzt wird und beschreibt, wie eine Down-link-Übertragung von einem Endgerät initi-iert wird. Dabei sind, abhängig von der je-weiligen Region und dem dort verwendetenFrequenzverfahren (DC, FH, LBT), insgesamtzwölf verschiedenenZeitintervallkonfigura-tionenmöglich.Im letzten größerenAbschnitt der Spezifi-

kation geht es um die unterschiedlichen Ar-ten von Nachrichten zwischen den Sigfox-Endgeräten und -Backend, wie sich dieseNachrichten oder Endpoint-Messages zu-sammensetzen und welche Informationenoder Payload der Nachricht enthalten oderenthalten können. Die maximal möglichePayload liegt beispielsweise bei einemWertvon 12 Bytes. Eine Keep-Alive-Control-Mes-sage hingegen hat eine Payload von 0 Byte,da in diesem Fall die Nachricht selbst dieInformation darstellt = „Ich bin aktiv“.Für die Zukunft wird es interessant zu se-

hen sein, welche neuen Produkte insbeson-dere die Hersteller von ASICs durch die Öff-nung des Sigfox-Standards entwickeln wer-den. Natürlich werden die neuen Akteureihre Endgeräte für Sigfox zertifizieren müs-sen, damit sie über das Netzwerk kommuni-zieren können. Es ist davon auszugehen,dass die Zertifizierung selbst schneller undkostengünstiger werden wird. // HEH

Sigfox

Bild 2: Der Uplink-Protocol-Stack beschreibt wie eine Nachricht (Message) verpackt wird und per Funksignal(Modulation) vom Sigfox-Endgerät an die Sigfox-Basisstationen gesendet wird.

Bild:Sigfox

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AKTUELLE PRODUKTE // INTERNET OF THINGS

CLOUD-ANWENDUNG

Sensordaten wandern zum Fernwarten per Gateway in die Cloud

Sensordaten aus der Ferne verwalten: Über das Gateway io-key wandernSensordaten in die Cloud und lassen sich auf dem Dash bearbeiten.

Bild:autosenWer in der Messtechnik vom In-

ternet der Dinge (IoT) spricht,meint häufig die Anbindung ei-nes oder mehrerer Sensoren inein Netzwerk. Hier kommt dassogenannte EdgeComputing insSpiel. Die Sensordaten dort zuverarbeiten, wo sie generiertwerden. Anwender, die unab-hängig vom Hersteller verschie-dene Sensordaten ohne großentechnischen Aufwand sammelnund auswerten wollen, könnenauf io-key des Herstellers auto-sen zurückgreifen.Laut Anbieter lassen sich ak-

tuell bis zu 6000 Sensoren von200 Herstellern per Plug-and-play indie Cloud senden. Für denio-key, also den Gateway, wirdlediglich eine Stromversorgungmit 24 VDC benötigt. ZusätzlicheHard- und Software ist nicht er-forderlich. Im Gegensatz zu her-kömmlichenLösungenkannderio-key in unter einer Minute inBetrieb genommen werden. DerHersteller verspricht, dass An-wender in drei Schritten ihreSensordaten uneingeschränktonline einsehen und verwaltenkönnen.Neben einem Stromanschluss

wird der io-keymit IO-Link-fähi-gen Sensoren verbunden. Über

das standardisierte IO-Link-Pro-tokoll erkennt das Gateway dieSensoren automatisch und un-abhängig vom Hersteller oderGerätetyp.Nebenden6000Sen-soren lässt sich auch einebereitsvorhandeneSensorik anbinden.Im nächsten und letzten Schrittwird nach dem Einloggen in derautosen.cloud ebenfalls automa-tisch ein kundenspezifischesDashboard erzeugt. Dortwerdendie Sensordaten unmittelbar vi-sualisiert. Die Bandbreitemögli-

cherAnwendungen ist vielfältig,da Sensordaten ohne Eingriff indie IT-Infrastruktur standortun-abhängig über Narrowband-IoT(NB-IoT) übertragen werden.Genutzt wird Cumulocity derSoftwareAG.Verfügbar sind vierPakete mit unterschiedlichenPreisen.Das reicht von fünf Euroim Monat, um beispielsweiseFüllstände oderGrenzstände ab-zufragen. Hier kann man davonausgehen, einmal am Tag Datenzu übertragen. Wer häufiger sei-

ne Sensordaten abfragen will,sollte auf einenhäufigeren Inter-vall zurückgreifen.Mit 17,50Europro Monat und alle zehn Sekun-den ist es das teuerste Modell.Somit lassen sich auch kritischeAnwendungenüberwachen.Au-ßerdemkannderNutzer sich beiWerteänderung per E-Mail undSMSbenachrichtigen lassenundeinfache Schalt- und Steue-rungsaufgaben durchführen. Eskommt noch eine einmalige Ge-bühr von 249 Euro auf den An-wender zu.Die Sensordatenwer-den von autosen über einen ge-schützten VPN-Tunnel übertra-gen und die Datensicherungerfolgt in Deutschland. Für dieDatenübertragung kommt NB-IoT zum Einsatz. Sie ermöglichteinen unterbrechungsfreien Da-tentransfer selbst unter ungüns-tigen räumlichen Bedingungenwie in Funklöchern andererNet-ze. So können auch abgelegenelandwirtschaftliche Betriebe inGebieten mit schwacher Mobil-funkabdeckung den io-key nut-zen. An Standorten, an denendasNB-IoT-Funknetz nochnichtvollständig ausgebaut ist, greiftdas Gateway auf 2G zurück.

autosen

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Wireless Connectivity für Industrie 4.0

Würth Elektronik bietet maßgeschneiderte Funklösungen für Maschinen,Steuerungssysteme und 3D-Darstellungen für Industrie und Technik.Kundenspezifische Software-Anpassungen sind für alle Funkstandardsvon 169 MHz bis 2.4 GHz im Bereich proprietär, Bluetooth, Wireless M-Busund WiFi verfügbar. Persönliche Beratung durch direkten Ansprechpartnervor Ort und Unterstützung mit Evaluation-Kits zum Testen.

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INTERNET OF THINGS // AUDIOSYSTEME


Audio-Appliances fürdas Smart-Home entwickeln

Das Vernetzen elektronischer Geräte zuhause ist gefragt wie nie.Sprachsteuerung und Audioausgabe spielen in vielen Anwendungeneine zentrale Rolle. So lassen sich diese Funktionen integrieren.

ZACHARY KINGSAK UND AVI YASHAR *

* Zachary Kingsak... ist Product Marketing Engineer,Mid-Power Audio and Actuators, beiTexas Instruments

Die Smart-Home-Branche ist seit eini-gen Jahren im Aufwind. Smart Spea-ker wie Amazon Echo oder Google

Home sorgenmittlerweile in vielenHaushal-ten für mehr Komfort. Damit können Benut-zer beispielsweise einfach per Sprache die

Beleuchtung, Beschallungoder die Jalousienin ihrem Haus oder ihrer Wohnung steuern.Unternehmen, die zuvor einfacheHausgerä-te hergestellt haben, verzeichnen inzwischeneine gesteigerte Nachfrage nach Audioaus-gabe inHi-Fi-Qualität –unddiesebeschränktsich nicht auf einfache Signaltöne, die mel-den, dass die Wäsche fertig ist. Vielmehrkann unter anderem ein Kühlschrank eineEinkaufsliste vorlesen, oder ein LichtschalterkannandasAbschaltender Beleuchtung vordem Verlassen eines Raums erinnern. DasHinzufügenvonAudiofunktionenkanneineechte Herausforderung sein und den ohne-hin angespannten Zeitplan eines Entwick-lerteams durch die gesteigerte Komplexitätzusätzlich belasten. Dieser Beitrag geht auf

vierHerausforderungen imZusammenhangmit dem Smart-Home-Audiodesign ein undzeigt Möglichkeiten auf, den Entwicklungs-prozess zu vereinfachen.

Projektanforderungenmöglichst genau definierenEigentlichhört sichdieAufgabe recht ein-

fach an: Ein Gerät soll eine Sprachausgabeermöglichen. Allerdings wird die Audioaus-gabe vonvielenDesign-Entscheidungenundlimitierenden Faktoren begleitet. So sollenSmart-Home-Geräte oftmöglichst klein sein,andererseits dürfen Klang und Sprachver-ständlichkeit nicht unter einem schlankenGehäuse leiden. Zudem ist es schwierig, auseinem riesigen Angebot von Optionen, dieauf den ersten Blick oft auch noch alle rechtähnlich erscheinen, die richtigen Kompo-nenten auszuwählen.Texas Instruments (TI) hat interaktive

Blockschaltbilder entwickelt, die den Aus-wahlprozess vereinfachenund für bestimm-te Smart-Home-Anwendungen Empfehlun-gen für geeignete Bauelemente geben. ZumBeispiel zeigt das Smart-Speaker-Block-schaltbild inBild 1 dasAudio-Subsystemundverschiedene Audioverstärker mit Eigen-schaften, die vielenAnforderungen in Smart-Home-Designs gerechtwerden. Audio-Refe-renzdesigns auf derselben Seite enthaltenSchaltpläne, listen ergänzende Bauelemen-te auf und können als Vorlage für eigeneProjekte dienen. Sie bieten damit die Mög-lichkeit, die eigenen Systemkenntnisse aus-zubauen und die Bauteilauswahl wenigermühsam zu gestalten.

Audioausgabe und Energie-effizienz in Einklang bringenWennein Smart-Home-Gerätsmehr Funk-

tionen ausgestattet wird, erhöht sich seinStromverbrauch–das ist auchbei derAudio-ausgabe nicht anders. Andererseits strebendie Technologieunternehmen nach mehrUmweltfreundlichkeit,währendgleichzeitig

Spiel es noch einmal: Sprachsteuerung und Audioausgabe spielen im Smart-Home eine zunehmendwichtige Rolle.

Bild:Texas

Instruments

Avi Yashar... ist Product Marketing Engineer,Mid-Power Audio Amplifiers, bei TexasInstruments

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strengereVorschriftendie zulässige Standby-Leistungsaufnahme begrenzen. Daher ist esinzwischen wichtiger als zuvor, neue Pro-dukte für einengeringenStromverbrauch zuoptimieren. IneffizienteAudiosystemehabenin Summe einen großen Anteil an der Ener-gieverschwendung. Zudem sind Anwenderwenig erbaut, wenn sich Smart-Home-Pro-dukte auf der eigenen Stromrechnung be-merkbar machen, einen häufigen Batterie-wechsel erfordern oder übermäßig warmwerden, was zum Beispiel zu VerfärbungenvonMöbeln führen kann.Audioverstärker spielen vielleicht nicht

ständig Klänge ab, müssen aber schnell re-agieren,wenndieBenutzer Rückmeldungenoder eine Nachricht benötigen –man denkenur an eine Überwachungskamera oder einSmart Display im Leerlaufmodus. Auf deranderenSeitemuss einBluetooth-Lautspre-cher, der eine sommerlichePlaylist abspielt,die Musik möglichst effizient wiedergeben,damit der Akku – und damit auch die Pool-Party – den ganzen Abend lang durchhält.Um Anwendungen im Smart-Home-Seg-

ment gerecht zu werden, verfügen die neu-esten Lautsprecherverstärker von TI überdurchdachte Power-Management-Features.So minimiert zum Beispiel ein proprietäresHybrid-Modulationsschema die Leerlauf-strom-Verluste in 12-V-Systemen, währendein eingebauter Klasse-H-Verstärker mit ei-nemvomAudiosignal gesteuertenEnvelope-Tracking-Algorithmus die BatterielaufzeitvonbatteriebetriebenenSystemenumbis zu40 % verlängern kann. Die Kurven in Bild 2zeigen, wie ein algorithmengesteuerter,mehrstufiger Verstärker gegenüber einer fi-xenVersorgungsspannungvon 12V sehr vielEnergie sparen kann, besonders wenn esAudiosignale mit geringerer Verstärkungwiederzugebengilt. Die Elektronikmuss sich

in schlanke,minimalistische Designs einfü-gen. Die kleinenAbmessungen vonHausge-räten, die niemals für Audiofunktionen ge-dachtwaren,machen es jedoch zwangsläufigschwierig, zusätzliche Bauteile wie etwaLautsprecher, digitale Signalprozessoren(DSPs), Aufwärtswandler und Lautsprecheraufzunehmen. In Anbetracht dieser Restrik-tionen haben sich die Audio-Teams von TIauf die Entwicklung von Verstärkern mitmehr integriertenFeatures konzentriert, umdieAnzahl der externenBauelemente zu ver-ringernunddenPlatzbedarf desAudio-Sub-systems zu optimieren.

Mit Spezialfunktionen dieAudio-Performance optimierenIn einem Smart Speaker, der in vielen Fäl-

len das zentrale Element des Smart-Home-Ökosystemsdarstellt, sind einehochwertige

Bild 1:Blockschaltbildeines Smart-Speaker-Designs.

Bild:Texas

Instruments

Standardmäßige undmodifizierte Gehäuse ausAluminium-Druckguss,Metall oder Kunststoff.

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Musikausgabe und Rückmeldungen seitensdes virtuellen Assistenten entscheidend fürdie Zufriedenheit der Anwender. Muss zumErzeugen einer qualitativ hochwertigen Au-dioausgabe einAudio-DSPhinzugefügtwer-den, treibt das nicht nur die Kosten in dieHöhe, sondern erhöht auch die benötigteLeiterplattenfläche.Mithilfe vonVerstärkernmit integrierten Verarbeitungsfunktionenlässt sich ein Lautsprecher hingegen so ab-stimmen, dass einerseits Meldungen desvirtuellen Assistenten glasklar ausgegebenwerden und andererseits Musik mit gutemKlang wiedergegeben wird. Ein externerEchokompensations-Algorithmus kann so-gar das nachverarbeitete Signal nutzen, umeinemSmart Speaker bei der präziserenUn-terscheidung zwischen Audioausgabe undSprachbefehlenderAnwender zuhelfen.DiehohenSchaltfrequenzen vonKlasse-D-Laut-

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sprecherverstärkern erzeugen elektromag-netische Interferenzen (EMI), die die Audio-signale verzerren. In der Regel verwendetmanmehrere große Induktivitäten, umdieseStörgrößen zu unterdrücken. Features wiedie Spread-Spectrum-Technik oder die Pha-senoptimierung können EMI jedoch auchohnediese sperrigenBauteile unterdrücken,wasdenPlatzbedarf verringert, Kosten redu-ziert und eine verzerrungsarme Audioaus-gabe ermöglicht.Im Regelfall steht die akustische Aus-

gangsleistung eines Lautsprechers in engemZusammenhangmit seinerGröße.WirdmehrLautstärke gewünscht, benötigtman folglicheinen größeren Schallwandler. Das kommtallerdings bei der Konstruktion eines für be-engte Platzverhältnisse vorgesehenen Pro-dukts oft nicht in Frage. Eine Video-Tür-sprechstelle muss die Stimme des Hausbe-wohners auch in lauten Umgebungen klarund deutlich ausgeben, darf aber dennochnicht viel Platz beanspruchen. Die kleinenLautsprecher jedoch, die in solche Designspassen, sind tendenziell vongeringerer Leis-tung und erleiden leichter Schäden, wennsie überhitzen oder übersteuert werden.Mit

denLautsprecherschutz-AlgorithmenvonTIkönnen allerdings auch kleinere Lautspre-cher große Lautstärken erzeugen und einehöhere Qualität erreichen als zuvor.Wie Bild 3 verdeutlicht, können Lautspre-

cher beim Einsatz der Algorithmen der TISmart Amps eine höhere Durchschnittsleis-tung ausgeben, ohne die Integrität desSchallwandlers zu beeinträchtigen. ImSmart-Home bedeutet der Lautstärkeunter-schied, dass Besucher an der Haustür denHausbewohner problemlos verstehen kön-nen, auchwennAutos inunmittelbarerNähevorbeifahren.Die Tatsache, dass sichWärmebei beengten Platzverhältnissen schlechterabführen lässt, stellt ein Problem für die im-mer kleiner werdenden Smart-Home-Pro-dukte dar. Wärme kann die eingebautenBauelemente beschädigen, dieNutzererfah-rung beeinträchtigen oder im schlimmstenFall sogar zuBränden führen,wenn sie nichtsorgfältig berücksichtigt wird. Erfolgt dasDesign unter Berücksichtigung der Wärme-energie, somüssendas Leiterplatten-Layoutunddie StärkederKupferkaschierungbeach-tet werden, oder es sind Features wie einThermal Foldback erforderlich. Damit kön-

nen Lautsprecherverstärker die Wärmeent-wicklungherabsetzen, indemsie dieVerstär-kungderAudiosignale im laufendenBetriebanpassen, sobald es zu einer Überhitzungkommt. Sichere und zuverlässige Produktelassen sich realisieren,wenndasWärmema-nagement vonBeginnanbeimDesign einbe-zogen wird.

Fortschrittliche Audio-Verstärkerfunktionen nutzenFortschrittliche Funktionen können viele

Probleme lösen und klingen auf dem Papierzunächst wunderbar. Ihr tatsächlicher Nut-zen ist jedoch gering, wenn sie zu schwierigumzusetzen sind – insbesondere für Ent-wickler, die das erste Malmit Audiofunktio-nen zu tun haben. Beim Design sind Erfah-rungen Leistungselektronik und Signalver-arbeitung erforderlich. Hier das Rad neu zuerfinden, ist oft nicht zielführend. Eine Im-plementierung mit externen Bauelementenist schwierig und nutzt die Leiterplattenflä-che oft zu ineffizient. Um das Design vonProdukten der nächsten Generation zu ver-einfachen, hat TI nicht nur Funktionen inVerstärker integriert, sondernmacht sie miteinem kostenlosen Softwaretool auch ein-fach steuerbar. Das Softwarepaket PurePathConsole 3 vereinfacht den Umgang mit die-sen Bauelementen, indem es an das Evalua-tionModule (EVM) des jeweiligen BausteinsangeschlossenwirdunddenEntwicklerndieMöglichkeit bietet, über eine moderne undbedienungsfreundliche grafische Benutzer-oberfläche schnell die Audioausgabe abzu-stimmen, Einstellungen zu kalibrieren unddie Lautsprecher zu charakterisieren.Schrittweise vorgehende Abstimmungs-

und Charakterisierungs-Assistenten und ei-ne ganze Bibliothek an Schulungsmaterialbeschleunigen die Einarbeitung in neueTools. Die Software bietet Kompatibilität zueiner Vielzahl an Audio-EVMs von TI undermöglicht es, in Projekten, die künftig neueBauelemente nutzen, dasselbe Software-paket zu verwenden.DaPower-Management,Lautsprecherschutz und Audio-Entzerrungin die Bauelemente von TI eingebaut sindund sichüber die PurePathConsole-Softwareeinfach konfigurieren lassen, entsteht keinoder nur ein geringer Aufwand für die Soft-wareentwicklung. Zusammengenommenvereinfacht sichdamit die Realisierung einesenergieeffizienten, durch hohe Klanggütegekennzeichneten Audio-Subsystems, dasdie Anwenderzufriedenheit verbessert undkaum Risiken für den Zeitplan des Gesamt-projekts birgt. // ME

Texas Instruments

Bild 2: Eine dynamische Klasse-H-Versorgungsspannung kann gegenüber konstanten 12 V sehr viel Energieeinsparen.

Bild:Texas

Instruments

Bild 3:Dank Limiter-Algorith-men in den Leistungs-verstärkern könnenLautsprecher diedoppelte Lautstärkeerzeugen, ohneSchaden zu nehmen.

Bild:Texas

Instruments

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AUSFALLSICHERE PRODUKTIONSABLÄUFE

Smartes Gateway misst, überwacht und kontrolliert Sensor-SignaleDie Anforderungen an ausfallsi-chere Produktionsabläufe in derIndustrie sind gerade imZeitaltervon IoT so hoch wie noch nie.Das Ziel lautet stets Verzögerun-gen oder gar Ausfälle so geringwiemöglich zuhalten. Reibungs-loser Workflow ist hierbei nurmit durchdachten Konzeptenrealisierbar. Konzepte, die be-reits imVorfeldWarnsignale undUnregelmäßigkeiten richtig in-terpretieren. Hierdurch werdenOperatoren rechtzeitig in dieLage versetzt einzugreifen undAusfälle zu verhindern, bevor eszum Stillstand kommt.Ausgestattetmit einerVielzahl

an Schnittstellen fungiert hierdasGatewayHUB-GM100als einsmarter digitaler Knotenpunktfür eine breite Palette unter-

Node-RED, zum Einsatz. Es istbrowserbasierend, leicht bedien-bar und ermöglicht ein umfas-sendesHandlingderMessdaten.Alternativ steht dem Anwen-

der das eigens für dieMessdaten-analyse optimierte SIINEOS(Smart Industrial Internet Em-bedded Operating System) zurAuswahl. Das Systembesteht ausmöglichstwenigen, dafür jedochsehr effektiven Elementen derSoftwareschichten. Innerhalb

der Boot-Zeit von nicht einmalzehn Sekunden werden hierKernel-Daten, Systemlayer (De-bian), sowie das für die Schnitt-stellen zuständige in.core Frame-workundabschließenddie Steu-erfläche in.core Appliance gela-den. Über die integrierteMensch-Maschine-Schnittstelledes Gateways profitiert der An-wender von den grafisch aufbe-reitetenund somit schnell erfass-baren Informationen des Ist-Zu-standes. Langwieriges manuel-les Auswerten komplexerDatenberge ist daher nicht nötig.HUB-GM100 fungiertwahlweiseals Stand-alone-Lösung, kannaber auchmitweiterenModulenweitreichendausgebautwerden.

in.hub

schiedlicher Sensoren – bereitfür umfangreicheAufgaben.An-wender können nicht nur Grö-ßenwie Temperatur, LuftfeuchteoderVibration erfassen, sondernes ist außerdem möglich, dasHUB-GM100 für komplexe, si-cherheitsrelevante und proakti-ve Aufgaben der Maschinendia-gnostik, Predictive-Maintenancesowie Prozessoptimierung ein-zusetzen.HUB-GM100basiert aufUbun-

tu LTS (LongTermSupport). Um-fangreiche Dokumentation so-wie eine Vielzahl bereits vorge-fertigter Skripte übernehmenhier die Inbetriebnahme. Für dieVerarbeitung und Aufbereitungder erfassten Sensordatenkommt das anwenderfreundli-che Baukastenprinzip von IBM,

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Saft bietet eine breite Produktpalette anunterschiedlichen Batteriesystemen, die allenanspruchsvollen Anforderungen unserer Kundengerecht werden. Das hohe Leistungsniveau derprimären Lithium Batterien hat sich in vielen

industriellen und militärischen Anwendungenbewährt. Als Leichtgewicht vereint die Lithium-IonenTechnologie die einzigartige Mischung zwischenWiederaufladbarkeit und breitem Temperatureinsatzauf kleinstem Volumen.

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Saft Batterien GmbH Löffelholzstr. 20, 90441 Nürnberg Tel: +49 911 94174-0 Fax: +49 911 94174-25Kontakt: [email protected]

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Für den schnellenEinstieg indievernetzte Datenkommunikationbietet Arrowdie Sharky-Module.Herzstück sind die drahtlosenSTM32WB55-Mikrocontroller vonSTMicroelectronics. Sie wurdenin Zusammenarbeit mit dem ita-lienischen Entwickler Midatro-nics entworfen. Zudem ist derController mit einem HF-Tran-sceiver bei einem Takt von2,4 GHz ausgestattet, der auchBluetooth 5 (einschließlichBLE),ThreadundZigBee-Stacks unter-stützt. Die dualeArchitektur desARM-Cortex-M-Kerns ermöglichtüber den 64-MHz-Cortex-M4F-Kern eine sichere Anwendungs-performance in Echtzeit, wäh-rend das Funk-Subsystem unddie Sicherheitsaufgaben gleich-zeitig auf demparallel integrier-ten und vollkommen unabhän-gigenCortex-M0+verwaltetwer-den.Die Module MDX-STWBP-01

und MDX-STWUP-R01 bieten je-

FUNKMODULE

Funk im Mikrocontroller

weils die Auswahlmöglichkeitzwischen einer On-Board-PCB-Antenne oder einem UFL-An-schluss für eine externe Anten-ne. Die Balun-Schaltung für dieAntenne ist im MCU integriert.Alternativ bieten die SharkyPro-Module MDX-STWBC-R01 undMDX-STWBW-R01 wahlweiseeine Chip-Antenne beziehungs-weise keine Antenne.

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mit > 40.000 Kunden Europas größter Prototypenhersteller FürunterschiedlicheMobilfunk-anwendungen eignet sich dieHF-Datenwandler-Plattform mitintegriertemMixed-Signal-Fron-tend von Analog Devices. DieMxFE-Plattform AD9081/2 er-möglicht es,Multiband-Funkan-wendungen zu installieren. DieMxFE-Plattform verarbeitet ei-nen größeren Teil des HF-Spekt-rumsundbringt integrierteDSP-Funktionen mit. Dank ihrer Ka-

HF-DATENWANDLER

Ein höherer Datendurchsatznalbandbreite von 1,2GHzbietetdie Plattform jenen Mobil-funkanbietern, die ihre Sende-mastenmitmehr Antennen aus-rüsten, außerdem die Möglich-keit, die von den kommendenmmWave-5G gestellten höherenAnforderungen an die Sender-dichte und die Datenrate zu er-füllen.Die MxFE-Bausteine AD9081

undAD9082 enthalten acht bzw.sechs HF-Datenwandler, die miteiner CMOS-Prozesstechnik auf28 nmhergestellt werden. BeideMxFE-Optionenkommenauf dieindustrieweit größtemomentaneSignalbandbreite von bis zu2,4 GHz. Dabei vereinfacht sichdasHardwaredesign, indemwe-niger Frequenzumsetzungenbenötigt werden und die Anfor-derungen an die Filter gelockertwerden können.

Analog Devices

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8 mm

12

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MOBILFUNKMODUL UND CHIPSATZ

Für LTE-M und NB-IoT bis zum 5G-NetzSpeziell für LPWA- (Low-Power-Wide-Area-)Anwendungen hatu-blox die Serie SARA-R5 entwi-ckelt. Die Module basieren aufdem Mobilfunk-Chipset UBX R5und dem GNSS-EmpfängerchipM8 des Herstellers. Sie bietendem Anwender End-to-End-Si-cherheit und garantieren einelangeProduktverfügbarkeit. DasModul verfügt zusätzlich überein PSK-Managementsystem(Pre-Shared Key), das speziellauf die Anforderungen von IoT-Anwendungen zugeschnitten ist,

Hersteller durch die implemen-tierten Funktionen LTE M undNB-IoT ab 3GPP Release 14 undSoftware-Upgrades.Die SARA-R5 Reihe baut auf

dem UBX-R5-LTE-Chipsatz unddem GNSS-Chip M8 von u-bloxauf, so dass ProduktionundPro-duktlebensdauer nicht von an-deren Chipherstellern abhängigsind. Für die Kunden bedeutetdas langfristige Verfügbarkeit,Stabilität der Produktplanungund technischenSupport bis aufChip-Ebene. Es lassen sich neue

Funktionen entwickeln, welchefür Positionierung, Timing, Kon-nektivität und Sicherheit rele-vant sind. SARA-R5 gibt es inzwei Produktvarianten. Mit demintegrierten M8-GNSS-Empfän-ger ist SARA R511M für mobileAnwendungen konzipiert. ImGegensatz dazuR510M für gerin-genStromverbrauch. ImEnergie-sparmodus verbraucht dieseVariante weniger als einen Mik-roampere Strom.

u-blox

sowie über umfassende Sicher-heitsfunktionen.Die vomModulunterstützen Funktionen LTE-Mund NB-IoT sind aufwärtskom-patibel und sind für 5G-Netzwer-ke geeignet. Das unterstützt der

Der SCT2400bietet unterschied-liche Sprachcodierungs-Funkti-onen und eine erweiterte Vor-wärtsfehlerkorrektur. Damitunterstützt er auf dem Prinzipder Speard-Spectrum-Modulati-

SPRACH- UND DATEN-TRANSCEIVER

Reichweite von über 12 kmonNiederleistungs-Funksystemewie Private Mobile Radio (PMR)und Land Mobile Radio (LMR)einen einfachen und schnellenWechsel auf das lizenzfreie2,4-GHz-ISM-Band. Die Reich-weite beträgt mehr als 12 km beieiner Ausgangsleistung bis100 mW. Versorgt wird der Bau-steinmit einer Spannungvon 3Vbei einem Stromverbrauch von10 mA im Scan-Modus, etwa52mAbeimSprachempfangund64mA beim Sprachversand.

SE-Spezialelectronic

Der ESP32-S2 ist ein SoC-Mikro-controller mit integriertemWiFiauf 2,4 GHz, derWiFi HT40- und43-GPIOs unterstützt. Basierendauf dem Xtensa-Single-Core-32-Bit-LX7-Prozessor kann das

WIFI-MIKROCONTROLLER

Smart Home und WearablesModulmit bis zu 240MHz getak-tet werden. Auf Speicherseitebietet der Controller 320 KByteSRAM, 128 KByte ROM und16KByte RTC-Speicher. An Stan-dard-Schnittstellen stehen SPI,I²C, I²S,UART,DC/DACundPWMbereit. Außerdemunterstützt dasModul externes SPIRAM bisma-ximal 128 MByte und WiFi802.11 b/g/n sowie HT40mit Da-tenraten bis 150MBit/s. Zumög-lichenFunkanwendungengehö-renSmartHomeoderWearables.

Espressif Systems

Bild:u-blox

Bild:se-spezialelectronic

Bild:Espressif

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ANALOGTECHNIK // A/D-WANDLER


Effektive Rauschbandbreitebei Delta-Sigma-A/D-Wandlern

Selbst für erfahrene Analogtechniker sind Rauschphänomene beiA/D-Wandlern eine Herausforderung. Ganz kompliziert sind Störungenim Gesamtsystem. Hier hilft die effektive Rauschbandbreite weiter.

BRYAN LIZON *

* Bryan Lizon... ist Product Marketing Engineer beiTexas Instruments in Dallas / U.S.A.

Delta-Sigma-A/D-Wandler zeigen eineKombination ausQuantisierungsrau-schen und thermischem Rauschen.

DerAnteil ändert sich abhängig vonderAuf-lösung, der ReferenzspannungundderAus-gangsdatenrate des A/D-Wandlers. BeimGesamtsystemwirddieRauschanalyse durchdie zusätzlichen Bauteile der Signalketteverkompliziert, dennviele dieser Komponen-ten besitzen unterschiedliche Rauscheigen-schaften, die einen Vergleich erschweren.

Will man die Störungen in einem Systemabschätzen,mussmanwissen,mit welchenAnteilen die einzelnen Bauteile zum Rau-schen beitragen, wie sich Störungen einesBauelements auf ein anderes auswirkenkön-nen und welche Rauschquelle dominiert.Dies hört sich erst einmal kompliziert an,allerdings kanndie äquivalente (beziehungs-weise effektive) Rauschbandbreite (EffectiveNoiseBandwidth, ENBW)der Signalkette dieDinge deutlich vereinfachen.

Was ist die effektiveRauschbandbreite ENBW?Was versteht man unter der äquivalenten

Rauschbandbreite ENBW? Da ENBW einrecht abstraktes Konzept ist, möchte ich an-

hand einer einfachen Analogie mit Türenund Fenstern in einer kalten Nacht zeigen,worum es geht: Um die Energiekosten zusenken und Geld zu sparen, müssen TürenundFenster soweitwiemöglich geschlossensein, damit möglichst wenig kalte Luft insHaus gelangt. Das Haus steht in diesem Fallfür das System, die Fenster undTüren für denFilter und die kalte Luft für das Rauschen.Die Rauschbandbreite ist hier einMaßda-

für, wie offen (beziehungsweise wie ge-schlossen) die Türen und Fenster im Haussind. Je weiter sie geöffnet sind (je größeralso die ENBW ist), desto mehr kalte Luft(Rauschen) kommt ins Haus (System) – undumgekehrt (Bild 1).Drückt man das Ganze mit gängigen Be-

griffen ausder Signalverarbeitung aus, so istdie äquivalente Rauschbandbreite eines Fil-ters die Grenzfrequenz (fC) eines idealenBrickwall-Filters, dessen Rauschleistungungefähr äquivalent zur Rauschleistungdesursprünglichen Filters H(f) ist. Überträgtman diese Definition auf die Analogie mitdenTürenundFenstern, entspricht die äqui-valenteRauschbandbreite eines SystemsderKombination der jeweils unterschiedlichenÖffnungsweiten aller Türen und Fenster aufeinemeinzigenWert, der sich gleichermaßenauf alle bezieht. Mit dieser Vereinfachungkann man wesentlich einfacher verstehen,wie viel „kalte Luft“ hereinkommt.

Rauschbandbreite einesRC-TiefpassfiltersAls Beispiel soll ein RC-Tiefpassfilter mit

einer Polstelle (Bild 2) zu einem idealenBrickwall-Filter (Bild 3) vereinfachtwerden.ZudiesemZweckberechnenwir die Rausch-leistung unter der tatsächlichen Filterkenn-linie (Gleichung 1).ENBW feinpoliger RC Filter dB− −= ⋅1 57 3, (Gl. 1)

DerWert, der bei dieser Rechnungheraus-kommt, ist die Rauschbandbreite des ur-sprünglichen Filters, die anschließend zur

Analogsignale aufgedröselt: Die äquivalente Rauschbandbreite ist bei der Abschätzung des System-Rauschens hilfreich. Was verbirgt sich hinter dem Begriff ENBW?

Bild:beholdereye

–stock.adob

e.com

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ANALOGTECHNIK // A/D-WANDLER


Grenzfrequenz fC eines idealen analogenBrickwall-Filters wird.In diesemFall könnenSie dieRauschband-

breite eines Tiefpassfilters mit einer Polstel-le durch Integrieren berechnen. Oder SieverwendenGleichung 1, die den 3-dB-Punktdes ursprünglichen RC-Filters mit seineräquivalenten Rauschbandbreite in Bezie-hung setzt.Mit diesem einfachen Beispiel wird die

Rauschbandbreite als die Transformationdes Frequenzgangs eines realenFilters in denFrequenzgang eines idealenFilters definiert.

Wozu die effektiveRauschbandbreite gut istWas sind die Gründe für die Anwendung

dieser Technikundwie kann sie dazubeitra-gen, Berechnungen zur Rauschanalyse zuvereinfachen? Um zu verstehen, wofür dieäquivalente (effektive) Rauschbandbreitenützlich ist, nehmen wir einmal folgendesan: Sie brauchen einen Delta-Sigma-A/D-Wandler ohne zusätzliche Filter, umdieSignale vonMessbrückenmit niederohmigenWiderständen, deren Vollaussteuerung amAusgang teils nur 10mVbeträgt, zumessen.Damit derartigeMessungenmöglich sind,

muss dem Wandlereingang ein Verstärkervorgeschaltet werden. Dieser verstärkt dieinteressierendenSignale so, dass sie aus demGrundrauschendesA/D-Wandlers herausra-gen, und erweitert außerdem den Dynamik-bereich des ADCs.Werden keine weiteren Filter angewandt,

gibt der Verstärker praktisch sein gesamtesRauschen an den A/D-Wandler weiter. Imvorliegenden Fall wird das Rauschen alsonur durch die Bandbreite des Verstärkersbegrenzt, die einige tausend Kilohertz oderdarüber betragen kann.Glücklicherweise haben Sie hinter dem

Verstärker noch einen Anti-Alias-Filter, derzwei Aufgaben wahrnimmt: Erstens verhin-dert er, dass unerwünschte Signale in dasDurchlassband zurückgefaltet werden, undzweitens reduziert er die effektive Rausch-bandbreite der Signalkette deutlich stärkerals die Verstärkerbandbreite allein, soferngilt, dass die Bandbreite des Filters sehr vielkleiner als die des Verstärkers ist.Ist diese Bedingung erfüllt, wissen Sie,

dass der Anti-Alias-Filter das in den A/D-Wandler gelangende Verstärkerrauschenbegrenzt. Die Frage ist nur,wie viel Rauschenentfernt er? Oder wichtiger noch, wie vielRauschenwird dennochdurchgelassenundbeeinflusst den A/D-Wandler und die resul-tierende Messung? Um das zu berechnen,müssenSie einenBlick auf dieRauscheigen-schaften des Verstärkers werfen.

Die spektrale Spannungsrauschdichte ei-nes Verstärkers mit einer großen 1/f-Regionverrät nur sehrwenigüber den tatsächlichenRauschbeitrag des Verstärkers.Praktisch wird es wegen der nicht-kon-

stanten Rauschdichte, die eine gängige Ei-genschaft von nicht Chopper-stabilisiertenVerstärkern ist, sogar noch schwieriger, dasan den A/D-Wandler gelangende Rauschenzuberechnen.Damit dieseBerechnungmög-lich ist, müssen Sie die effektive Rausch-

Bild 1:Bei weit geöffneter Türkommt mehr Rauschenins Haus (links), wäh-rend wenig Rauschenins System gelangt,wenn die Tür nur einenSpalt weit offen ist(rechts).

Bild:Texas

Instruments

Bild 2: Frequenzgang eines RC-Filters mit einer Polstelle.

Bild 3: ENBW-Diagramm des RC-Filters.

bandbreite des Systems errechnen. HabenSie denFrequenzgangdes idealenBrickwall-Filters bestimmt, könnenSie diesenüber diespektrale Rauschdichte des Verstärkers le-gen.Wie das geht undwas zur ENBWbeiträgt,

lesenSie inunserer aktuellen Serie zur effek-tivenRauschbandbreite imBlogAnalogtech-nik auf www.Analog-Praxis.de. // KR

Texas Instruments

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ANALOGTECHNIK // SENSORIK


Wie Sie die Batterielaufzeit beineuen Bedienkonzepten optimieren

Neue Bedienkonzepte wie Drücken oder Fingerstreichen am Gehäuseeines Handgerätes erweitern dessen Funktionalität. Wir zeigen, wie Sie

bei diesen Konzepten die Batterielaufzeit im Griff behalten.

BONNIE BAKER *

* Bonnie Baker... arbeitet bei Maxim Integrated inSan Jose / U.S.A.

Tragbare medizinische Geräte, Messin-strumente, Tablets oderMobiltelefonebieten taktile Benutzeroberflächen

über LCDs (Flüssigkristallanzeigen). In dernächsten Entwicklungsstufe könnten dieBedienoberflächen empfindlich auf Druckreagieren. Hier ist das Aktivieren verschie-dener benutzerspezifischer Funktionendurch einfaches Drücken oder Fingerstrei-chen amGerätegehäuse ein vielversprechen-der Ansatz.

Mit einemkurzenDruckkönnte derNutzerso zum Beispiel mit seinem Mobiltelefonschnell ein Foto machen und mit längeremDrücken einenAnruf entgegennehmen. Einederartige Funktion bietet zahlreiche neueOptionen fürmobile Geräte. Dabei sollte diesensible „Außenhaut“ eines Gerätes die Ak-kulaufzeit nur minimal verkürzen.ImFolgendenuntersuchenwir die beiden

entscheidendenAnforderungenanderartigeGeräte: eine präzise Berührungsempfind-lichkeit sowie effektiveBatteriemanagement-Techniken.Bei entsprechender Befestigung an einem

Handmessgerät reagieren Kraftsensorenbzw.Dehnungsmessstreifen (DMS) auf leich-teDruckänderungen. Eine geeigneteModell-

konfiguration dieses Messgeräts ist eineWheatstonesche Brücke oder ein Kraftsen-sor, der aus vier Dehnungsmessstreifen be-steht.

Drucksensoren im GerätimplementierenWiderstände sind die Modellierungsele-

mente für die Dehnungsmessstreifen. Diekomplette Messkonstruktion besteht in derRegel aus einer Leiterplatte mit Leiterbah-nen, die unterschiedliche Widerstände auf-weisen (Bild 1).Die Leiterplatte besteht idealerweise aus

einem flexiblenKunststoffsubstratwie Poly-imid oder einem transparenten Polyester.Durchdie flexible Schaltungsstruktur ist dieLeiterplatte in der Lage, sich an die ge-wünschte Form oder Biegung anzupassen,ohnedass die Leiterbahnenkurzgeschlossenwerden. Die erzeugten Widerstandswertevariieren je nach Belastung oder Kraft.Bild 2 zeigt die Anordnung von vier Deh-

nungsmessstreifen in einem Kraftsensor. Ineiner statischen, spannungsfreien Umge-bung sind alleWiderstandswerte gleich oderR1 = R2 = R3 = R4.Wirkt eine Kraft oder eineleichte Berührung auf die Außenfläche, än-dern sichdieWerte derWiderstände so, dassR1 >R3undR2 <R4,währendR1 =R4undR2= R3 sind.DieWiderständeder vier Brückenelemen-

te variieren zwischen 300 Ω und 10 kΩ. Ver-letzt der Entwickler die mechanischen Res-triktionen dieser Messelemente nicht, liegtdieVollaussteuerungUOUToderAINP–AINNzwischen 10mV und 100mV.Ein DMS-Sensor muss durch eine Span-

nungsquelle UREF angeregt werden. Die Sta-bilität der Erregerspannung beeinflusst dieGenauigkeit derMessung, sodass eine stabi-le Spannungsquelle notwendig ist.DieAusgangsspannung (AINP–AINN)des

Sensors wird durch die Widerstandsände-rungen in der DMS-Brücke bestimmt. Sokann beispielsweise eine Brücke einen Wi-

Sensorik: Ein per Handdruck oder Berührung justierbares Infrarot-Laserthermometer.

Bild:nikkytok

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35ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 16 5.9.2019

derstand von 1,2 kΩ bei einer Empfindlich-keit von 2mV/Vundeiner Biegung von0,254bis 1,27 mm haben.Es wäre einfach, die Innenkanten eines

GerätesmitmehrerenBrückenauszustatten.Hier besteht die primäre Herausforderungdarin, den Andruckfaktor oder feine Verän-derungen am Gerätegehäuse zu erfassen(Bild 3).Bild 3 zeigt einMobiltelefon, dessenSeiten

druck- und/oder berührungsempfindlichsind. Die Sensoren werden bereits durch ei-nengeringenDruck angeregt. DieAusgangs-spannungen des Sensors lassen sich mit ei-nem ICmit differentiellem Eingangmessen.

Welche Optionen es für dieSignalverarbeitung gibtEin Delta-Sigma-A/D-Wandler ist für An-

wendungen geeignet, bei denen kleine Dif-ferenzspannungen erfasst und digitalisiertwerden müssen. In Delta-Sigma-Wandlernsind differentielle Eingänge für den An-schluss an diese Brücken bereits implemen-tiert.Sensor undWandler benötigen eine Refe-

renzspannung (UREF). Das Anlegen der Refe-renzspannung an die Brücken und den Re-ferenz-Eingang des A/D-Wandlers liefertgeeignete ratiometrischeMesswerte. In Bild4 ist ein derartiger mehrkanaliger Delta-Sigma-Wandler zu sehen. Die Schaltung er-fordert einenA/D-Wandler, der kleine inkre-mentelle Spannungsänderungen in digitaleWerte umwandeln kann.Der 24-Bit-Wandler

Bild 1:WheatstonescheBrücke als Kraftsensoraufgebaut.

Bild:M

axim

• CW-Betrieb mit externem Treibertransistor

• 3,3 bis 24V Versorgungsspannung

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Bild 2:Vollbrücken-Kraftsensorauf einer Leiterplatteaus flexiblem Kunst-stoff.

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erzeugt 224 bzw. rund 17 Mio. digitale Aus-gangswerte.Bei einem idealen 24-Bit-Wandler mit ei-

nem Eingang von 3 V beträgt die Größe desgeringwertigsten Bits (LSB, least significantbit) ca. 179 nV.In der Schaltung von Bild 4 erhöht jedoch

der interne Verstärker im Delta-Sigma-A/D-Wandler diesenWert. Sowird beispiels-weise eine Auflösung von 150 nVeffmit einerinternenVerstärkung von64undeiner Refe-renz von 3 V bei einer Abtastrate von1 kSample/s erreicht.

Stromsparen: Wo die Quellender Verlustleistung liegenDerDelta-Sigma-A/D-Wandler ist einewir-

kungsvolle Ergänzung in dieser Schaltung,da er sehr kleine, differentielle Brückenspan-nungen aus den Dehnungen auflöst. Da dieSpannungsänderungen permanent über-wachtwerdenmüssen, sollte bei batteriebe-triebenen Geräten die Stromaufnahme derSensoren so gering wie möglich gehaltenwerden.Leistungsverluste in den Brückenabtast-

schaltungen erfolgen an zwei Stellen: den

Widerstandsmessbrücken und den Delta-Sigma-A/D-Wandlern.Die Widerstandsbrückenleistung (PBrücke)

ist gleich UREF2/RBrücke. Wenn zum Beispiel

RBrücke = 1,2 kΩ und UREF = 3 V ist, beträgt dievom Sensor abgegebene Leistung 7,5 mW.InderRegel bestimmendie analogen (IANA)

unddigitalen (IDIG) Betriebsströmedie Strom-aufnahmedesDelta-Sigma-ADCs. In der vor-liegenden Schaltung werden die analogenund digitalen Versorgungen des A/D-Wand-lers mit 3,3 V betrieben. Beim ADC aus Bild5 zieht der Delta-Sigma-Wandler einen ana-logenStrom IANA=4,2mAundeinendigitalenStrom IDIG=0,7mA,woraus sichwährendderAbtastung eineBetriebsleistung (PADC_OP) von16,17 mW ergibt.PADC_OP = UDD (IANA + IDIG) = 3,3 V x 4,9 mA.Die Gesamtleistung (PTOT_OP) des Delta-

Sigma-ADCs und des Sensors beträgt23,67 mW (PBrücke + PADC_OP = 7,5 mW +16,17 mW).Sinddie SpannungenandenGPO-Schnitt-

stellen gleich UREF, erreichen die Brücken-ströme und die Brückenleistung des Delta-Sigma-ADCs aus Bild 5 einenWert naheNull(PBrücke_SL = 0 W). Zusätzlich zieht der Delta-Sigma-A/D-Wandler im Sleep-Modus einenStrom von (ISL) ca. 1,3 μA. Daraus ergibt sicheine „Sleep“-Leistung (PADC_SL) von 4,29 μW(PADC_SL = UDD x ISL = 3,3 V x 1,3 µA).Die Gesamtleistung im Sleep-Modus

(PTOT_SL) des Delta-Sigma-ADCs und des Sen-sors beträgt 4,29 μW (PBrücke_SL + PADC_SL = 0W+ 4,29 µW).Das Verhältnis der Stromaufnahme zwi-

schen der Betriebs- und der Ruhekonfigura-tion beträgt etwa 5,517.Damitwird die Gesamtleistung dieser An-

wendung zur Herausforderung für einenTiming-Algorithmus. Dieses extrem hoheVerhältnis sollte eine großeMotivation sein,den Betriebs- und Sleep-Modus durch Firm-ware-Programmierung effektiv zu steuern.Die Herausforderung besteht darin, ein ge-eignetes Messintervall zu ermitteln, da dieSensoren eine menschliche Aktivität im Be-reich von 1 bis 20 Hz messen.Unser Fazit:Die Funktionenbatteriebetrie-

bener medizinischer Handgeräte, Hand-Messinstrumente, Tablets oder Mobiltelefo-ne lassen sich erweitern, indem man dasGerätegehäuse empfindlich für eine Berüh-rung durch Drücken oder Fingerstreichenmacht.Der Beitraghat dargelegt,wie sich für die-

se Geräte eine Lösung realisieren lässt, beider man die Laufzeit der Batterie im Griffbehält. Die beste Variante ist die Optimie-rungderMessungenmit einemhochpräzisen24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler, wobei dieStromaufnahme mit effektiven Firmware-Algorithmen gesteuert wird. // KR

Maxim Integrated

Bild 3:Mehrere DMS-Brücken an den Geräteseitenbieten die Möglichkeit, Funktionen über Druck oderBerührung zu steuern.

Bild:M

axim

Bild 4:Ein sechskanaliger24-Bit-Delta-Sigma-A/D-Wandler mit sechsprogrammierbarenGPO-Schnittstellen.

Bild:M

axim

Bild 5:Die Stromaufnahmeim Zeitverlauf.

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ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 16 5.9.2019 37

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Microchip hat eine Serie kom-pakter A/D-Wandler mit pro-grammierbaren Datenraten bis153 kSamples/s auf den Marktgebracht. Die Delta-Sigma-Wandler der Reihen MCP356xund MCP346x mit einer Auflö-sung von 24 bzw. 16 Bit bietenlaut Hersteller gegenüber ähnli-chen Bausteinen höhere pro-grammierbare Datenraten beihoher Genauigkeit und geringe-

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Hohe Datenraten und GenauigkeitremRauschen.DieA/D-Wandlerkommen im3mmx3mmgroßenUQFN-20-Gehäuse. Sie offerierenzwei, vier oder acht Single-En-ded- und ein, zwei oder vier dif-ferenzielle Kanäle.In denWandler implementiert

sind Funktionen, die externeBauteile erübrigen und die Ge-samtkosten eines Systems sen-ken, beispielsweise ein internerOszillator, ein Temperatursensorund eine Burnout-Stromquelle.Einsatzgebiete finden sichun-

ter anderembei tragbarenMess-geräten sowie in Prozesssteue-rungen, in der Automatisie-rungstechnik und bei Sensor-wandlern/-transmittern.Dazu gibt es mit MCP3564

(ADM00583) ein Eva-Kit, das dasEva-Board MCP3564 für PIC32-MCUs, PIC32MX795F512L PIMund ein USB-Kabel umfasst.

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MESSTECHNIK // ENTWICKLUNGS-PLATTFORM


Modulare Hardware-Plattformarbeitet mit Linux

Für Entwickler in der Automatisierung dürfte die modulare Hardware-Plattform von Jumo interessant sein. Neben diversen Schnittstellenüberzeugt vor allem ein offenes Linux bei der Programmierung.

MICHAEL BROSIG *

* Michael Brosig... arbeitet als Pressesprecher beiJumo in Fulda.

Die BranchederAutomatisierung stehtvorVeränderungen–primär angetrie-ben vonderDigitalisierung. ImDetail

sind das kürzere Entwicklungszeiten, kom-plett neueGeschäftsmodelle unddie steigen-den Anforderungen von Seiten der Kunden.Entwickler benötigen eine Hard- und Soft-ware-Plattform, die nicht nur flexibel undeinfach zu bedienen ist, sondern im bestenFall modular und damit flexibel aufgebaut

ist. Bereits im Jahr 2011 hat Jumomit seinemmTron-T-System ein Automatisierungssys-tem entwickelt, bei der Entwickler für ihreProzesse nicht unbedingt auf eine große,umfangreiche SPS-Umgebung angewiesensind.Daraus weiterentwickelt haben die Inge-

nieure von Jumo die Hard- und Software-Plattform Jupiter. Neben einer schnellenBedienbarkeitwar es ihnenwichtig, die Ideeeines sogenanntenmodularenQuerbaukas-tens einfließen zu lassen. Dahinter verbirgtsich einKonzept, das ausdemAutomobilbaubekannt ist. Damit lassen sich eine Vielzahlverschiedener Modelle auf einer zentralenPlattformentwickeln.Mit diesemPlattform-

Gedanken schafft Jumo die Grundlage fürkünftige Gerätegenerationen zum Regeln,Registrieren, Automatisieren und Überwa-chen. Dabei reicht die Bandbreite von Bild-schirmschreibern über Prozesse- und Pro-grammregler bis hin zu Sicherheitsbegren-zern. Der Gedanke ist, mit dem modularenKonzept neue technische Entwicklungendurchgängig in vorhandeneGeräte zu integ-rieren; das alles mit einem überschaubarenEntwicklungsaufwand. Positiver Nebenef-fekt: Die Entwicklungszyklender Entwicklerwerden kürzer.

Plattform aus modularer Hard-ware und offener SoftwareEine Plattform aus Hard- und Software

muss sehr variabel in ihremEinsatz seinundzudem skalierbar. Schon bei der Hardwarezeigt sich,was Flexibilität bedeutet: Der Pro-zessor mit einem Takt von 800MHzmuss jenach Anwendung als Single-, Dual- oderQuad-Core eingesetzt werden können. Dazuist das CPU-Modul steckbar. Leistungsstär-kere oder leistungsschwächere Prozessorenkönnendamit je nachAnforderungdesKun-den verwendet werden. Der entsprechendeArbeitsspeicher kann zwischen acht und32GByte groß sein. Auchbei derKonnektivi-tät zeigt sich der modulare Gedanke. Bis zuelf externeund fünf integrierte Schnittstellensind auf der Plattform. ZudengängigenStan-dards gehören Ethernet, CAN, USB, HDMI,I²C oder SATA.Auf Seitender Software setzt derHersteller

auf Linux. Das bringt für den Anwender ei-nige Vorteile: Da bei einem UNIX-Systemkonsequent Benutzer- und Administrator-Kontengetrennt sindunddankder geringenVerbreitung gilt das System als sicher undwesentlichweniger anfällig gegenSchadpro-gramme als beispielsweise bei einer Win-dows-Umgebung.Hinzukommendie für denAnwender großen Freiheitsgrade, welcheeineOpen-Source-Umgebungmitbringt. Daseigentliche Linuxbesteht nur aus einemSys-

Modulare Hardware-Plattform: Unter dem Namen Jupiter bietet Jumo eine flexible Plattform mit einem800-MHz-Prozessor und einem maximalen Arbeitsspeicher von 32 GByte.

Bild:Jum

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temkern (Kernel) und wenigen Basispro-grammen. Somit können Entwickler dasSystemkomplett frei gestalten.Die Softwareermöglicht weiterhin eine sehr gute Skalier-barkeit der Performance, Speicher undSchnittstellen.

Was ist eine modularisierteSoftware-Architektur?DerHersteller hat bei der Jupiter-Plattform

beispielsweise die komplette Software-Archi-tektur modularisiert angelegt, wobei einbesonderer Schwerpunkt auf die ThemenKryptographie und Internet-Security liegt.So ist beispielsweise eine Benutzerverwal-tung per LDAP möglich. Auch die Anforde-rung einer stabilen Bedienungmit Mobilge-räten wie Smartphones oder Tablets im in-dustriellenUmfeldhat derHersteller berück-sichtigt. Komplett überarbeitet ist dasSetup-Programm. In dieses wurde ein kun-denspezifischer Konfigurations- und Pro-zess-Dateneditor integriert. Dieser ermög-licht es dem Endanwender, die Benutzer-oberfläche mithilfe eines Web-Portals weit-gehend nach seinen Anforderungen zugestalten. Das betrifft beispielsweise ver-schiedeneSprachvariantenund reicht bis zurkompletten Bedienstruktur. Neben WLANund Bluetooth lassen sich auch Cloud-Lö-sungenproblemlos realisieren, dadieAnfor-derungendesMQTTundOPCUAberücksich-tigt wurden.Bei der Benutzerfreundlichkeit setzt Jumo

unter anderemdarauf, dass Jupitermit allenmodernenDisplays kommunizieren kann. Eskönnen einprägsame Bedienkonzepte, ani-mierte Bildübergänge oder sogar eineMulti-gestensteuerung realisiert werden. Die Jupi-ter-Plattform kommt erstmals im ModellvaritTRON 500 von Jumo zum Einsatz. Dasist die Zentraleinheit des Nachfolgemodellsdes Automatisierungssystem mTRON T. Indas SystemkönnenmehrereBedienstationenvia CODESYS-Remote-Target- oder Web-Vi-

sualisierung sowie bis zu 64 intelligenteAn-schaltmodule integriert werden.

Verschiedene Feldbusse in diePlattform integrierenFür die individuelle kundenspezifische

Bedienung per CODESYS-Remote-Target-oderWeb-Visu(alisierung) gibt esVisualisie-rungsbibliotheken. Außerdem lassen sichallewichtigenFeldbussystemeper CODESYSwieModbusRTUoder TCPMaster undSlave,PROFINET-IO-Controller, EtherCAT-Mastersowie OPC-UA-Server integrieren. Über einePROFINET-IO-Device-Schnittstelle soll eszukünftigmöglich sein, übergeordnete Steu-erungssysteme alternativ via Modbus TCPanzubinden. In der Folgezeit werden dannweitereGeräte desHerstellersmit der Jupiter-Plattform ausgestattet. Das sind die Bild-schirmschreiber der bewährten LOGO-SCREEN-Serie, die AQUIS touch Mehrka-nalmessgeräte für die Flüssigkeitsanalyseoder der Prozess- und Programmregler DI-CON touch. Auch die Konnektivität im Zu-sammenspielmit Fremdsteuerungenoder zubestehendenProdukten,wie digitale Senso-ren, wird verbessert. // HEH

Jumo

MESSTECHNIK // ENTWICKLUNGS-PLATTFORM

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Bild 1: Die zentrale Einheit variTRON 500. Hierkommt erstmals die Jupiter-Plattform zum Einsatz.

Bild:Jum

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Das steckt in der Jupiter-PlattformJupiter ist eine Hardware-Plattform, inder ein Prozessor mit einem Takt von800 MHz arbeitet. Je nach Anwendunglässt sich der Kern als Single-, Dual- oderQuad-Core betreiben. Neben Ethernetstehen USB, PCIe, UART, SPI, I²C un GPI-Os bereit. Für unterschiedliche Projekt-Aufgaben kann der Anwender auf einoffenes Linux zurückgreifen. In SachenKonnektivität ist die Jupiter-Plattform

mit WLAN und Bluetooth ausgerüstet.Zudem lassen sich über die Plattformauch TFT-Displays anschließen, womitumfangreiche Bedienkonzepte, Multi-gestensteuerung und animierte Bild-übergänge möglich sein sollen. Integ-riert sind Feldbussysteme per CODESYS:MODBUS RTU/TCP Master und Slave,Profinet Controller, EtherCAT Master so-wie OPC-UA-Server.


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MESSTECHNIK // ANALYZER


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Störer in Mobilfunknetzenerkennen und auffindenStörsignale aufzuspüren ist keine einfache Aufgabe. Neben einerguten Planung sollten HF-Techniker auf die richtigen Werkzeuge

setzen. Doch allein die Technik reicht nicht aus.

CYRIL NOGER *

* Cyril Noger... arbeitet als HF- und Wireless-Produkt-Spezialistbei Anritsu in Frankreich.

Überall dort, wo für die Kommunikati-on keine Kabel verlegt werden kön-nenoder es einfachnicht sinnvoll ist,

lässt sich eine drahtlose Kommunikationüber Funk aufbauen. Doch bei Funk ist dieGefahr von Störern sehr hoch. Sind es vorallem Mobilfunkbetreiber und die staatli-chenStellen,welche Interesse daranhaben,Störquellen zu lokalisieren und zu identifi-zieren.Dochbevor einemöglicheUrsache imFeld

lokalisiertwerdenkann, solltemanauf eini-ge Punkte achten. Dazu gehört es, genau zuWissen, wonach man sucht. Wer eine Stör-quelle sucht,weiß, dass es sichhier umkeinleichtes Unterfangen handelt. Man solltesorgfältigmögliche Störquellen eingrenzen.DennStörer inMobilfunknetzen sindoft sehrkomplex und man würde ohne gründlicheVorbereitungundder entsprechendenHard-ware im Feld keinen Erfolg haben.

Mit dem Spektrumanalysatorden Störer analysierenEinige Mobilfunkanbieter haben speziell

geschultes Personal, ummögliche Störquel-len zu identifizieren. Sie suchennach illega-len oder unerwünschtenSignalen. AuchderStaat hat dieAufgabe, Störquellen aufzuspü-ren. Gemäß Definition wird ein Störer nor-malerweise in einem Kommunikationssys-tem als Problem auf der Empfängerseite be-trachtet. Allerdings bedeutet das nicht, eskommt niemals zu Problemen im Frequenz-band des Senders. Diese Probleme werden

jedochnormalerweise vonSeitender Betrei-ber bearbeitet,wenndiese ihre Infrastrukturnach Fehlern absuchen. Das Frequenzbanddes Empfängers wird mit höherer Wahr-scheinlichkeit durch von außen kommendeSignale bzw. durch höhere Rauschpegel be-einträchtigt, die die Empfänger unempfind-lich machen und dazu führen können, dassMobiltelefone sichnichtmit der Basisstationverbindenkönnen.Nachdemder Entwickler

die Beeinträchtigungdes Störers im spektra-len Band erkannt hat, muss er versuchen,diese zu verstehen. Hier unterstützt ihn einSpektrumanalysator, mit dem sich das be-einträchtigte Frequenzband im Zeitablaufabbilden lässt: Gemessen wird sinnvoller-weise in Erdbodennähe zusammenmit einerRundstrahlantenne.Der potenzielle Störer lässt sich charakte-

risieren, indemman Bandbreite, Form, Fre-quenzstabilität oder Drift der Störquellemisst und dabei über Stunden oder Tagehinwegdas zeitabhängigeAuftreten charak-terisiert. Darüber sollte man bestimmen, obdie Störquelle dauerhaft vorhanden ist, ge-pulst, moduliert oder nicht moduliert istsowie ob sie ihre Amplitude ändert.

Den Störer finden: Die an den Interference Hunter angebrachte Richtantenne lokalisiert eine möglicheStörquelle.

Bild:A

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Bild 1: Das Spektro-gramm oder auchWasserfall-Diagrammzeigt den Frequenzdrifteines Trägers.

Bild:A

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Bild 2: TDOA- (Time Difference of Arrival-)Plot von drei angeschlossenen Spektrumanalysatoren, um eineSignalquelle zu lokalisieren.

Bild:A

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Dazu hat der Messtechniker mit einemSpektrumanalysator ein leistungsfähigesWerkzeug, um die Störquelle zu charakteri-sieren.Mit der sogenanntenMax-Hold-Funk-tion des Analysators bekommt man bei-spielsweise einenÜberblicküber die gesam-te Bandbreite, die im zeitlichen Verlauf voneinemStörer beeinträchtigtwird. Außerdemlassen sich Masken ereignisbezogen spei-chern. Dazu werden sämtliche Ereignissegespeichert, in denen der Störer die vorein-gestellte Hüllkurven-Maske der Amplitudeüberschreitet. Vor allem dann, wenn derStörer periodisch oder zufällig auftritt. Hatder Messtechnik die Daten erfasst und ge-speichert, muss man sich die Messdatengenauer anschauenundabklären,woher diepotenzielle Störquelle stammt.

Die Jagd nach dem möglichenStörer beginntDie Analyse der Störquelle ist ein sehr

komplexes Verfahren. Es nützt dem Mess-techniker nicht, sich ausschließlich auf dieAuswertesoftware zu verlassen.Vielmehr istein hohes fachlichesWissen und Erfahrunggefragt. Über die Kanalleistungsfunktionlässt sich die Amplitude des Signals quanti-fizieren. Wichtig ist, dass man diesen Wertim Spektrumanalysator entsprechend guteingestellt hat.Weist der Störer beispielswei-se Frequenzdrifts auf, muss die Kanalleis-tungsbandbreite höher sein als dieBandbrei-te des Signals als solches. Das in Bild 1 dar-gestellte Spektogramm, oder auch als Was-serfallanzeigebekannt, isteinsehrnützlichesWerkzeug, um alle Messdurchläufe im Fre-quenzband durch Farbkodierung der Amp-

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lituden von Trägern aufzuzeichnen. DasSpektrogramm liefert Informationen zu Pe-riodizität oder Frequenzdrift. Umeinemaxi-male Wirksamkeit zu erreichen, sollten be-vorzugt Filter zum Einsatz kommen, welchedie Störfrequenz im Spektrumanalysatorisolieren.Damit soll verhindertwerden, dasszu viele Signale den Spektrumanalysatorüber dessen Eingang erreichen. Außerdemsoll erreichtwerden, dass unerwünschte be-nachbarte Signale nicht sortiertwerdenmüs-sen. Wenn das Störsignal in Erdbodennähefestgestellt wurde, helfen Softwaretools wiederMobile InterferenceHunter vonAnritsu.Dazuwirddie entsprechendeErfassungsan-tenne und die dazugehörigenMessgeräte soaufgebaut, dass der Benutzer das Signal un-ter Feldeinsatzbedingungen schnell und ef-fizient lokalisieren kann. Obwohl die Soft-ware die Suche nach einemStörern automa-tisiert und damit erleichtert, sollte der An-wender sich im Vorfeld auf die Messung gutvorbereiten.Mit der Software ist der Anwender in der

Lage, großeDatenmengen zusammenzutra-gen, während er ein Gebiet durchfährt. ImGegensatz dazu wird bei der Triangulationeinemögliche Störfrequenz von verschiede-nen Orten aus mithilfe einer Richtantenneund einem angeschlossenen Spektrumana-lysator punktgenau lokalisiert. Dabei kom-men typischYagi- oder logarithmisch-perio-dische Antennen zum Einsatz. Die währendder Fahrt gesammelten Daten liefern einbesseresVerständnis derHF-AbdeckungderStörquelle undder Störer lässt sich schnelleraufspüren. Bevor die Ortung eines Störers

beginnt, muss der Techniker eine Karte desgeographischen Gebietes erstellen. So lässtsich über Open-Street-Map eine Karte in dieSoftware des mobilen Interference Hunterladen. Sie visualisiert den Anwender, wel-ches Gebiet untersucht werden sollte. An-schließend wird der Spektrumanalysatorüber USB, Ethernet oder WLAN an Laptop/Tablet angeschlossen,womit sich alle benö-tigten Amplitudenwerte des lokalisiertenSignals anzeigen lassen.

Mit handgeführter Richt-antenne für die letzten MeterEin entscheidender Punkt ist, eine geeig-

nete Rundstrahlantenne auf dem Dach desFahrzeugs zu installieren. Der Mobile Inter-ference Hunter unterstützt beliebige Stan-dard-Rundstrahlantennen ohne Frequenz-beschränkung.Weitere hilfreiche Tools sindfeststehendeSonden, umdasFrequenzbandzuuntersuchen. Zusammenmit der entspre-chenden Software sind diese Geräte (Spekt-rumanalysatoren) in der Lage, eine Signal-quelle exakt zu lokalisieren.Hier kommtdasTDOA = Time-Difference-of-Arrival-Triangu-lationsverfahren zur Anwendung. Dabeiwerdendrei zeitsynchronisierte Sonden (Bild2) genutzt, die die Ergebnisse indenmobilenInterference Hunter einspeisen. Wurde dieStörquelle eingekreist, dann erfolgt im letz-ten Schritt die Triangulation zu Fuß. Hierzubenötigt man eine erstellte und auf einenLaptop lokal gespeicherte Karte. Der Laptopistmit dem Internet über eineMapping-Soft-ware verbunden, die später imSpektrumana-lysator zum Feststellen des Ortes verwendet

wird, an dem sich der Störer befindet. Jetztbeginnt die Lokalisierung des Störers imFeld: Dazu muss der Handheld-Spektrum-analysator über einen WLAN-Mini-Routeroder über ein Ethernetkabel an einem PC/Tablet angeschlossen werden. Der HF-An-schluss des Spektrumanalysators istmit derRundstrahl-Dachantenne und dem GPS-Empfänger-Anschluss zur GPS-Antenne aufdemDachdes Fahrzeugs verbunden. Je nachUmgebung muss der Fahrer in der Softwarefestlegen, ob er sich in einem unbewohntenGebiet, in der Stadt oder in einem Ballungs-raum befindet. Ein spezieller Algorithmusfür die Empfindlichkeit berücksichtigt denMehrwegempfang des Signals, das von Ge-bäuden und Bäumen reflektiert werdenkönnte.Zusammenmit demmobilen Interference

Hunter folgt der Fahrer den vonder Softwarevorgegebenen Fahranweisungen, um sichder geschätzten Position der Störquelle zunähern (Bild 3). Die Software schaltet in denModus Spot (Bild 4), der eine Heatmap aufdemDisplaydarstellt. DazumüssenalleMes-sungen in der Nähe des Bodens erfolgen. Esist zubeachten, dass sich ein Störer auchaufeinem Hügel oder in einem Gebäude befin-den könnte.In unwegsamen Gelände sollte der Mess-

techniker ein ergänzendes Messverfahrenanwenden: dieRichtungsfindung.Der Spek-trumanalysator wird mit einer handgeführ-ten Richtantenne sowie mit einer Reihe vonHilfsgeräten verbunden. So enthält der hand-geführte Interference Hunter des TypsMA2700A einen GPS-Empfänger, damit dieAntennekorrekt ausgerichtetwird.Dazu sindein Vorverstärker und ein Trigger zum sei-chern von Vektoren notwendig. Gemessenwird mit dem Spektrumanalysator die Leis-tung des Trägers der Störfrequenz. // HEH

Anritsu

Bild 3: Im Fahrmodus Scan zeigt die Software an, wohin der Fahrer fahren sollte,um die Messdaten aufzunehmen.

Bild 4: Im Fahrmodus Spot des Mobile Interference Hunters zeigt eine Heatmap,wo sich die Signalquelle befinden könnte.


Bild:A

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Bild:A

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AKTUELLE PRODUKTE //MESSTECHNIK

OSZILLOSKOP-SERIE

Bandbreite bis 2 GHz und ein Echtzeit-Eye-DiagrammBei seiner Oszilloskop-FamilieMSO 8000 verspricht Rigol einesignifikante Ergänzung zu sei-nemUltraVision-II-Oszilloskop-Portfolio, das ebenfalls denselbstentwickelten Chipset ent-halten. Verfügbar sind die Mo-delle in denStandard-Bandbrei-ten von600MHzüber 1 bis 2GHz(jeweils für zwei Kanäle) mit ei-nermaximalenAbtastrate von 10GS/s. Laut Hersteller gehörenautomatisierte Tests in Fabriken,Protokollanalysen für serielleBusse inder Fahrzeugelektronik,Messen elektronischer Schaltun-gen, Schaltleistungsmessungenund -analysen im Leistungsbe-reich zudenAufgabenderOszil-loskope.DieMSO-Variante hat Rigol um

zusätzliche Funktionen erwei-tert: Die Oszilloskope verfügenüber eine integrierteMessmetho-demit Echtzeit-Augendiagramm

Signalsuchfunktion sindwie alleüblichenSeriellenBus-Protokoll-Analyse- undTriggerfunktionenerhältlich. Integriertes Voltme-ter, Frequenzzähler und ein op-tionaler 2-KanalArbiträrer Funk-tionsgenerator rundendenkom-plettenMessumfang dieses 7-in-1-Gerätes ab.Auchverschiedene

Schnittstellen wie USB-Host,USB-Device, HDMI, LAN, USB-GPIB (Adapter) und AUX OUTsind verfügbar.Sämtliche Erweiterungen bie-

tet Rigol als Software-Upgradean. Dazu gehören höhere Band-breiten, MSO-Ready mit 16 digi-talen Kanälen, Serielles Deko-ding, Speichererweiterung unddie 2-Kanal-Arb-Waveformgene-rator-Funktionen per Software-Upgrade an.DerAnwender kannzudem auf ein umfangreichesZubehörprogramm zurückgrei-fen: Von aktiven und passivenTastköpfen, Hochspannungs-tastköpfen und 19-Zoll-Einbau-rahmen, Softwaretreiber für be-kannte Pakete und Hochspra-chen sowie die kostenloseUltra-Scope-Bediensoftware und einWeb Remote Control.

Rigol

und Jitter-Analysesoftware, wo-bei die Darstellung des Jitter-Trends speziell für die Digitale-Analysehervorzuheben ist. Viel-fältigste Trigger-, Mathematik-und Darstellmöglichkeiten(erweiterte FFT von 1Mio. Punk-ten, Masken-Test und Power-Analyse) sowie eine integrierte

Bild:Rigol

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EinLidar bestimmtdenAbstandzu umgebenden Objekten durchLaufzeitmessung von ausgesen-detenLaserstrahlen.DasRelease8.0der CarMaker-Produktfamilieermöglicht es, spezifischeEigen-schaften des Lidar virtuell zumodellieren und mithilfe einerVielzahl an Parametern indivi-duell zu gestalten. So könnenbeispielsweise Einbaupositionund -ausrichtung, Zykluszeitoder Sendeleistung und sogar

SENSORTECHNIK

Lidar-Sensoren virtuell testendas Beam Pattern benutzerdefi-niert eingestellt werden. Zudemist esmöglich, in der Simulationrotierende Lidarsysteme für360-Grad-Rundumblicke abzu-bilden.Um die nachgelagerten Algo-

rithmen oder Assistenzsystemetesten zu können, lassen sichauchEigenschaftender zudetek-tierenden Objekte wie Transpa-renz, Retroreflektivität, diffuseStreuung, Spiegelung und farb-abhängigeReflexivitätmodellie-ren. Die Intensität des reflektier-tenStrahlswirdüber ein schwell-wertbasiertes Verfahren vergli-chen, wobei auch derSchwellwert parametrierbar ist,umdie Empfindlichkeit der Emp-fangseinheit einzustellen.

IPG Automotive

Dank der VarioTAP-Technik vonGöpel electronic wird der R-Car-V3M-Bildprozessor von Renesasüber die Steuerung des Debug-Port zu einemTest- undProgram-mierinstrument. Mit VarioTAPhaben Entwickler von Baugrup-pen die Möglichkeit, mit den R-Car-V3M-Bausteinen Onboard-Programmierung mit ange-schlossenen Flash-Komponen-ten sowieRAM-Verbindungstestsauszuführen. Der Bilderken-

PROZESSOR-EMULATION

Test- und Programmierinstrumentnungs-SoC ist vor allem für denEinsatz in Front- und Surround-View-Kamerasystemen und Li-dar-Sensorsystemen optimiert.Das VarioTAP-Modell für den R-Car V3M ist eine Software-Opti-on, welche die Nutzung der ver-schiedenen Controller-Moduleüber die entsprechende Debug-Schnittstelle ermöglicht. Da-durchwerdendie verschiedenenFunktionen derModule für Test-programmenutzbar, der Control-ler also selber zu einemTest- undProgrammierinstrument. NachAuswahl des Controllermodellskönnen anschließend die ver-bundenen Hardwareeinheitensowohl getestet undvalidiert, alsauch der Flash-Speicher pro-grammiert werden.

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STROMVERSORGUNGEN //WANDLER


Wie sich die Eigenschaften vonPower-Modulen verbessern lassen

Kompakte, leistungsfähige Power-Module sind mit Abwärtswandlernund externen MOSFETs realisierbar, aber auch mit Wandlern und

integrierten MOSFETs. Dieser Beitrag vergleicht beide Möglichkeiten.

JOSH FRAZOR UND MATHEW JACOB*

* Josh Frazor... ist Product Marketing Engineer beiTexas Instruments in Dallas, Texas.

Power-Module müssen eine hoheLeistungsdichte, außergewöhnlichethermische Eigenschaften und eine

lückenlose Funktionsausstattung mitbrin-gen, umkonkurrenzfähig zu sein. EineMög-lichkeit, diese Vorgaben zu erfüllen, ist dieVerwendung von Abwärtsreglern (Buck-Controllern) im Verbund mit externenMOSFETs inder Leistungsstufe dieserModu-le. Diese Reglerarchitektur nämlich erlaubteine Skalierungdes LaststromsunddieWah-rung ausreichenderAbstände zwischendenwärmeerzeugenden Komponenten. Beides

ist wichtig bei der Entwicklung von Power-Modulen.Der vorliegendeBeitrag vergleichtdie Funktionsweise von DC/DC-Abwärtsreg-lern mit externen MOSFETs mit jenervon Wandlerlösungen, die über integrierteMOSFETs verfügen.

Überlegungen zu externenMOSFETsWandler besitzen imGegensatz zuReglern

integrierteMOSFETs, sodass dieMöglichkei-ten auf die vom Wandlerhersteller ausge-wählten MOSFETs beschränkt sind. Im Ge-gensatz dazu bieten Power-Module, die mitAbwärtsreglernundexternenMOSFETs kon-zipiert sind, Flexibilität bei der Wahl derMOSFETs für das jeweils gewählte Design,

woraus sich Vorteile für die Kosten und denBezugderBauelemente sowie die Skalierungdes Laststroms ergeben.Anallererster Stellesteht jedochdie Flexibilität, denRegelungs-FET und den Synchron-FET mit Blick aufoptimale Effizienz und ein bestmöglichesWärmemanagement zu dimensionieren.ZumBeispiel dürfte einPower-Modul, das

für Prozessorkerne Spannungen zwischen0,8 und 1 V bereitstellen soll, von einemSynchron-FETmit niedrigemRDS(on)-Wert pro-fitieren,während es in einemModul fürAus-gangsspannungen von 5 oder 3,3 V günstigist,wennRegelungs-FETundSynchron-FETähnliche RDS(on)-Werte aufweisen. WährendeinigeDesignsnach einemhohenWirkungs-grad verlangen, kann bei anderen die Kos-teneffektivität imVordergrund stehen. Einengroßen Pluspunkt stellt die Flexibilität dar,die Anpassung in Bezug auf beide Kriterienvornehmen zu können. Werden Regler undexterneMOSFETs verwendet, lassen sichdieLösungen für unterschiedliche Ströme ska-lieren, ohne den Regler auszuwechseln.

Die thermischen Eigenschaftenvon Power-ModulenEin entscheidendesKriteriumbeimEntwi-

ckeln vonPower-Modulen ist dasWärmema-nagement, denn jegliche Wärme, die nicht

hinreichend kontrolliert wird, kann denWirkungsgrad negativ beeinflussen

oder sogar die Leiterplatte beschä-digen. Es gibt viele Möglichkei-ten, Leiterplatten extern her-unterzukühlen– sei es durchfortschrittliche Kühlsyste-meoderKühlkörper. Beson-ders wirkungsvoll eindäm-men lassen sich Wärmeab-

fuhrprobleme jedoch, wenn diethermischen Aspekte bereits während derEntwicklung berücksichtigt werden.Eine Möglichkeit, ein Design von vornhe-

rein für bessere thermische Eigenschaftenauszulegen, ist eindeutig der Einsatz von

Beispiel einesPower-Moduls:das Entwicklungs-Kit LM27403EVM-POL600 30A mit demController LM27403.

* Mathew Jacob... ist Sr. System Application Ma-nager bei Texas Instrumentsin Santa Clara, Kalifornien.

Bild: Texas

Instruments

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DC/DC-Reglern, die mit externen MOSFETskombiniert werden. Grundsätzlich gilt zwarder Lehrsatz, dass es günstig für die Zuver-lässigkeit eines Systems ist, wenn man dieZahl der Bauelemente reduziert, jedoch gibtes auchAusnahmenvondieser Regel. BeimitWandlern bestückten Designsmuss z.B. be-rücksichtigt werden, welche Auswirkungendie von den integrierten MOSFETs erzeugteWärmeauf die Leistungsfähigkeit undZuver-lässigkeit des Reglers hat, denn schließlichbefinden sichMOSFETsundRegler in einemgemeinsamen Gehäuse. Auch wenn einWandler mit integrierten MOSFETs – reinelektrisch gesehen – genauso aufgebaut istwie die entsprechendeReglerlösung,wird ersich in der Regel stärker erwärmen, da sichdie integrierten MOSFETs nicht so einfachkühlen lassenwie diskrete Gehäusemit ent-sprechend größerer Oberfläche.

Externe MOSFETs können dieZuverlässigkeit erhöhenDa die externen MOSFETs weiter entfernt

vom Regler angeordnet sind, kann ein Sys-tem, das aus einem Regler und externenMOSFETs besteht, eine höhere Zuverlässig-

keit erreichen. Die Bilder 1 und 2 zeigen dieMessergebnisse der thermischenEigenschaf-ten zweier Power-Lösungen von Texas Inst-ruments, nämlich des Buck-ReglersTPS40400 mit PMBus und des Buck-Wand-lers TPS544B25 ebenfalls mit PMBus. DerTPS40400arbeitete imvorliegendenFallmit12VEingangsspannungund 1,2VAusgangs-spannung bei 20 A, der TPS544B25 dagegenmit 12 V Eingangsspannung, 0,95 V Aus-gangsspannung und einem Laststrom vonebenfalls 20 A. Die Lösung mit dem ReglerTPS40400 erreichte eine maximale Tempe-ratur von 47 °C, während sich der WandlerTPS544B25 auf bis zu 67,7 °C erwärmte. DieWärmebildermachen deutlich, dass die An-ordnungderMOSFETs in größeremAbstandzum Regler die thermischen EigenschaftenverbessernunddasRisiko senkenkann, dasses zu Ausfällen oder dauerhaften Beschädi-gungen der Leiterplatte kommt.Für eine weitergehende Analyse wird

ein Design, in dem ein TPS40345 mit ex-ternenMOSFETs verwendetwird,mit einemanderen Design verglichen, das mit demWandler TPS544C25 bestückt ist. Für diesenVergleich wird für beide Systeme unter

Bild 1:Das Power-Modul mit demTPS40400 erreichte eine ma-ximale Temperatur von 47 °C.

Bild:Texas

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Bild 2:Der Wandler TPS544B25erwärmte sich im Test auf biszu 67,7 °C.

Bild:Texas

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Forum für die Weiterentwicklungdes zyklischen Innovationsmanagements

in komplexen Systemen

Eine Veranstaltung von Marken und Partnern der

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ähnlichen Einsatzbedingungen die Verlust-leistung berechnet.Fall 1: Lösung mit einem Regler und

externen MOSFETs. Einsatzbedingungen:VIN = 12 V, VOUT = 1 V, IO = 20 A und 30 A,RDS(on)_HS = 9,6 mΩ, RDS(on)_LS = 2,6 mΩ,fSW = 600 kHz, L = 0,47 µH, 0,3 mΩ.Fall 2:Lösungmit imWandler integrierten

MOSFETs. Einsatzbedingungen: VIN = 12 V,VOUT = 1 V, IO = 20 A und 30 A, fSW = 500 kHz,L = 0,47 µH, 0,3 mΩ.Die Tabelle vergleicht die Verluste und

Temperaturanstiege für den TPS40345 undden TPS544C25. Fast alle Parameter ähnelnsich – mit Ausnahme der geringfügig höhe-ren Schaltfrequenz des TPS40345. Diesemüsste ihm einen gewissen Vorteil bringen,aber in einer Reglerlösung ist die Erwärmungder einzelnenBauteile speziell bei 30AAus-gangsstrom geringer als im Fall des Wand-lers. Wählt man für den low-seitigen Syn-chron-FET einen Baustein mit niedrigeremRDS(on)-Wert, lässt sichder Temperaturanstiegsogar noch weiter reduzieren.Bei der Berechnung der Verlustleistung

der Reglerlösung in Fall 1 wurden nur dieVerluste in den aktiven Bauelementen be-rücksichtigt, weil der Wandlerverlust dieSumme aus den Verlusten im Regler und indenFETs ist. ImFall desWandlerswurdedie

Wirkungsgradkennlinie herangezogen unddie Verluste in der Induktivität subtrahiert,umdieVerluste indenaktivenBauelementenzu erhalten.Bei der Betrachtung des sicheren Arbeits-

bereichs (SafeOperatingArea, SOA) inBild 3fällt auf, dass die Zahlen in der Tabelle sehrgut mit der SOA-Kurve bei natürlicher Kon-vektionübereinstimmen. ZumBeispiel ist für20 A in der Tabelle ein Temperaturanstiegvon 55 °C angegeben, und die SOA-Kurveweist für diesen Fall eine maximale Umge-bungstemperatur von80 °C aus. Die Summeaus Temperaturanstieg undmaximaler Um-gebungstemperatur aber sollte nahederma-ximalen Sperrschichttemperatur (Tj(max)) desBausteins von 125 °C liegen.Angenommen, der Bausteinwird bei 30 A

eingesetzt, dannwürdediemaximaleUmge-bungstemperatur im Fall des TPS544C2530 °C betragen. Für den TPS40345 im Ver-bund mit den externen FETs würde die ma-ximale Umgebungstemperatur dagegen 150°C–94,5 °C= 55 °Cbetragen.Der begrenzen-de Faktor ist hier der Tj(max)-Wert der FETs von150 °C. Für diemaximaleUmgebungstempe-ratur ergibt sich also eine signifikante Ver-besserung von 25 °C. Eine Optimierung fürden low-seitigenSynchron-FETkanndiesenbegrenzenden Faktor außerdem einfach au-

ßer Kraft setzen,während imFall desWand-lers andereKühlmethoden erforderlich sind.

Buck-Regler mit PMBus bietenzahlreiche VorteileBuck-Reglermit demals Industriestandard

etablierten PMBus bieten den EntwicklernzahlreicheVorteile gegenüber rein analogenLösungen. Da Buck-Controller mit externenFETs in ihrem Gehäuse nicht den zusätzli-chen Platz für integrierte FETs bieten müs-sen, können siemit kleinerenAbmessungenkonzipiertwerden.Nachteilig hieran istwie-derum, dass es bei kleineren Abmessungenweniger Pins gibt, undgenauhier kommtderVorteil der digitalen Kommunikation perPMBus ins Spiel.Ein PMBus-fähiger Regler verbindet aus-

gezeichnete Funktionalitätmit einemgerin-gen Pin-Count. Eine Funktion des PMBus,die für Power-Modul-Applikationen uner-lässlich ist, ist die Möglichkeit zur Optimie-rung der Ausgangsspannung. Zunächst ein-mal wirkt sich das Anpassen der Ausgangs-spannung nicht auf die Widerstandsteiler-Schaltungaus, unddarüber hinaus lässt sichdieAusgangsspannunggemäßdenAnforde-rungendes Systems anhebenoder absenken.Zum Beispiel kann durch Erhöhen der Aus-gangsspannung eine Anpassung an einehöhereVerarbeitungsleistung erfolgen,wäh-rend einAbsenken zur Energieersparnis bei-tragenkann. ImFall des TPS40400 lässt sichdieAusgangsspannungum±25%verstellen,was einen guten Spielraum bietet.Ein weiterer Vorteil, den die Verwendung

eines Reglers mit PMBus mit sich bringt, istdieMöglichkeit, bestimmteAspekte des Sys-tems bei laufendem Betrieb anzupassen.Anders ist es bei externenWiderständen, die– einmal installiert – nicht mehr geändertwerdenkönnen. Es gibt auchBuck-Controllermit verschiedenen Schutzfunktionen bei-spielsweise gegen Überströme und zu hoheTemperaturen (Thermal Shutdown).Ein programmierbarer Überstromschutz

und die Reaktivierung per Hiccup-Modusnach einer Störung, wie sie vom TPS40345gebotenwerden,maximieren die Designfle-xibilität undminimierendieVerlustleistungfür den Fall, dass es zu einem länger andau-ernden Kurzschluss am Ausgang kommt.Wenn die Sperrschichttemperatur des Bau-steins die Ansprechschwelle der Thermal-Shutdown-Funktion erreicht, werden derPulsweiten-Modulator (PWM)undderOszil-lator abgeschaltet, und die HS- und LS-Pinswerden auf Low-Status gelegt. Hat sich dieSperrschichttemperatur auf das nötige Ni-veau verringert, veranlasst der PWM einenSoftstartwährend einesnormalenPower-up-

Tabelle: Vergleich der Verluste und Temperaturanstiege.

Bild:Texas

Instruments

Bild 3:Die Zahlen in der Tabellestimmen sehr gut mitder SOA-Kurve beinatürlicher Konvektionüberein.

Bild:Texas

Instruments

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Zyklus. Diese Schutzeinrichtungen stellensicher, dass dasPower-Modul in Situationen,die außerhalb der Spezifikationen liegen,keinenSchadennimmt,wasder allgemeinenZuverlässigkeit zugutekommt.Viele Buck-Regler bieten zusätzlich eine

FSS-Funktion (Frequency SpreadSpectrum),die die Spitzen im EMI-Spektrum verringertund das Einhalten der EMI-Vorschriften er-leichtert. Im Fall des TPS40345 wird bei ak-tivierter FSS-Funktion mithilfe einer 25 kHzbetragendenModulationsfrequenzmit drei-eckförmigem Profil die Frequenz des inter-nenOszillators über ein bestimmtesMindest-fenster variiert. Durch das Modulieren derSchaltfrequenz entstehenSeitenbänder. DieEmissionsleistungderGrund-Schaltfrequenzund ihrer Oberwellen wird somit in kleinereTeile untergliedert und auf mehrere Seiten-bandfrequenzen verteilt.

Das Design sollte möglichstvielfältig seinEntwickler von Power-Modulen sind dar-

auf angewiesen, dass ihre Designs vielseitig

sind und mit einer breiten Palette externerBauelemente eingesetztwerdenkönnen.Ob-wohl dieModule über eingebauteAusgangs-kondensatoren verfügen, bestückendieKun-den die Leiterplatten, auf denen dieModulemontiertwerden,möglicherweisemitweite-ren externen Kondensatoren. Dies hat zwarEinfluss auf die Stabilität der Regelschleife,jedoch können die Entwickler die Schleifemit bestimmtenMethodendynamisch stabi-lisieren. Regler bietenEntwicklerndie Flexi-bilität zur individuellen Anpassung ihrerModulemit einer Option zur Auswahl exter-ner Bauelemente und anderen Controller-Features, wie etwa einer einstellbaren Aus-gangsspannung, einemÜberstromschutz fürden Ausgang usw.

Der Platzbedarf ist oftmals einwichtiges KriteriumDer Platzbedarf der Lösung stellt oftmals

einwichtigesKriteriumdar. In demVergleichzwischen TPS40345 und TPS544C25 ergibtderWandler kleinere Lösungsabmessungen(69mm2 gegenüber 35mm2). Genau aus die-

semGrund sindWandlermit ihren integrier-tenFETs in zahlreichenAnwendungenüber-aus populär.

Power-Module erfordern vielFeintuningDasEntwickeln vonPower-Modulen erfor-

dert zahlreiche Feinabstimmungen, umeinegrößtmögliche Leistungsdichte zu erzielen.Eine Möglichkeit, diese zu erreichen, ist dieVerwendung von Abwärtsreglern, die mitexternen MOSFETs kombiniert werden. Ab-wärtsregler bieten hervorragende thermi-sche Eigenschaften, die zu einem hohenGrad anZuverlässigkeit undEffizienz beitra-gen. Zusätzlich bieten sie den Entwicklernvon Power-Modulen eine Menge Flexibilitätdurch die Verwendung externer MOSFETs,die das Skalieren über einen weiten Strom-bereich ermöglichen. Integrierte Funktionenwie Schutzfunktionen, PMBus-Fähigkeit undFSS machen die Power-Module sogar nochinteressanter. // TK

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STROMVERSORGUNGEN // POWER OVER ETHERNET


Power over Ethernet – wenn derStrom aus dem Netzwerk kommt

Immer mehr Geräte benötigen Strom und Daten. Deshalb wird Powerover Ethernet (PoE) immer beliebter, denn es überträgt nicht nurDaten, sondern liefert auch Strom über Standard-Ethernet-Kabel.

CHARLIE ICE *

* Charlie Ice... ist Senior Product Manager beiSilicon Labs in Austin, Texas.

Das Internet der Dinge (IoT) erweitertdie kommerziellen Systeme inBüros,EinkaufszentrenundLagerstättenum

immermehr intelligente Funktionen. SmarteBüros sind moderne Wunderwerke, die denEnergieverbrauch reduzierenundgleichzei-tig denArbeitsbereich verbessern. Einkaufs-zentrenundStadiennutzenFunkanbindung,

um Kunden besser zu bedienen und die Be-legung zu verfolgen. Sensoren und HF-Tagsrevolutionieren die Nachverfolgung von Be-ständen (Asset Tracking). Alle diese Systemebenötigen sowohl Stromals auchDaten. Beieinigen Systemen können Batterien jahre-lang halten, aber bei Anwendungen, diemehr Stromverbrauchen, z.B. bei einemAc-cess Point, sorgen Batterien schnell für Ein-schränkungen. Power over Ethernet löstdieses Problem, indem sowohl Strom alsauchDatenüber ein einzigesKabel bereitge-stellt werden. Da die Ethernet-Verkabelungin kommerziellenUmgebungenweit verbrei-tet ist, lässt sich PoE problemlos über vor-

handene Kabel bereitstellen. Die meistenEthernet-Switches bieten die Option, PoEeinzubinden, und immer mehr Installatio-nen enthalten standardmäßig PoE. Diejüngsten Fortschritte bei PoE-ICs lösen dieHerausforderungen hinsichtlich der IEEE-Konformität, des DC/DC-Wandlers und derelektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)für Endsysteme und machen PoE zu einereinfachen Ergänzung eines IoT-Systems.

Anfangs versorgte Power overEthernet IP-Telefone mit StromEntwickelt wurde PoE vormehr als einem

Jahrzehnt, um IP-Telefone mit Strom zu ver-

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Power over Ethernet:stellt eine leistungsfähige Datenkommunikationbereit und liefert zudem den benötigten Strom überStandard-Ethernet-Kabel.

Bild:Tascha-stock.ado

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sorgenundderenAkzeptanz zu fördern.DerErfolg von PoE basiert darauf, eine transpa-rente Ergänzung zum Ethernet zu sein. DieTechnik arbeitetmit Standard-Cat5/6-Ether-net-Kabeln und -Längen und benötigt keinespeziellen Genehmigungen oder Inspektio-nen. Ein PoE-Ethernet-Port funktioniert mitPoE- und nicht PoE-fähigen Geräten. Ur-sprünglich musste die Stromversorgung(PSE; Power Sourcing Equipment), die dasEthernet-Kabelmit Stromversorgt, vomglei-chen Anbieter stammen, der auch das mitStrom versorgte Gerät (PD; Power Device)bereitstellt, das den Strom aus dem Kabelbezieht. Um Interoperabilität undSicherheitzu gewährleisten, hat die IEEE im Jahr 2003den PoE-Standard 802.3af veröffentlicht.Dieser erste Standard ermöglichte demPSE,bis zu 15 W Leistung in das Ethernet-Kabeleinzuspeisen. Das PD konnte dann – unterBerücksichtigung der Verluste bei einerma-ximalen Kabellänge von 100m – Daten undbis zu 13 W Leistung empfangen. Der Stan-dard 802.3af PoE definierte eine Standard-Erkennungssignatur für das PD und einen

analogenHandshake zwischenPSEundPD,um die Stromversorgung auszuhandeln.Im Jahr 2009 veröffentlichte das IEEE-

Konsortium den 802.3at-Standard, der diemaximale Leistung auf 30W für die Einspei-sung und auf 25W für die Entnahme erhöh-te. Im Herbst 2018 veröffentlichte das IEEEden Standard 802.3bt, der vier neue Leis-tungsstufen bis zu 90W (vomPSE) und 71W(für das PD) einführte. Diese IEEE-PoE-Stan-dards (Tabelle) sind vollständig abwärtskom-patibel und stehenüber ein Standard-Cat5/6-Ethernet-Kabel (100m) zur Verfügung. Älte-re IP-Telefone, die demallerersten IEEE-PoE-Standard802.3af entsprechen, können somitweiterhinmit demneuestenEthernet-Switch(802.3bt) betrieben werden. Ein PoE-Switchaus der Vergangenheit versorgt neueste802.3btWirelessAccess Points ebenfallsmitStrom–allerdingsmit einer geringerenLeis-tung. Auchwenn sichder PoE-Standardwei-ter verbessert, bleibt das Grundprinzip dertransparenten Stromzufuhr über Ethernet-Kabel unverändert.In denPoE-Standards der IEEEbleibendie

grundlegendenFunktionsprinzipien vonPoEunverändert. PoE speist zwischen 48 und57 VGleichtaktstrom in die verdrillten Ader-paare eines Ethernet-Kabels, indem dieEthernet-Transformatoren mit Mittelabgrif-fen versehenwerden. Die Spanne von 48 bis57V reduziert denStromdurchdas Ethernet-Kabel undhält die Spannungniedrig genug,

Bild 1: Verdrillte Aderpaare in einem Ethernet-Kabel, das über PoE mit Strom versorgt wird.

Bild:SiliconLabs

Bild 2: Zwei verdrillte Aderpaare versorgen das PoE-System.

Bild:SiliconLabs

um den Installationscodes für die Ethernet-Verkabelung zu entsprechen. Bei Systemenmit 30 W und weniger, die den Standards802.3af und 802.3at entsprechen, versorgtdas PSE nur zwei der vier verdrillten Paare,wobei ein Paar positiv und ein Paar negativist. Der neue Standard 802.3bt verwendetalle vier verdrillten Paare, um die Energie-versorgung effizienter zu gestalten und dieGesamtleistung zu erhöhen (Bild 1).Alle IEEE-konformen PDs werden unab-

hängig vonder Leistungsstufe über eineEin-gangsbrücke über alle vier verdrillten Paaremit Strom versorgt, da nach dem ursprüng-lichen IEEE-802.3af-Standard zwei der vierPaare mit beliebiger Polarität versorgt wer-den konnten. Um sicherzustellen, dass nurPoE-fähige Geräte mit Strom versorgt wer-den, liefert das PSE nur dann Strom, wennes eine gültige Signatur vom PD erkennt.SobalddasPSE ein gültiges PDerkennt, star-tet es den Klassifizierungsprozess, um dievom PD angeforderte Leistung zu ermittelnund dem PD mitzuteilen, wie viel Leistunggewährt wird. Die Klassifizierung der physi-kalischen Schicht ist ein rein analoger Pro-zess und erfolgt völlig unabhängig vom Da-tenpfad.

PSE und PD einigen sich aufden Datenpfad zur StromzufuhrNachdem die Klassifizierung abgeschlos-

sen ist, fährt das PSE mit der Stromversor-

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gung des PD fort. Mit den Standards 802.3atund -btwurdedasKonzept eingeführt, nachdemEinschaltendes PDüber denDatenpfaddie Stromzufuhr auszuhandeln. Diese Tech-nikwird als LLDP (LinkLayerDiscovery Pro-tocol) bezeichnet. Die PoE-Standards unter-teilen die Leistung in verschiedene Ebenen(Klassen). Jede Klasse hat eine maximaleLeistung, die vom PSE in das Kabel gespeistwird, und eine maximale Leistung, die andas PD abgegeben wird. Zusätzlich ordnetdasPSEdemPDeineKlasse zu, die niedriger

sein kann als die vomPD angeforderte Klas-se. Bezieht das PDmehr Strom als die zuge-wiesene Klasse, wird es vom PSE getrennt.Wichtig ist, dass der Systemcontroller in je-demPoE-PD-Designdie zugewieseneKlasseüberprüft und die Leistungsaufnahme desPD-Systems entsprechend anpasst. Mit die-ser einfachen Überprüfung kann das PD-System unter allen Bedingungen einen zu-verlässigen Betrieb gewährleisten.Moderne Power-over-Ethernet-ICs und

Entwicklungstools vereinfachen eineweite-

re wichtige Anforderung von PoE-Anwen-dungen: den DC/DC-Wandler. Während diebei PoE verwendeten 50 V den Strom imEthernet-Kabel verringern, arbeitendiemeis-ten PDs, die über PoE mit Strom versorgtwerden, mit einer viel niedrigeren Span-nung, z.B. 5 oder 3,3 V. Dies stellt Entwicklervor dieAufgabe, eineDC/DC-Leistungswand-lerstufe zu integrieren. Heute enthalten diemeisten PoE-PD-ICs einen hocheffizientenDC/DC-Controller undbietenEntwicklungs-boards für viele gängige PoE-PD-DC/DC-Wandler (Bild 2). Mit dieser Single-Chip-Lösung können sich Entwickler auf die dreiHauptaspekte der PoE-DC/DC-Versorgungkonzentrieren: Isolation, Effizienz und elek-tromagnetische Störungen.Ist für ein PoE-PD-System eine Isolierung

erforderlich, beeinflusst dies denAufbaudesNetzteils. PoE arbeitetmit einer sicherenNie-derspannung. Ist jedoch Metall eines Steck-verbinders oder Gehäuses dem Endnutzerausgesetzt, ist eine Isolierung erforderlich,um ihnvor versehentlichen elektrischenStö-ßen zu schützen.Verfügt das PD-Systemübereinen Kommunikationsanschluss mit Mas-severbindung, z.B.USBoderUART, ist eben-falls eine Isolierung erforderlich. Dies sindallgemeine Richtlinien – ziehen Sie besser

Tabelle: PoE-Standard-Spezifikationen nach IEEE 802.3.

Bild:SiliconLabs

ABONNENTENSERVICEDataM-Services GmbHFranz-Horn-Straße 2, 97082 WürzburgMarcus Zepmeisel, Tel. +49-931-41 70-4 62, Fax -4 [email protected], www.datam-services.de

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Bild 3: Abgestrahlte Störungen des 5V/30W-PoE-Evaluierungsboards Si34061 von Silicon Labs.

Bild:SiliconLabs

einenSicherheitsexperten zuRate, bevor SieEntscheidungen zur Isolierung treffen.Nachder Entscheidungüber die Isolierung

ist die nächste Überlegung die Konfigurati-on/Topologie der DC/DC-Stromversorgung.Die meisten nicht isolierten Designs, die13 W oder weniger benötigen, basieren aufeiner einfachen Abwärtswandler-/Buck-To-pologie, die kostengünstig ist, aber nichtisoliertwerden kann. Ab 13+WLeistungbie-tet ein Sperrwandler einen besseren Wir-kungsgradundeinemögliche Isolierung– istjedoch komplexer als ein Abwärtswandler.Bei denneuenhohenLeistungendes 802.3bt-Standards verwenden viele Systeme einenDurchflusswandler, um einen hohen Wir-kungsgrad aufrechtzuerhalten, wenn dasSystemmehr als 51 W Leistung benötigt.

Die EMV-Anforderungenmüssen erfüllt werdenSchließlich muss die DC/DC-Versorgung

strengeEMV-Anforderungen erfüllen, damitsich das Endprodukt weltweit verkaufenlässt. Dies ist einer der herausforderndstenAspekte bei der Entwicklung des DC/DC-Netzteils und beinhaltet eine Mischung ausAnpassendes Layouts, Hinzufügen vonEnt-störgliedern und Anpassen der magneti-schen Bauelemente. Der in vielen PoE-ICsintegrierteDC/DC-Controller bietet Funktio-nen, um die EMV zu verbessern, z.B. PWM-Frequenzspreizung.Bei all den Auswahlmöglichkeiten, Ent-

scheidungen und Anpassungen, die für ei-nenDC/DC-Wandler erforderlich sind, arbei-tenNeulinge ambestenmit einemReferenz-

design oder einem Evaluierungsboard. Diemeisten Anbieter von PoE-ICs bieten isolier-te und nicht isolierte Designs, die in einemEndsystem eingesetzt werden können. Eini-ge stellen sogar einenEMV-Testbericht bereit(Bild 3), um zu beweisen, dass ihr PoE-IC-und Wandler-Design bei korrekter Anpas-sungdie EMV-Anforderungen erfüllt. DerDC/DC-Wandler stellt eine zentraleHerausforde-rung für jedes PoE-Design dar. Die neuestenPoE-ICs, Entwicklungsboards und Support-Materialien machen diese Technik jedochzugänglicher denn je.Da immer mehr Geräte Strom und Daten

benötigen, ist die Fähigkeit von PoE, Stromüber Standard-Ethernet-Kabel zu liefern, beiEntwicklernundEndkundenäußerst beliebt.Um diese neuen Möglichkeiten zu nutzen,machen es die Anbieter von PoE-ICs einfa-cher denn je, die IEEE-Standards einzuhal-ten, die PoE-Spannung effizient zu senkenund die EMV zu verbessern.EbensohabendieHersteller vonEthernet-

Switches PoE zu einer Standardoption invielen kommerziellen Installationen ge-macht. Dies bietet Entwicklern die Gelegen-heit, das Potenzial leistungsfähigerer intel-ligenter Internet-Anwendungen zu nutzen,indem einfach ein Ethernet-Port mit PoEhinzugefügt wird.StromundDatenwerdenüber ein einziges,

einfach zu installierendes Kabel geliefert,ohne dass Batterien ausgetauscht oder dieSignalintegrität kompliziert überwachtwer-denmuss. // TK

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LICHTTECHNIK // BELEUCHTUNGSTECHNIK


Eine Alternative zurStraßenbeleuchtung mit LED

Weniger Lichtverschmutzung, und auch beim Energieverbrauch gibtes eine seit vielen Jahren bewährte Alternative zur LED: die Natrium-

dampf-Hochdrucklampe. Was ist an der Aussage dran?

RALF KLEINODT *

* Ralf Kleinodt... ist Geschäftsführer von KDElektroniksysteme in Zerbst.

Bei Elektrofachbetrieben, aber auchBürgermeistern, Bauamtschefs undBetreibern von Industrie- und Gewer-

beparksmuss imErgebnis intensiver staatli-cher Einflussnahmeder Eindruck entstehen,

die Zukunft der Beleuchtung kommunalerStraßen, Plätze und von Gewerbeflächenliege ausschließlich bei lichtemittierendenDioden, kurz LED. Zumindest eine techni-sche Alternative braucht den Vergleich mitLED absolut nicht zu scheuen, spielt jedochin der öffentlichen Darstellung kaum eineRolle: DieRede ist vonNatriumdampf-Hoch-drucklampen, kurz NAV oder HPS.Seit Jahrzehnten im Einsatz bieten sie bis

zu 70.000 Betriebsstunden und haben die

Bilder:LeipzigerLeuchten

undAu

raLight

gleichemittlere Lebensdauerwie LEDs.Aus-sagekräftiger: Namhafte Hersteller wie dasschwedisch-deutsche Unternehmen AuraLight garantieren bei 48.000 Betriebsstun-den einen Ausfall von unter zehn Prozent.Allerdings hatten Natriumdampf-Hoch-

drucklampen langedenMakel,mehr Energieals eine LED zu verbrauchen. Doch das istVergangenheit. DennNAV-Leuchtenkönnenheute bedarfsabhängigmassiv gedimmtwer-den – und bleiben dabei technisch stabil.Forschungsingenieure aus Sachsen-Anhalthaben schonvor über einem Jahrzehnt einenWeg gefunden, den Verbrauch der Lampenin den verkehrsarmen tiefen Nachtstundenfrei programmierbar umbis zu 67% zu dros-seln, ohne die Spannung zu verändern. Beidemvielfach ausgezeichneten, physikalischalternativenDimmlight-Verfahrenwird stattdessendie Stromstärke gedrosselt.Mit dieserBetriebsweisemit konstant geregelter Span-nung werden die Leuchtmittel auch bei ma-

ximaler Dimmung sicher betrieben undes verlängert die Lebensdauer spür-bar.

Mit der NAV kann dieKommune Geld ein-sparenIm Jahresmittel werden Energie-

verbrauchundKostenhalbiert. Dabeigilt: Die Einsparungwird vomAnbieter

KD Elektroniksysteme vorher errechnetund in kWh und Euro verbindlich zugesi-chert. AufWunsch erhält die Kommune eineGeld zurück-Garantie –auf die Technik wieauch die Kosten des Einbaus. Den überneh-men stets ortsansässige Fachbetriebe. Dienachrüstbare, für oft noch lange erhaltens-werte Bestandsanlagen wie Neuinstallatio-nen gleichermaßen geeignete Technik istLEDenergetisch ebenbürtig.Wohl auchdes-halb hat die EU gerade ein Verbot der NAV-Lampen ausgeschlossen. Sie blieben dauer-haft in voller Bandbreite der Wattagen undLumenzahl am Markt, hieß es nach den

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Straßenleuchte:Die Natriumdampf-Hochdrucklampe(NAV) als Alternative zur LED. Bei dermittleren Lebensdauer kommt die AuraSodinette-SE/-ST auf 70.000 Stunden.

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jüngsten Brüsseler Beschlüssen aus demBundesumweltamt. Auch Leuchten undMastköpfe fürNAVwerden von etlichenHer-stellern wie dem Traditionsanbieter Leipzi-ger Leuchten in vielfältigen Formen undPreisklassen geliefert.BetrachtetmandieKostenderKombinati-

on aus NAV-Leuchtmittel und Dimmer überden gesamten Lebenszyklus bis zum übli-cherweise wenig beachteten Tag der Ersatz-beschaffung, ist sie deutlich günstiger alsLED. Fällt doch mal eine Lampe aus, wirdErsatz fürwenige Euromit ein paarHandgrif-fen eingeschraubt. Für Anschaffung undInstallation der Technik benötigendie Kom-munendank eines preisgekröntenFinanzie-rungsmodells zudem keinen Cent zusätzli-che Investitionsmittel. Ihnen fließt vielmehrvon Anfang an Geld für ihren Haushalt zu.Es handelt sich somit um eine rentierlicheInvestition – jedoch ohne Investaufwand.Deshalb ist die Dimmlight-Lösung sogar fürStädte und Gemeinden in wirtschaftlicherNot geeignet.

Gut für die Umwelt – WenigerLichtverschmutzung mit NAVMitNAVkommt einweitererVorteil hinzu:

Natriumdampf-Leuchten mit ihrem warm-orangen Licht tragen nachhaltig zum Insek-tenund Umweltschutz bei. Einerseits ver-ringert ihre Dimmung die bundesweit stetigsteigende absolute Lichtmenge, StichwortVerlust derNacht oder Lichtverschmutzung.Andererseits emittieren sie, wie namhaftedeutscheForschungseinrichtungenbetonen,im Gegensatz zu LED kaum ultraviolette,

blaue und grüne Lichtanteile. Genau dieseLichtverschmutzung bedroht bekanntlichInsekten, Singvögel und wohl auch diemenschlicheGesundheit. Der Bundestaghatdeshalb bereits eine Technologiefolgeab-schätzung zu LED veranlasst. Diese Argu-menteüberzeugenElektroprofiswieVerwal-tungen – sofern sie davon erfahren.

Mit einer Dimmlösung spürbarKosten sparenBeispielsweise hat die Stadt Radeburg bei

Dresden Teile ihrer Beleuchtung des Gewer-begebiets mit Dimmern nachgerüstet. ImJahr 2017 hatte die Stadtverwaltung nur zu-fällig von der energetisch wie ökologischvorteilhaften Sparmöglichkeit gehört, luddieProduzenten zu einer Informationsrunde ein.Eine Bauamtsmitarbeiterin fuhr zudem zuFachkollegen inderNachbarstadtHeidenau

LICHTTECHNIK // BELEUCHTUNGSTECHNIK

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und erkundigte sich nach deren mehrjähri-ger praktischer Erfahrung mit der Dimmlö-sung inder Straßenbeleuchtung. ImErgebniswurdenEnde 2018 vierDimmer imGewerbe-gebiet installiert. Sie regeln 87der insgesamt350 Lichtpunkte mit 12.400 W, die etwa einViertel des Geländes abdecken. Dadurchsinkt ihr Jahresverbrauch um 27.000 kWh;das bringt eine Ersparnis von ca. 6000Euro.Steigt der Strompreis künftig an, wächst

die Einsparwirkung mit. Ebenfalls Jahr fürJahrwirddie CO2-Emissionumüber 17.000kggemindert. Die Neuanschaffung inklusiveMontagebei einer Straßenlaterne amortisiertsich innerhalb vondreieinhalb Jahren.Dem-nächst will Radeburg weitere AbschnitteseinesGewerbegebietesmit der Technik aus-statten. // HEH

KD Elektroniksysteme

Kein Verbot der Natrium-HochdrucklampeLaut Informationen des Umweltbundes-amtes sind weder auf Bundes- noch EU-Ebene Einschränkungen für den Einsatzder Natrium-Hochdrucklampe (NAV)vorgesehen. Somit haben die Kommu-nen jetzt Planungssicherheit: Anders alsQuecksilberdampf-Leuchtmitteln drohtden mit bis zu 70.000 Betriebsstundensehr langlebigen Hochdruck-Natrium-dampflampen keinesfalls das Ende. In

Verbindung mit moderner Dimmtechniksollen NAV-Leuchten von europäischenAnbietern den LED-Systemen energe-tisch ebenbürtig sein. Bezieht man dieErsatzbeschaffung mit in die Kalkulati-on ein, dann sind sie kostenseitig sogarüberlegen. Auch in puncto wachsen-de Lichtverschmutzung sowie wissen-schaftlich nachgewiesene Umweltschä-digung sind NAV positiv zu bewerten.

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AKTUELLE PRODUKTE // LED-BELEUCHTUNG

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Optimales Lichtspektrum mit nur einer LED erreichenSpeziell für die Anforderungenan Pflanzen, dem sogenanntenHorticultural Lighting, bietet eu-roLighting die LEDs von Allixvor. Sie bieten eine speziellePhosphor-Zusammensetzung,um den notwendigen Blau- undRotanteil auszustrahlen, umdasWachstum der Pflanzen zu för-dern. Grundsätzlich sind dieLEDs mit verschiedenenLichtspektren als SMD-LEDs (5,6mm x 3 mm, 5,4 mm x 5 mm, 2,8mm x 3,5 mm, 3,5 mm x 3,5 mm,1,8mmx 1,8mm) sowie alsHigh-Power-COBs (13mmx 13mmbis

Beleuchtungslösung für ihrePflanzen.Zum biologischen Hinter-

grund: Erst wenn die Pflanzeeine ausreichende Menge anLicht erhält, kann eine verstärk-te Photosynthese stattfinden,welche die Bildung von neuenZellen sowie ihr Wachstum an-regt. Zusätzlich für das Wachs-tumausschlaggebend ist,welcheLichtanteile bei der Pflanze an-kommen. Förderlich für dasPflanzenwachstum sind dieblauenund rotenWellenlängen,die vom Blattgrün bzw. Chloro-

phyll in der Pflanze absorbiertwerden.Wie sich die einzelnen Licht-

anteile auf das Pflanzenwachs-tumauswirken, lässt sichmithil-fe von Feldversuchen mit Salat-pflanzen verdeutlichen. Übereinen Zeitraum von 21 Tagenwurde jede Jungpflanze einerseparatenBeleuchtungmit einerbestimmtenWellenlänge ausge-setzt. Einmaximaler Ertrag ergabsich bei einer Wellenlänge von455 nm (blau) und 660 nm (rot).

euroLighting

38 mm x 38 mm) verfügbar. Er-hältlich sind zudemkundenspe-zifische LED-Module.Hier unter-stützt der Anbieter bei der Er-mittlung der individuellen An-forderungen und begleitet dieKunden bis zur optimalen

SMD-LED

Hochleistungs-LED für Taschenlampen und ArbeitsleuchtenDie Osconiq P 3030 von OsramOpto Semiconductors ist eineHochleistungs-LED, die in derAllgemeinbeleuchtung einge-setztwird.Dankder langjährigenErfahrung für die Beleuchtungim Automobilbau gelang es denEntwicklern die Erfahrungswer-te – speziell imKombinieren vonLead-Frame-Technik mit Hoch-leistungschips – in Hochvolu-menprodukte für die Allgemein-beleuchtung zu transferieren. Essind vor allem die verwendetenKeramikgehäusen, bei denen einAnwender keinerlei Abstriche in

bis 5000Kab. Bei einemCRI von70 liegt der Lichtstrom von160 lm bei 5000 K. Hier liegt dieEffizienz bei 161 lm/W.Bei einemCRI von 80 liegt der Lichtstrombei 135 lmundbei einer Farbtem-peratur von 3000Kbei 136 lm/W.Beide LEDs lassen sichmit einemStromvon 1,3Abetreiben. BeideProdukte messen 3,0 mm x3,0 mm bei einer Höhe von 1,63mm. Damit lassen sich kompak-te und platzsparende Leuchten-designs entwickeln.Die zwei weißen LEDs sollen

um farbige Versionen in Deep

Blue (450 nm), Blue (470 nm),True Green (528 nm), Red(623 nm), Hyper Red (660 nm)und Far Red (730 nm) ergänztwerden.

Osram Opto Semiconductors

Kauf nehmenmuss. Das speziellentwickelte SMD- (Surface-Mounted-Device-)Gehäuse mitSilikon-Linse sorgt für eine ent-sprechende Helligkeit und eineLebensdauer von >70k Stunden.Der Anwender kann die LED fürdie Innen- und Außenbeleuch-tung verwenden: Dazu steht derkomplette CCT-Bereich zwischenzwei CRI Versionen mit 70 und80 bereit. Während die Variantemit einemCRI von 70 inFarbtem-peraturen von 2700 bis 6500 Kbietet, deckt die Versionmit CRI80 eine Farbtemperatur von 2200

Bild:O

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AKTUELLE PRODUKTE // LASERTECHNIK


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DasHerzstückdesOrion-Modulsvon Laser Components ist einleistungsstarker Einfrequenz-External-Cavity-Laser (ECL) aufder Basis der Planex-Technik.Aufgebaut ist das Lasermodulaus einem Verstärkerchip undeinem PLC (Planar LightwaveCircuit) mit einem Bragg-Gitterund befindet in einem Gehäusemit kleinem Formfaktor. DieseKomponenten formeneinen ver-größerten Laserresonator, derneben der extrem geringen Lini-enbreite weitere Vorteile bietet– beispielsweise eine niedrigeWellenlängenempfindlichkeitgegenüber Bias-Stromund Tem-peratur. Verfügbar sind die La-sermodule neben den Standard-Wellenlängen 1550 nm und1064nmauch in ITU-T-Grid- undkundenspezifischen Wellenlän-gen.NebenAusgangsleistungenbis zu 20 mW bietet das Orion-Modul einen niedrigen RIN,niedriges Phasenrauschen bei

LASERMODUL

Mit einer schmalen Linie

schmaler Linienbreite bei einerhohenWellenlängenstabilität.Mit den genannten Eigen-

schaften eignen sich die Orion-Lasermodule fürAnwendungen,die eine hohe Genauigkeit undAuflösung erfordern.Dazugehö-ren unter anderem Optische Pa-rametrische Oszillatoren (OPO),hochauflösende Spektroskopieoder Lidar.

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Einen wassergekühlten Ein-schubdesniederländischenHer-stellers PBF bietet Schulz-Elect-ronic für Laser-Anwendungen.Das modulare System kann mitbis zu zwölf Kanälen mit einemAusgangsstrom von 18 A pro Ka-nal bestückt werden. Es liefertdie Energie für Single-Chips undeignet sich als Treiber für diePumpquellen von Faserlasern.Außerdem bietet PBF eine soge-nannte High-Power-Standard-Plattform an,mit der Entwicklereine spannungs-programmier-bare Versorgungsplattform mitBaseplate-Kühlung aufbauenkönnen. Damit lassen sich ein-zelne Geräte-Ausgangsleistun-

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OEM-Treiber und Pulsgeneratoren

gen zwischen 2 bis 20 kW bis zutotal 160 kW kaskadieren. DieQuellen sind für die VersorgungvonDC/DC-Laserdiodentreibernbei einer Lastanforderungbis zu200 kHz geeignet. Sie weisen ei-ne hohe Leistungsdichte vonbeispielsweise >17W/in³ bei denModellen mit 3,8 kW auf.Die kompaktenUltrakurzpuls-

Treiber sindnicht größer als eineBriefmarke. Sie bieten Anstiegs-zeiten ab 700 ps bei 10 A, Puls-breiten von 1 ns bis zu Mikrose-kunden. Sie eignen sich für dieDirektmontage der Laserdiodeauf der Platine.

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ZUM SCHLUSS


Start-up-DNA – Fauler Zauber oderunausweichlich?

„Klassische Start-ups verkörpern alles, was die Wirtschaftmomentan so dringend benötigt und was Konzerne heutegerne wären. Warum wollen viele Unternehmen so sein?

Wie ändert sich die Arbeitsweise?“

In Zeiten des disruptiven wirtschaftlichen Wandels gelten Start-upsund ihre typischenMerkmale für etablierteUnternehmenalsder Heilige Gral. Doch was reizt Konzerne an den hippen Jung-

unternehmen und brauchen gestandene Unternehmen wirklichmehr Start-up-Spirit? Letztendlich dreht sich alles um den unkon-ventionellen Geist, mit dem Start-ups agieren. Denn den unausge-reiftenProdukten stehenoftmals enthusiastischeGründer entgegen,die für die SachebrennenundAgilität, Flexibilität, Fehlerkultur unddie Nähe zumKunden leben. Damit verkörpern Start-ups alles, wasdie Wirtschaft momentan so dringend benötigt und was Konzernegerne wären. Mit der Digitalisierung geht auch die BeschleunigungdesMarktes einher. Start-ups entpuppen sich als der entscheidendeTreiber für diese Entwicklung,währenddie etabliertenUnternehmenversuchen,mit demneuenTempomitzuhalten.Die Innovationskul-tur ist tief in der DNA von Start-ups verankert. Denn die Young Eco-nomy bringt Produkte schnell auf den Markt, steht im engen Aus-tausch mit Kunden und erfindet sich ständig neu. Start-ups setzenauf innovationstreibendeEigenschaften, dynamischeOrganisationundbinden sichweniger an feste Strukturen.Auch etablierteUnter-nehmen realisieren, dass Innovationen der Treibstoff des Erfolgssind. Sie können Ansätze aus der Start-up-Kultur für sich nutzen,um Flexibilität und Innovationskraft zu stärken.„Build, measure, learn – repeat“: Dieser Grundsatz aus der Start-

up-Welt prägt die Methode Lean-Start-up. Typischerweise befragenStart-ups zunächst potenzielle Kundenund ziehendaraus Schlüssezur Gestaltung oder Verbesserung des Produktes. Anschließendarbeiten sie sofort an den daraus resultierenden Impulsen – ohnejedoch zeitaufwendige Entwicklungsarbeit zu leisten. Dabei lebensie eine iterativeVorgehensweise undpraktizieren lösungsorientier-te Denkweisen. Mittlerweile befinden sich auch in etablierten Un-ternehmenagileMethodenauf demVormarsch: vonDesignThinking

über Scrum bis hin zu Business Model Canvas. Die dadurch zuneh-mende Flexibilität und Agilität kann aber auch zu Unsicherheitaufseiten der Mitarbeiter führen. Viele Brainworker wissen nichtmehr, wo ihnen der Kopf steht. Sie brauchen klare Leitplanken.Rollenbasierte Methoden wie AQRO können Unternehmen, die dieTransformation zu mehr Agilität risikoarm schaffen wollen undgleichzeitig die Bedürfnisse der Arbeitnehmer ernst nehmen, beidiesemWandel unterstützen.Start-ups bringenoft kein fertiges Produkt auf denMarkt, sondern

zunächst nur einen Prototyp. Durch permanentes Testen mit demNutzer wird das Produkt stetig angepasst und verbessert. Auf dieseWeise orientiert sich die Produktentwicklung sehr stark an den Be-dürfnissendesNutzers. Doch je ausgereifter dasUnternehmen, des-to weniger präsent ist der direkte Draht zum Kunden. Mit dieserDistanz fehlt die Nähe zum Markt. Schnell aus Situationen lernenund das Scheitern als Teil des Lernprozesses begreifen sind zweiStärken aus der Start-up-Szene.Das erfordert eine Fehlerkultur unddenWillen zurVeränderung.Umsolch eineKultur leben zukönnen,braucht es ein hohes Maß an Vertrauen und Eigenverantwortung.Denndadurch entsteht die gewünschte hoheDynamik,Agilität undKreativität, nicht durch engeFührunggemäßBefehl undGehorsam.Je größer ein Unternehmen, desto anfälliger zeigt es sich für das

Silodenken: Organisationseinheiten verhalten sich wie einzelneUnternehmen, die mit anderen konkurrieren. Dabei gerät das ge-meinsame Ziel aus dem Blickfeld. Start-ups hingegen arbeiten inRichtung eines gemeinsamen Ziels. Blind kopieren können die gro-ßen Unternehmen diesen Spirit nicht. Ihre Chance liegt in agilenund selbstorganisierten Teams, diemit einer klarenAufgabe ausge-stattetwerden.DenndasmachtUnternehmeneffektiver undgleich-zeitig erfahrendieBrainworker durchdasVertrauenmehrAnerken-nung und sind damit deutlich motivierter. // ED

Dr. Consuela Utsch: Geschäftsführerin und Gründerin der AcurocSolutions GmbH und der AQRO GmbH. Als Spezialistin berät sie seit über20 Jahren mittelständische Unternehmen und die Großindustrie bei derImplementierung von Betriebs- und Projektmanagementprozessen.

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