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08/2015
D 19067 · August 2015 · Einzelpreis 19,00 € · www.elektronik-industrie.de
Was Entwickler wissen müssen
DISTRIBUTOREN
Neue Chips und Module für
IP500, den jungen Standard
für Home Automation
22
MIXEDSIGNALICS
Analog-Frontend verstärkt
und filtert die Signale von
16 Sensoren
44
LEISTUNGSELEKTRONIK
GaN-Transistoren im TO-247Gehäuse schalten 600 V in
wenigen Nanosekunden 52
EVE2  DIE NÄCHSTE GENERATION
Oberflächen im
Baukastensystem
12
e
g
zei
An
Editorial
kühlen schützen verbinden
EDITORIAL
Wärmeableitgehäuse &
Strangkühlkörper
von Dr.-Ing. Achim Leitner
Kreativitätsschub
J
eder Entwickler kennt das: Da schiebt
sich eine schräge Idee in den Kopf,
wächst und formt sich, bis schließlich
der Drang steigt diesen Geistesblitz auch
auszuprobieren und in die Realität zu entlassen. Die Einstiegshürden für Lyriker,
Schriftsteller und Journalisten liegen
niedrig: allerhand Schreibgerät findet sich
eigentlich immer und überall, und sei es
ein Handy. Die Softwareentwickler haben
dank der Idealisten rund um die FSF (Free
Software Foundation) ihre GNU-Toolchain, sie haben Linux, Apache und zahllose weitere Projekt, die als ausgereifte
Basis für eigene Entwicklungen taugen.
In der Elektronik-Hardware geht es traditionell nicht ohne etwas Geld zu investieren; aber auch hier sinken die Hürden.
Angefangen bei leistungsstarken EDATools, die heute für Privatanwender vielfach kostenlos bereitstehen, über günstige
Evalulierungsboards und Debugger bis
hin zu den Segnungen des Online-Handels, der es heute auch Privatleuten ermöglicht, ausgeklügelte Halbleiter und passende Module (etwa EVE und Adam, sie-
he Seite 12) zu finden und zu erwerben.
Die Distributoren haben gelernt, dass viele vermeintliche Bastler und Hobbyisten
im Berufsleben gestandene Entwickler
sind, die im Privaten kühne Ideen probieren oder schlicht ihre Fertigkeiten perfektionieren. Kein Wunder, dass viele Bücher,
Programme und Schaltungen, die in der
Freizeit entstanden, so manch kommerzielles Produkt weit in den Schatten stellt.
Spätestens bei Gehäusen und E-MechanikBauteilen herrschen traditionell aber andere Kräfteverhältnisse. Wer kann sich schon
eine Spritzgussmaschine leisten und in
den Bastelkeller stellen? Die 3D-Drucktechnik ist gerade dabei, auch diese Kreativitätsbremse zu lösen. Und interessanterweise sind es Elektronik-Distributoren
(siehe Seite 16), die den Trend befeuern.
Klar, wer ein Gehäuse für ein ElektronikGadget entwirft, braucht auch das Innenleben dafür...
[email protected]
16
Additive Fertigung:
Selbst komplexe
Bauteile entstehen
Schicht für Schicht.
Prototypen als 3D-Modell drucken
www.elektronik-industrie.de
• Stabile Profilgehäuse mit integrierten
Kühlrippen
• Effiziente Entwärmung elektronischer
Bauteile
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Wir stellen aus:
LED Professional in Bregenz
22. - 24. 09. 2015
Stand A 16
August 2015
12
MÄRKTE + TECHNOLOGIEN
06
07
08
10
Top 5
News und Meldungen
Firmenjubiläum
Sensor-Technik Wiedemann wird 30:
High-Tech aus Kaufbeuren
Weg mit der Wärme
Bericht vom WärmemanagementWorkshop in La Rochelle
COVERSTORY
12
EVE-2
Mächtige Oberflächen im
einfachen Baukastensystem
DISTRIBUTOREN
16
18
20
Zollstock war gestern
Laser-Entfernungsmessgerät
mit Bluetooth
22
Für Gebäudeautomatisierung
und Home Automation
IP500: die offene, sichere und
herstellerübergreifende Plattform
25
39
ANALOG-/MIXED-SIGNAL-IC
40
Modellbasiertes Design
Design-Tools für EmbeddedMotorsteuerungen
44
Saubere Signale
Hochintegriertes SensorschnittstellenAnalog-Frontend
Neue Produkte
DISPLAY-TECHNIK
Highlight
Data Modul
26
Touch-Panels fürs Internet of Things
Embedded-Lösungen und Displays
28
Bequeme Eingabe
Multitouch-Systeme machen
Industriesteuerungen komfortabler
47
31
Highlights
Shantou Goworld Display, Comp-Mall
Highlights
Bedek, Manz Electronic
48
32
Edles Design für weiße Ware
Hochwertige GUIs für Haushaltsgeräte
ohne steigende Systemkosten
Power fest im Griff
Design von Schaltnetzteilen mdellieren
und Schleifen kompensieren
52
GaN-Transistorgehäuse
TO-247-Gehäuse verbessert Wirkungsgrad für 600-V-GaN-Transistoren
56
Aktive Blindleistungskompensation
Oberschwingungen reduzieren
und Netzqualität verbessern
Wie aus dem Nichts
Autoreplikation mit 3D-Druckern für
schnellere Prototypen-Erstellung
35
Den Mondschatten ausleuchten
Der Distributor im Internet der Dinge
Highlight
Distec
36
Kristallklare Anzeigen
Mikrocontroller mit eigenen Treibern
vereinfachen die LCD-Ansteuerung
LEISTUNGSELEKTRONIK
CH-Special
60 Härtere Zeiten
voraus
Wo landet die Schweiz in
den nächsten Jahren und
welche Probleme kommen
auf sie zu? Eine aktuelle
Standortbestimmung eines
Insiders.
4
elektronik industrie 08/2015
44
BLICKPUNKT SCHWEIZ
60
Härtere Zeiten voraus
Entwicklung, Fertigung und Export
im Lichte der Währung
64
Advertorials
Iftest, MPL, Sensiron, Swissbit,
Traco Power
WIR BRINGEN LICHT ZUM LEBEN
RUBRIKEN
EBV Elektronik ist der führende
03
Editorial
Kreativitätsschub
59
Gewinnspiele
Ineltek
und auch das erste Unterneh-
66
66
Impressum
Inserenten-/Firmenverzeichnis
einem Lichtlabor bietet. Im
Spezialist für Optoelektronik in
EMEAs Halbleiterdistribution
men, das Kunden Zugang zu
EBV LightLab können Kunden
radiometrische und photometrische Messungen über die
gesamte Beleuchtungskette
durchführen. Angefangen bei
einzelnen LEDs oder Modulen
über Messungen an Lichtquellen
wie zum Beispiel Glühlampen
gegenüber CFL- oder LEDLösungen bis hin zu kompletten
Lampen.
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Top 5
Top-FIVE
Hier präsentiert die Redaktion der elektronik industrie jeden Monat die Top 5 Artikel, News und Produkte der Elektronik-Entwicklung: Die Leser der Webseite www.all-electronics.de haben diese
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ARTIKEL
1
LED mit einstellbarer
Farbtemperatur
311ei0715
2
IP500: Offene und sichere Standard-Plattform
3
Gehäuse verbessert Wirkungsgrad von GaN-Transistoren
4
ZVEI-Trendanalyse bis 2019
5
MSP432-Mikrocontroller mit ARM- statt MSP430-Core
2
Rosenberger beteiligt sich am Telematikspezialisten CE+
3
TQ verleiht Obsolescence Management Award
4
Distributor unterschreibt Charta der Vielfalt
5
Timing-Analyse-Lösungen für eingebettete Echtzeitsysteme
2
Motorola/Freescale 68000er-Prozessoren bei Rochester
3
Effiziente 3014-LED mit verschiedenen Farbtemperaturen
4
OLED-Entwicklungskits als Arduino-Shield
5
Dual-Band-Wi-Fi-Modul für Freescale-Kinetis-Controller
Sharp Electronics
311ei0815
EBV Elektronik
802ei0815
Transphorm
103ei0715
ZVEI
717ei0515
Texas Instruments
NEWS
1
BGA-Balls auf QFP-Pads erhöhen
die Prozesssicherheit
103ei0815
Infratron, AIT
899ei0815
Rosenberger Hochfrequenztechnik
112ei0715
TQ
100ei0815
Börsig
110ejl0515
Symtavision
PRODUKTE
1
6
Erste ihrer Art:
Die Aluminium-Fibel
127ei0715
Helukabel
701ei0815
Freescale Halbleiter, Rochester Electronics
703ei0715
705ejl0515
707ejl0515
Beck
Densitron
Arrow, Silex
VERTRIEBSVEREINBARUNG
Maury-Komponenten bei BSW
erhältlich
Bild: BSW Testsystems and Consulting
Die Farbcodierung an Adaptern und HF-Kabeln
liefert optisch klar erkennbare Information zur
Kompatibilität.
Bild: Maury Microwave
Wärmeleitmaterialien
Mit der Stability-Linie stellt Maury besonders
hochwertige HF-Kabel her.
Bereits seit Jahren arbeitet der kalifornische HF-Hersteller Maury mit der badenwürttembergischen BSW bei tunerbasierten Charakterisierungslösungen für HFMessplätze zusammen. Jetzt intensivieren
beide ihre Zusammenarbeit, indem die
BSW das Gesamtportfolio von Maury in
den D-A-CH-Ländern vertreibt. Besonders beliebt sind die Kalibrationskits, die
es für alle gängigen Netzwerkanalysatoren
von Anritsu , Keysight oder Rohde &
Schwarz gibt. Ergänzt wird das Portfolio
um extrem genaue Metrology-GradeAdapter bis hin zu den preisgünstigeren
Color-Connect-Adaptern. Hochwertige
und robuste HF-Kabel bis 67 GHz komplettieren die Auswahl.
Vor kurzem hat Maury die StabilityLinie besonders hochwertiger HF-Kabel
um Kabel mit 1,85-mm-Konnektoren und
Frequenzbereichen bis 67 GHz erweitert.
Die auffälligen gelb-orangenen Kabel mit
sehr hoher Phasenstabilität und niedriger
Dämpfung sind durch ihren besonderen
Aufbau für verlässliche und wiederholbare Messungen auch unter Bewegung/Dehnung bekannt.
Für die HF-Kabelfamilien Utility und
Stability hat Maury zudem eine eindeutige Farbcodierung eingeführt, die auch für
Ungeübte die Verwendung der Kabel und
Adapter enorm vereinfacht. Diese ColorConnect-Adapter sind die ersten kommerziell verfügbaren Produkte, die dem bereits
in 2008 vorgelegten Vorschlag der Coaxial Connector Rapid ID Working Group des
IEE folgen. (lei)
■
infoDIREKT
Thermosilikonfolien
Hoch wärmeleitendes Softsilikon
Phase-Change-Materialien
Grafitfolien
Wärmeleitende Keramik
POWERCLIP®
Kühlkörper
Weitere Produkte
712ei0815
Firmenjubiläum
Bild: MES
Beste Verbindungen seit 30 Jahren
Die Geschäftsführer der MES Electronic Connect:
Sabine Wolf und J. Angel Fernández.
Der Spezialist für Steckverbinder- und Konfektionslösungen, MES Electronic Connect, ist seit 30
Jahren auf dem Markt aktiv. Gegründet wurde
der Distributor 1985 unter dem Namen „MES
Merkur Electronic-Bauteile und Systeme“: Auf
dem Dach des ursprünglichen MES-Stammhauses in Schwenningen thronte der Götterbote
Merkur. Ob Klimaüberwachung von Kunstwerwww.elektronik-industrie.de
ken, mobile Herz-Lungen-Maschinen oder
Windkrafträder: „Mit unserem weltweiten Netz
an leistungsstarken Partnern und Experten können wir unseren Kunden immer die optimale
Lösung bieten, und zwar flexibel, just in time
und zu wirtschaftlichen Konditionen“, erklärt
Geschäftsführerin Sabine Wolf. Entsprechend
pflegt MES auch die Partnerschaft zu seinen
weltweiten Kunden oft schon über viele Jahre
hinweg. „Das technologische Know-how ist das
eine, das persönliche Kümmern das andere. Wir
versuchen, das in Einklang zu bringen, so entsteht dann auch Vertrauen“, fügt ihr Geschäftsführer-Kollege J. Angel Fernández hinzu. Sabine
Wolf wendet den Blick in die Zukunft: „Wir wollen uns auf unseren Erfolgen nicht ausruhen,
sondern mit voller Power in die weitere Zukunft
starten.“ Grundlage hierfür ist auch die ständige
Anpassung des Produktsortiments.
infoDIREKT
711ei0815
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Märkte + Technologien
Firmenjubiläum
Sensor-Technik Wiedemann wird 30: High-Tech aus Kaufbeuren
Bilder: Achim Leitner
Anfang Juli feierte die Sensor-Technik Wiedemann ihr 30-jähriges Bestehen: Was als Spezialist
für hochgenaue Druckmesssysteme begann, ist heute ein mittelständisches High-Tech-UnterAutor: Dr. Achim Leitner
nehmen mit 430 Mitarbeitern und vielen Geschäftsfeldern.
Wolfgang Wiedemann hat STW im Jahr 1985 gegründet. Es ist weiterhin Inhaber und geschäftsführender Gesellschafter.
S
TW-Gründer, geschäftsführender
Gesellschafter und Inhaber Wolfgang Wiedemann fragt zum 30-jährigen Firmenjubiläum: „Passt der Name
noch?“ Da seine Sensor-Technik Wiedemann meist als STW auftritt, ist die Frage
kaum ernst gemeint. Sie betont nur, dass
die Sensorik längst nur eines von vielen
Geschäftsfeldern ist: Schon seit 1989 zählen elektronischen Steuerungen für mobile Arbeitsmaschinen dazu, damals für
Traktoren und Mähdrescher von Fendt.
Sonja Wiedemann, verantwortlich für
Vertrieb und Marketing, Materialwirtschaft und Produktion, betont: „Wir haben
eine starke Partnerschaft mit unseren
Kunden. Die entwickeln ihre neuen
Maschinen gemeinsam mit uns.“ Dabei
geht es um „alles was mit Elektrik und
Elektronik zum Beispiel auf einer Straßenwalze zu tun hat.“ Um das zu stemmen,
hat STW eine starke Entwicklungsabteilung: 110 der 430 Mitarbeiter arbeiten hier,
dazu kommen 200 Kollegen in der Produktion von Sensoren und kompletten
Baugruppen. Die Fertigung ist so flexibel
aufgestellt, dass vom Einzelstück bis zur
100.000er-Serie alles möglich ist. „Mein
Vater sagt immer, wir beginnen bei Los-
8
Im Vorstand der STW verantwortet Sonja Wiedemann die Bereiche Vertrieb und Marketing, sowie Materialwirtschaft und Produktion.
Das IoT ist bei STW längst Realität: Dr. Michael
Schmitt zeigt das Telematik-, Datenmanagement- und Gateway-Modul TC3G und dessen Anwendung.
größe 1/12 Dutzend.“ Die typische Losgröße liegt aber bei 50 Stück.
Ihr Vorstandskollege Dr. Michael P.
Schmitt erklärt den Unterschied zur klassischen industriellen Automatisierung:
„Hier gibt es keinen Betriebselektriker, der
bei Bedarf zum Schaltschrank radelt.“
Schmitt verantwortet die Bereiche Systeme, Lösungen, Produkte und deren Entwicklung und Projektumsetzung, sowie
das Qualitätsmanagement. „Wir operieren
mit 700 V in Bereichen, in denen auch mal
mit dem Hammer repariert wird.“ Bei den
komplexen Zentralelektriken ist robuste
Verbindungstechnik gefragt. Dazu arbeitet STW mit Erni zusammen: Versorgt
werden diese Power-Boards typischerweise über einen M8-Gewindebolzen. Die
Anschlüsse an die Peripherie erfolgen über
robuste, mobiltaugliche Erni-Stecker.
Traditionell war die Entwicklung sehr
an der Hardware ausgerichtet; inzwischen
ist Software aber immer wichtiger. Hier
setzt STW auf das aus der Automatisierung
bekannte Codesys, hat aber auch Kefex
entwickelt. Damit soll es in der Programmiersprache C viel einfacher sein, Sicherheitsfunktionalitäten zu implementieren
und sie zu zertifizieren, Parameter strukturiert abzulegen und Diagnosefunktionen einzuführen. Außerdem ermöglicht
Kefex den Einsatz von Matlab. Neben seiner eigenen Connectivity-Lösung mit
einem Paket aus Embedded-Linux und
Web-Anwendungssoftware arbeitet STW
in Sachen Internet der Dinge mit Cumulocit y zusammen: ST Ws Telematik-,
Datenmanagement- und Gateway-Modul
TC3G unterstützt deren Cloud-basierte
M2M-Anwendungsplattform.
STW findet für ihre Senosoren in der
hauseigenen Dünnschichttechnologie
immer neue Anwendungsfelder. Neben
der Produktion im eigenen Reinraum integriert STW auch die Drehmomentsensoren von NTCE; diese arbeiten nach dem
Prinzip der Magnetostriktion.
n
Zukunftssicher
Automatisierung, Elektrifizierung und
Connectivity sind nicht nur im Kfz heiße
Themen, auch bei den kleinen Serien in
Traktoren und Arbeitsmaschinen: „Die
teuerste Einzelkomponente ist der Kabelbaum“, erläutert Schmitt, und begründet
so warum STW auf neue Bussysteme setzt.
infoDIREKT710ei0815
Überzeugen durch Leistung
END-OF-LIFE SUPPORT
68000er-Prozessoren
Rochester Electronics bietet End-of-LifeSupport für MC68040-MPUs von Freescale.
Bild: Roch
ester Elec
tronics
Rochester Electronics erhielt von
Freescale die Lizenz zur Fertigung der
32-Bit-Mikroprozessor-Serie MC68040:
Freescale hat die 68040er MPUs abgekündigt und versendet nun die letzten
Bausteine, die Fertigung läuft noch bis November 2015. Durch
das Abkommen können Kunden diese bewährten MPUs weiterhin aus einer sicheren und zuverlässigen Quelle beziehen. Rochester führt eine Vielzahl von Original-Freescale-Bausteinen und
Halbleiter-Chips (Dies) auf Lager, die auf Kundenwunsch in
unterschiedlichen Gehäusen geliefert werden. Freescale hat
zudem Zugriff auf das gesamte Design- und Test-IP gewährt,
damit Rochester die Fertigung fortführen kann, selbst wenn alle
vorhandenen Waferbestände aufgebraucht sind. Neben der
68040er-Serie unterstützt Rochester auch die Derivate 68020,
68030, 68060 und den Fließkomma-Coprozessor 68882. Freescale wird Rochester auch bei der Auslieferung des MC68360 QUICCKommunikationsprozessors unterstützen. (lei)
■
infoDIREKT
701ei0815
Leistungsinduktivitäten für Hochstrom-Anwendungen
HALBLEITER-KONKURRENZ FÜR GRAPHEN
Phosphor und Arsen
Bild: Andreas Battenberg, TU München
Schwarzes Arsen-Phosphor ist ein halbleitendes
Material mit 2D-Struktur
ähnlich der des Graphens.
Hergestellt wurde diese
Probe in der Arbeitsgruppe Prof. Tom Nilges.
Mit dem Nobelpreis 2010 wurde Graphen, das nur eine Atomlage dicke Kohlenstoff-Netzwerk, über Nacht berühmt. Doch auch
aus Phosphor kann man solche Schichten herstellen: Chemiker
der TU München entwickelten ein Halbleitermaterial, bei dem
sie einzelne Phosphor-Atome durch Arsen ersetzten. Im Rahmen
einer internationalen Kooperation bauten sie daraus zusammen
mit amerikanischen Kollegen Feldeffekttransistoren.
Die Bandbreite seiner Anwendungen reicht von Transitoren
über Sensoren bis hin zu mechanisch-flexiblen Halbleiterbauteilen. Anders als beim Graphen, dessen elektronisches Verhalten dem von Metallen ähnelt, verhält sich Phosphoren wie ein
Halbleiter. Über den Arsengehalt lässt sich die Lücke zwischen
Valenz- und Leitungsband präzise einstellen. (lei)
■
infoDIREKT
IHLP® Serie
Vorteile:
Sehr gute Leistung aufgrund Kompositkonstruktion
Exzellente Stabilität der Induktivität und des Sättigungsverhaltens
über Temperatur
Magnetisch geschirmt
Neun Baugrößen von 3x3 mm bis 22x22 mm
mit unterschiedlichen Höhen von 0,9 mm bis 13 mm
Verfügbarer Induktivitätsbereich: 0.047 μH bis 100 μH
(abhängig von der Baugröße)
Drei Betriebstemperaturbereiche von -55°C bis
+125°/+155°/+180°C
AEC-Q200 erhältlich
Applikationen :
DC/DC Wandler im Industrie- und Automobilbereich
(inkl. Hybrid- und Elektrofahrzeuge)
Power LED Treiber
Rauschunterdrückungsfilter
Informationen zur IHLP® Serie: +49 (0) 7231/801-1284
Auch erhältlich unter www.rutronik24.com
703ei0815
www.rutronik.com
9
Weg mit der Wärme
Bericht vom Wärmemanagement-Workshop in La Rochelle
Am 4. und 5. Februar 2015 fand in der westfranzösischen Hafenstadt La Rochelle zum zehnten
Mal der „European Advanced Technology Workshop on Micropackaging and Thermal Management“ statt. 20 Vorträge mit 102 Teilnehmern deckten alle Bereiche des Wärmemanagements
ab. Auf der begleitenden Ausstellung präsentierten sich 22 Firmen.
Autor: Siegfried W. Best
Bild: S. Best
Bild 2: Der Stand des einzigen
deutschen Ausstellers, Kunze
Folien, war immer gut besucht.
Bild: S. Best
Bild 1: Mit über 100 Teilnehmern aus aller Welt ist der Workshop im Jahr
2015 weiter gewachsen.
I
n seiner Keynote auf dem zehnten „European Advanced
Technology Workshop on Micropackaging and Thermal
Management“ betrachtete Wärmemanagement-Experte
Dave Saums von DS&A die neuen Entwicklungen bei thermischen Materialien. Er begann mit der Frage: Gibt es das ideale
TIM und eine universelle Lösung? Dabei müsse man vorsichtig
bei der Fragestellung sein: welches Material wählt man? Sind
mechanische Kräfte nötig? Nach Saums liegen Si-basierende und
Phase-Change-Typen schon nahe dem idealen TIM. Es gibt sie
dispensierbar oder auf Trägermaterial aufgebracht (Alu, Cu, Kapton oder andere dielektrische Materialen).
Gap-Filler sind weniger herausfordernd und TCAs (Thermal
Conductive Adhesives) sowie ECAs (Electrically Conductive
Adhesives) kommen ohne mechanische Befestigung aus. Es gibt
aber keine Universallösung für jede Applikation. Die Auswahl
Eck-DATEN
Mit 102 Teilnehmern wuchs der „European Advanced Technology
Workshop on Micropackaging and Thermal Management“ dieses Jahr.
Die 20 Vorträge deckten alle Bereiche des Wärmemanagements ab.
Auf der begleitenden Ausstellung präsentierten sich 22 Firmen; Frankreich stellte hier das größte Kontingent, es waren aber auch internationale Firmen mit ihren europäischen Niederlassungen vertreten.
10
des TIMs erfolgt in zwei Stufen: Erstens nach der primären Funktion (Isolation, direkter Metallkontakt, Adhesivauftrag ohne
mechanische Befestigung, Gapfiller oder andere). Weiter zu
beachten sind die mechanische Stabilität (Schock), die EMV und
die Reparaturmöglichkeiten.
Materialeigenschaften
David Saums ging dann auf die Merkmale einiger TIMs ein. Beim
Oriented Fiber Grafit TIM zum Beispiel berichtet er von Schwankungen in den Parametern je nach Hersteller, außerdem gebe es
unterschiedliche Qualitätsstufen und Grafit-TIMs seien eigentlich keine TIMs, sondern Wärmespreizer. Metallische TIMs wiederum werden seit vielen Jahren eingesetzt bei auf Flansch montierten Leistungshalbleitern und in den High-End-Modulen von
Militär und Luftfahrt. Die Indium Corporation beispielsweise
produziert Heatspring, eine Familie strukturierter Indiumfolien.
Auch bei den Wärmespreizern geht die Entwicklung weiter.
So findet sich im iPhone ein Alu-Stahl-Clad-Spreizer mit einem
18 µm dicken Adhesive auf rostfreiem Stahlblech. Neue Entwicklungen haben eine zehnfach bessere thermische Leitfähigkeit,
eine geringere Steifigkeit (80 %) und eine Dichte von nur 59 %.
Statt der Kombination aus Stahl/Grafit-TIM oderAlu-Lösungen
sind nun kleinere und leichtere funktionelle Spreizer möglich.
Speziell auf das thermische und Fluid-Design im Automobilbereich ging Epsilon-Alcen zusammen mit aPSI 3D ein. Im Mittelpunkt stand die doppelseitige Kühlung eines Leistungsboards
bestückt mit IGBTs und Dioden mittels zweier Substrate. Über
Versuche und Simulation ermittelten die Firmen die beste Verwww.elektronik-industrie.de
•
Lower maximum
temperature and
Gradient when using
heatspreader
2 cm² PGS integrated die
• Larger heating
influenced area
Thermal maps
1,8 W power
Chipmontage
Thales Alenia untersuchte die Chipmontage mit hochleitfähiger
Nanopaste auf Silber-Oxilate-Basis. Ergebnisse waren eine gleichmäßige Verteilung ohne Lunker, gute Scherfestigkeit und gute
thermische Leitfähigkeit besser als AuSn. Das Material ist konform mit den europäischen und französischen Regeln, sintert bei
tiefen Temperaturen, besteht bei hohen Temperaturen bis 961 °C,
lässt sich wie ein Kleber verarbeiten und ist billiger als eine AuSnPreform. Der Vortrag von CEA Leti, Minatec und ST Microelectronics befasste sich mit der Wärmespreizung mit PGS-Spreader
(Pyrolitic Grafite Sheet) von Panasonic, die auf Kohlenstoff basieren um von Hotspots Wärme abzuführen oder zu verteilen. Dabei
ist die Oberflächenbeschaffenheit des PGS ein Schlüsselfaktor.
Bild 3 zeigt den Vergleich der Wirkung eines 70-µm-PGSSpreaders auf einem 1 cm 2 großen Chip mit 200 µm Stärke.
Hinweise auf die weiteren Vorträge, vor allem zu den Themen
Simulation, Test und Messung, Ausschnitte aus den Vortragsfolien und mehrere Tabellen sind in der Online-Fassung des Beitrags
über die infoDIREKT-Nummer verfügbar. In den Vortragspausen
Reference die
Bild: ST Microelectronics
teilung der aktiven Chips, wobei sich herausstellte, dass durch
die doppelseitige Wärmeabfuhr zwischen den einzelnen Chips
kein großer Abstand nötig ist. Allerdings muss die thermische
Leitfähigkeit der Bump/Pad-Verbindungen reduziert werden.
Dann ist diese Lösung besser als ein flaches Powermodul. Außerdem ist dickes AIN-Substrat besser als dünnes Al 2O3.
Bild 3: Wirkung eines 70 µm dicken PGS-Spreaders auf einem 1 cm² großen
Chip mit 200 µm Stärke (links ohne Spreader, rechts mit).
besuchten die Seminarteilnehmer die Stände der 22 Aussteller.
Kunze Folien war dabei der einzig deutsche Aussteller (Bild 2):
Die Firma feiert 2015 ihr 25-jähriges Jubiläum und ist zum vierten Mal in La Rochelle aktiv, unterstützt so auch den örtlichen
Distributor Milton Ross Composants und sieht am französischen
Markt ein gutes Wachstumspotenzial. Der nächste Workshop in
La Rochelle findet vom 2. bis 4. Februar 2016 statt. (lei)
■
Autor
Siegfried W. Best
Freier Redakteur in Regensburg.
infoDIREKT
708ei0815
11
Distributoren Coverstory
C
M
Y
CM
MY
CY
CMY
K
EVE-2
Mächtige Oberflächen im einfachen Baukastensystem
Touch-Oberflächen sind in Mode. Was bis vor kurzen nur in der Handy- und Unterhaltungsbranche üblich war,
verbreitet sich zusehends bei weißer Ware, der Industrie und anderen Märkten. Statt jeder Anwendung einen
High-End-Prozessor zu spendieren, können Entwickler mit EVE auch kleine Systeme bequem Grafik- und
Autoren: Bernd Flessenkämper, Lee Chee Ee
Touch-tauglich aufwerten, sogar bis 800 × 600 Pixel.
B
erührungsbasierte Mensch-Maschinen-Schnittstellen
(HMIs oder Human Machine Interfaces) sind im Grunde
nichts Neues: In der Unterhaltungselektronik und der
Computerindustrie haben sie längst die Bedienkonzepte revolutioniert und neue Designkonzepte ermöglicht. Inzwischen profitieren viele Branchen von dieser Entwicklung, etwa Haushaltsgeräte, Hausautomatisierungssysteme, industrielle Steuerungen,
Kassensysteme, Verkaufsautomaten, Geldautomaten, Infoterminals, Sicherheitssysteme und viele mehr. Da moderne TouchInterfaces mehrere Berührungspunkte gleichzeitig erkennen,
12
steigt ihr Mehrwert weiter. Doch vielen Geräten fehlt die Rechenleistung, um anspruchsvolle und hochauflösende GUIs zu
erzeugen und auf komplexe Berührgesten zu reagieren. Genau
für diese Fälle bieten sich integrierte Grafik-, Sound- und TouchErweiterungen an, wie sie FTDI mit EVE vorgestellt hat.
Schneller entwickeln
Kommerzieller Druck beschleunigt die technologische Evolution:
Immer mehr Anwender erwarten hochwertige HMIs. Die OEMs
suchen daher eine Implementierung, die detailreichen Bildinhalt
Bilder: FTDI
Touch-Display-Lösungen ermöglichen aufwendige Anzeigen für Waschmaschinen. Links oben und rechts unten zeigt das Display den aktuellen Status.
Links unten ist das bunt illustrierte Hauptmenü zu sehen.
mit großer Farbtiefe unterstützen. Zudem wünschen sie an vielen Stellen videofähige HMIs. Auf diese Anforderungen passende Halbleiterplattformen müssen zwar die notwendige Performance liefern, dürfen dabei aber die üblichen Designbeschränkungen nicht ignorieren.
Zu den verbreiteten Vorgaben zählen ein limitiertes Budget,
begrenzte Engineering-Kapazitäten, Platzmangel, enge Zeitpläne und vieles mehr. FTDI hat EVE daher so optimiert, dass sowohl
die Hardware-Entwickler Zeit und Platz auf der Platine sparen,
als auch die Software-Kollegen ohne Grafik-Vorkenntnisse
moderne HMIs programmieren können.
Oberfläche aus dem Baukasten
Mithilfe eines Baukastensystems können Entwickler aus sehr
einfachen, aber mächtigen Befehlen, die gewünschten Oberflächen konstruieren. Sogenannte Widgets enthalten komplexe
Eck-Daten
• FTDI stellt den Nachfolger von EVE vor: EVE-2.
• Der Grafik-Controller steuert Displays mit bis zu 800 × 600 Pixel.
• Der Baustein integriert auch Touch und Audio.
• Die GUI-Programmierung ist dank Objektorientierung mit WidgetKonzept sehr einfach.
• Der Baustein wird per SPI oder Quad-SPI angesteuert.
• Glyn arbeitet bereits an einer Erweiterung seines Adam-Konzepts,
bei dem der FTDI-Chip auf der Rückseite eines TFT-Touch-Displays
montiert ist.
• Die umfangreiche Erfahrung mit EVE-1 und EVE-2 gibt Glyn in Schulungen und Design-in-Support weiter.
grafische Objekte wie Uhren, Messinstrumente, Tastaturen oder
Slider, die sich mit Touch-Eingaben und Sounds verknüpfen lassen. Zum Aufruf einer Uhr genügt beispielsweise ein Befehl der
Form „Cmd_clock(Position,Optionen,Zeit);“. Die Kommandos
sind im Programming Guide zusammengefasst. Entwickler können aber auch FTDIs Screen-Editor einsetzen, der automatisch
den nötigen Quellcode erzeugt.
Mit buntem HMI durch den Alltag
Hersteller von Kühlschränken und Spülmaschinen sind sehr
daran interessiert, ihre Produkte mit speziellen Features auszustatten, um sie für die Verbraucher attraktiver zu machen und
auf diese Weise den Absatz zu steigern. Während früher ein
ziemlich rudimentäres HMI genügte, vielleicht ein Tastenfeld
und eine Siebensegmentanzeige, haben sich die Erwartungen
der Kunden heute deutlich erhöht: Sie vergleichen jedes Gerät
mit der Benutzerfreundlichkeit der elektronischen Spielereien,
die sie sonst noch besitzen. Es gibt hier also die Gelegenheiten
für die Integration von großformatigen Displays mit breitem Farbraum, Multi-Touch-Bedienung und sogar audio-visuellen Einsatzmöglichkeiten.
Im Falle von Waschmaschinen beispielsweise können animierte Inhalte helfen, dem Anwender zu vermitteln, welche Stufe des
Waschzyklus’ gerade abläuft. Ein Kopierer wiederum könnte den
Büroangestellten per Erklärungsvideo zeigen, wie sie Papierstaus
beheben. Ebenso kann Video-Material zeigen, wie eine Kaffeemaschine funktioniert. Auch in Aufzügen haben diese Bediengeräte viel Potenzial: Mit Touch-fähigen Displays können Kunden
nicht nur wählen, in welche Etage eines Einkaufszentrums oder
13
Beispiel-HMI eines Kühlschranks. Trotz der aufwendigen Grafik und der Animationen braucht der Entwickler nur sehr einfache Befehle.
Kaufhauses sie fahren wollen, sondern das Display könnte sie
mit Videoclips unterhalten und für spezielle Einzelhandelsgeschäfte oder Produkte werben, die gerade im Angebot sind. In
Hotel-Liftanlagen könnte diese Technik Gäste über die Einrichtungen des Hauses informieren und sie auf Wunsch auch gleich
in das passende Stockwerk befördern.
Objekte im Display
Ein zunehmender Anteil an OEM-HMI-Designs beginnt mit
einem objektorientierten Ansatz, der sich über die letzten zwei
Jahre herausgebildet hat. Dieser Ansatz führt zu weit geringeren
Speicherressourcen und benötigt weniger Bandbreite für die
Datenübertragung. Objekte können alles sein, von Schriftarten
(Fonts), Bitmap-Bildern, Templates, Geräuschen (wie Zirpen und
Piepen) und Überblendungen.
Der große Flash-Speicher der normalerweise nötig wäre um
Bilddaten zu abzulegen sowie der Frame-Buffer und der breite
parallele Datenbus sind dank der Objektorientierung überflüssig.
Die Anzahl der Komponenten für das resultierende HMI ist viel
kleiner, es benötigt weniger Leiterplattenfläche, der Stromverbrauch sinkt ebenso wie die Entwicklungszeiten. Ein weiterer
VCCIO1
MCU INTERFACE
SCK
MISO/IO0
MOSI/IO1
GPIO0/IO2
GPIO1/IO3
CS_N
INT_N
wichtiger Aspekt dieser Methodik ist es, wie gut das System mit
animierten Inhalten umgeht. Wenn man angezeigte Bilder als
Objekte behandelt statt als komplexe Produkte aus vielen Pixeln,
sind Animationsfunktionen leicht zu bewerkstelligen. Es genügt,
kontinuierlich die Koordinaten des Objekts zu aktualisieren, im
Gegensatz zum ständigen Neuzeichnen des gesamten Bildes.
Darüber hinaus kann ein einzelnes Objekt an mehreren Orten
wiederholt werden, ohne zusätzliche Inhalte zu laden.
Clevere Hardware
Die Objektstrategie hat FTDI Chip erstmals in seiner EVE-Plattform (Embedded Video Engine) realisiert. Sie rendert Bilder Zeile-für-Zeile (bei 1/16-Pixel-Auflösung) und nicht Pixel-für-Pixel,
wofür ein viel kleinerer Datenspeicher als gewöhnlich ausreicht.
Auch die Bandbreitenanforderungen sinken. Der Grafik-Chip
enthält dabei die drei Funktionsgruppen Grafik, Sound und Touch
(resistiv oder PCAP). Das Ziel ist, schnell und kostengünstig zu
Die FT81X-Bausteine lassen sich per SPI von einer MCU mit einfachen
Kommandos ansteuern (links) und besitzen Grafik-, Audio- und TouchInterfaces (rechts).
MEMORY AND
PROCESSING
REGISTERS
SPI
RAM
INTERRUPT
GENERATOR
GRAPHIC CONTROL
R7...R0
G
G7...G0
B
B7...B0
PIXEL CLOCK
GENERATOR
ROM
EXTRAS
X1/CLK
X2
OSC/PLL
ADC
AUDIO
ENGINE
LDO
TOUCH
ENGINE
GPIO2
GPIO3/AIN
VOUT1V2
VCC
PD_N
GND
14
GRAPHICS
ENGINE
POR
VCCIO2
R
PCLK
HSYNC
VSYNC
DE
DISP
BACKLIGHT
AUDIO CONTROL
PWM
TOUCH CONTROL
CAPACITIVE/
RESISTIVE
TOUCH
AUDIO_L
CTP_RST_N
CTP_INT_N
CTP_SCL
CTP_SDA
X+, X, Y+, Y
Bild: Glyn
fügte extra große Schriftarten ermöglichen mehr Textoptionen.
einer ansprechenden grafischen Lösung zu gelangen. Grafische
Weitere Verbesserungen in der Performance leiten sich dadurch
Kenntnisse im Programmieren sind nicht notwendig.
her, dass EVE-2 bis zu 16 Pixel pro Systemtakt malt: Das ist der
Die FT81x-Serie stellt die neuste Generation der EVE-Bauteivierfache Wert verglichen mit EV E-1.
le dar. Jeder IC in dieser Serie hat eine höheZusätzlich lädt die neue Generation Jpegre Auflösung als die Vorgängergeneration
In Workshops führt
Bilder nun 1000-mal schneller als der Vor– EVE-2 unterstützt nun 800 × 600 Pixel im
Glyn seine Kunden an
gänger.
Vergleich zu den 512 × 512 Pixeln von EVEEVE
und
Adam
heran
1. Die neuen ICs sind daher in der Lage, eine
und trainiert sie in aller
größere Bildschärfe zu bieten und größere
Support vom Distributor
Display-Diagonalen anzusteuern, 7” und
Wer sein HMI-Projekt mit dem Distributor
technischen Tiefe.
mehr sind möglich. FTDI hat dazu auch den
Glyn startet, bekommt deutschsprachigen
Objektspeicher von 256 KByte auf 1 MByte erweitert.
hardwarenahen Support für EVE-2. Glyn hat bereits mit seinem
Dank verbesserter Algorithmen haben die Bauelemente der
auf EVE-1 basierenden Hardware-Konzept Adam reichlich
neuen EVE-Serie eine viel sanftere grafische Wiedergabe. Davon
Erfahrung gesammelt. Adam heißt eigentlich „A.D.A.M.“ und
profitieren HMI-Designs mit kurzen Animationen, die die Aufsteht für Advanced Display Application Module; nicht zu vermerksamkeit des Benutzers erregen oder Lehrfilme abspielen.
wechseln mit „ADAM“, dem Arduino Display Adapter Module.
Ein weiteres neues Feature ist die Bildschirmrotation. Diese
Bei Glyns Adam ist FTDIs EVE-Grafik-Chip FT801 oder FT800
Funktion beschleunigt die Drehung um 90°, sodass das Gerät
auf der Rückseite eines 4,3” (10,9 cm) oder 3,5” (8,9 cm) großen
schnell zwischen Quer- und Hochformat-Ausrichtung wechseln
Displays bereits integriert.
kann. Das ist etwa für portable oder semi-portable Designs sehr
Mit EVE wird das Display direkt über SPI oder I2C angesteuert.
vorteilhaft. EVE-2 unterstützt mehrere Farbpaletten, unter andeEin zusätzlicher Grafiktreiber ist nicht nötig. Adam ist losgelöst
rem 16-Bit- und 32-Bit-Farben mit Transparenz. Neu hinzugevon der Steuerplatine montierbar: Über SPI oder I2C lassen sich
auch längere Kabelwege sicher überbrücken. Das Display wird
über ein 16-poliges Folienkabel angeschlossen und braucht nur
Passende Starterkits
noch eine 3,3-V-Spannungsversorgung. Glyn plant, das AdamEVE-2-Board mit FT811
Konzept um eine 7”-EVE-2-Versionen zu erweitern; EVE-2 ist
laut FTDI ungefähr ab Oktober 2015 verfügbar.
In speziellen EVE-Workshops führt der Distributor Glyn seine
7” EDT-Display, 800 × 480 Pixel
Kunden an EVE und Adam heran und trainiert sie in aller techAnstecken...
nischen Tiefe; der erste EVE-2-Workshop ist für den 04. November 2015 geplant. Glyn hat die EVE-Software von FTDI weiter
optimiert und angepasst; der Distributor kann bei Fragen zur
Software und zur Programmierung daher direkt weiterhelfen.
Eine auf EVE-1 und EVE-2 optimierte Mikrocontroller-AnbinMCU-Board als Master
dung für die Hauptapplikation sowie ein passendes Display mit
speziellen Anforderungen unterstützt Glyn mit seinen eigenentGlyn schnürt aus dem EVE-2-Baustein ein komplettes Starterkit mit
einem EVE-2-Board, das zu Glyns MCU-Boards passt, und einem
wickelten Starterkits.
800 × 480 Pixel großen Display.
Mit dem Glyn/EVE-Starterkit-Konzept können Entwickler einfach und
schnell starten. Die Sets enthalten alles, was für eine Entwicklung mit
EVE nötig ist:
• Entwicklungsboard mit EVE-Grafikcontroller, Spannungsregler und
Audioverstärker.
• Direkte Anschlussmöglichkeit für Glyn-MCU-Boards sowie die Glyn/
EDT-Displayfamilie.
• Glyn-Softwarepaket, optimiert und kompatibel zum FTDI Programming Guide.
Glyn stellt alle Definitionen und viele Demos als universellen C-Sourcecode zur Verfügung. Kunden müssen somit keine zusätzliche Software
oder Lizenzen erwerben. Die Boards sind bereits optimiert für ausgewählte MCU-Hersteller.
Gewinnen Sie eines von fünf Glyn EVE-2-Startersets
Registrieren Sie sich bis Ende September auf www.all-electronics.de
unter der infoDIREKT-Nummer 799ei0815 für die neue Generation von
EVE-2-Chips. Sie haben damit die Chance, eines von fünf Glyn-EVE-2-
Startersets zu gewinnen. Diese Sets bestehen aus einem Mikrocontroller-Board, EVE-2-Starterkit sowie einem 7”-Display vom Hersteller EDT
mit PCAP-Touch. Der Wert eines Startersets liegt bei 200 €.
Innere Werte
Durch eine vernünftige Strategie zur HMI-Entwicklung können
Entwickler deutliche Einsparungen sowohl in der benötigten
Platinenfläche als auch bei den Gesamtstückkosten erreichen.
Mit der Integration neuer Multimedia-Funktionen in ICs, ergeben sich Anwendungen für eine neue Generation von HMIs, an
die vielleicht noch keiner gedacht hätte. (lei)
n
Autoren
Bernd Flessenkämper
Line-Manager FTDI bei Glyn in Idstein.
Lee Chee Ee
General Manager – Product Development bei
FTDI in Singapur.
infoDIREKT 706ei0815
15
Distributoren
Wie aus dem Nichts
Autoreplikation mit 3D-Druckern für schnellere Prototypen-Erstellung
Ein 3D-Drucker, der sich selbst duplizieren oder gar sein Design verbessern kann? RS Components stellt den Ormerod für Open-Source-Projekte und zur Autoreplikation vor. Es handelt sich
um eine Rep-Rap-Initiative, mit der Elektronik- und Maschinenbauingenieure ihre Prototypen
Autor: Martin Keenan
erstellen und damit den Entwicklungszyklus um Monate verkürzen können.
B
ten 3D-Druck am weitesten verbreitete Prozess; SLA (Stereo
isher gab es einige Hürden für den flächendeckenden EinLithography), EBM (Electron Beam Melting), LOM (Laminated
satz des 3D-Drucks. Dazu zählten insbesondere die
Object Manufacturing) und viele andere. Diese Techniken werhohen Preise der Hardware sowie komplizierte
den in zahlreichen Industriebranchen zunehmend zum Rapid
Designsoftware, die Nicht-CAD-Spezialisten den Einstieg
Prototyping und zuweilen auch zur Fertigung verwendet. Einerschwerte. Nun schafft der Open-Source-Autoreplikationssatzbereiche sind Engineering, Bauwesen, Fahrzeugbau, Vertei3D-Drucker Ormerod Abhilfe. Er eignet sich für Open-Sourcedigungswesen, Medizin und auch zahlreiche VerbraucherbranProjekte wie auch zur Autoreplikation und entstammt der Repchen bis hin zur Bekleidungsindustrie.
Rap-Initiative. Der Drucker bietet Unternehmern und Entwicklern im Zusammenspiel mit der Modellierungssoftware Designspark Mechanical die Chance, Produktentwicklungen zu
Steigende Verbreitung
beschleunigen und Innovationen zu fördern.
Seit der Jahrtausendwende sind die Verkaufszahlen von 3D-DruDer dreidimensionale Druck, auch Additives Manufacturing
ckern stark gestiegen und dank der sinkenden Preise werden die
genannt, stellt eine Revolution im Bereich der ProduktentwickGeräte attraktiver: Modelle für den Massenmarkt sind inzwischen
lung und auch für einige Bereiche der
für unter 2000 Euro zu haben. Ein jüngerer
Herstellung dar. Ziel ist die Produktion
Marktforschungsbericht des Analysten
Die
Nachfrage
nach
eines Festkörpers mithilfe eines CADMarkets & Markets prognostiziert ein
3D-Druckern steigt
Modells und eines generativen Fertidurchschnittliches jährliches Wachstum
gungsprozesses. Grundsätzlich werden
von 23 % für 3D-Drucker zwischen 2013
zwischen 2013 und
dabei verschiedene Materiallagen (wie
und 2020, mit einem Zielvolumen von 8,41
2020 jährlich um 23 %.
Plastik und Metall) in verschiedenen
Milliarden Dollar. Der 3D-Druck wandelt
Analyse Markets & Markets
Formen aufgetragen. Traditionelle Hersich von einer Nischentechnologie der grostellungstechniken basieren oft auf subßen Unternehmen und einzelnen Enthusitraktiven Verfahren, bei denen Material abgetragen wird – sozuasten zu einem Massenmarkt für alle.
sagen wie ein Bildhauer, der die unnötigen Teile eines MarmorKünftig könnten Anwender den 3D-Drucker auch zu Hause
blocks beseitigt, um Auguste Rodin frei zu zitieren.
nutzen, um so die Kosten für den Einkauf üblicher HaushaltsObwohl der 3D-Druck in der Öffentlichkeit erst seit kurzem
produkte einzusparen. Die Technik wird immer zugänglicher;
ein Thema darstellt, läuft die Entwicklung bereits seit den Achtbald stellen Verbraucher selbst verschiedene Produkte her, die
zigerjahren. Es gibt zahlreiche 3D-Druckmethoden, darunter
mit denen der großen Unternehmen vergleichbar sind. Aus dieFDM (Fused Disposition Modelling), der aktuell beim preiswersem Bereich gibt es ein interessantes Zitat des Dotcom-Pioniers
Seit der Jahrtausendwende wurden mehr 3D-Drucker gekauft und die Preise sind gesunken.
16
Das durchschnittliche jährliche Wachstum für 3D-Drucker zwischen 2013
und 2020 soll 23 Prozent betragen.
Distributoren
Joe Kraus, der vor ein paar Monaten in der BBC-Radio-Sendung
„In Business“ über die aktuelle Revolution in Sachen Herstellung
und Produktion sagte: „Im 20. Jahrhundert ging es um einige
Dutzend Märkte mit Millionen von Kunden. Im 21. Jahrhundert
geht es um Millionen von Märkten mit einigen Dutzend Kunden.“
Es ist durchaus wahrscheinlich, dass der 3D-Druck zusammen
mit anderen Entwicklungen wie Open Source eine wichtige
Rolle dabei spielt, eine Zukunft zu schaffen, in der Anpassung
an individuelle Verbraucherwünsche und eine optimierte Nutzeranpassung wichtiger sind als der althergebrachte Ansatz mit
Massenware und „Produkten von der Stange“.
Schnelles Prototyping – Stunden statt Wochen
Der 3D-Druck macht sich bei der Produktentwicklung in vielen
Branchen bemerkbar – besonders bei der Herstellung geringer
Stückzahlen oder individualisierter Produkte. Für die Produktion großer Stückzahlen stößt die Technik allerdings an ihre Grenzen: Beim 3D-Druck werden Produkte in Schichten aufgebaut.
Das bedeutet, dass die strukturelle Integrität der Komponenten
dem Einsatz in Produktionsgeräten nicht unbedingt gewachsen
ist. Aus diesem Grund wird der 3D-Druck die Produktion mit
geschmolzenem Metall in absehbarer Zeit nicht ersetzen können.
Für die Produktion großer Stückzahlen ist hingegen die Schnelligkeit der Protoypenfertigung mithilfe des 3D-Drucks gefragt,
denn hier sind keine Maschinenkenntnisse mehr erforderlich.
Dies ermöglicht eine schnellere Markteinführung und mehr
Freiheit beim Entwurf.
Die Produktentwicklung hat sich in zahlreichen Branchen
verbessert – von der Automobilindustrie und der Verbrauchertechnik bis hin zur Fertigung medizinischer Geräte. Die
3D-Drucktechnik dient in großen und kleinen Unternehmen der
Entwicklung und Erprobung neuer Konzepte als Alternative zum
Einsatz speziell gefertigter Maschinenwerkzeuge zum Herstellen
von Prototypen für neue Teile oder Komponenten. Dank dieser
Methode können Produktentwickler Prototypen innerhalb von
Stunden erstellen, statt wie bisher Wochen oder Monate warten
zu müssen. Doch das Verfahren bietet mehr als nur Zeit- und
Kosteneinsparungen. Rapid Prototyping per 3D-Druck ermöglicht
innovativere und hochwertigere Produkte. Produktentwickler
müssen nicht mehr darauf warten, dass externe Werkstätten oder
Spritzgussunternehmen die Teile oder Werkzeuge anliefern.
Eck-Daten
Mittlerweile müssen Produktentwickler dank der 3D-Drucktechnologie nicht mehr darauf warten, dass externe Unternehmen die Teile
oder Werkzeuge anliefern. Jedoch sind bisher hohe Preise für die
Hardware sowie komplizierte Designsoftware nur zwei Probleme, mit
denen Nicht-CAD-Spezialisten zu kämpfen haben, wenn es um den flächendeckenden Einsatz des 3D-Drucks geht. RS stellt nun den OpenSource-Autoreplikations-3D-Drucker Ormerod vor, der mit der Modellierungssoftware Designspark Mechanical Produktentwicklungen beschleunigen und Innovationen fördern soll.
3D-Drucker ermöglichen den physischen Test sowie die weitere
Optimierung und Verbesserung von Prototypen, bevor das Produkt in die Massenfertigung geht.
Rep-Rap und Autoreplikation
Aktuelle Trends beim 3D-Druck sind Open-Source-Initiativen
und die Entwicklung selbst replizierender 3D-Drucker: Kann
sich ein 3D-Drucker selbst duplizieren? Das „Replicating Rapid
Prototyper“-Projekt, auch Rep-Rap-Pro genannt, wurde 2004
von Adrian Bowyer gegründet, einem früheren Professor für
Maschinenbau an der Universität von Bath (UK). Ziel war, der
Öffentlichkeit 3D-Druckmöglichkeiten zu einem annehmbaren
Preis zur Verfügung zu stellen. Einfach gesagt ist das Rep-RapProjekt eine Initiative zur Entwicklung eines preiswerten 3D-Druckers, der den Großteil seiner Komponenten selbst drucken kann.
Rep-Rap-Drucker verwenden eine auf FDM (Modellbau aus
schmelzbarem Material) basierende 3D-Druckmethode. Dabei
kommt eine computergesteuerte Kunstoff-Klebepistole und ein
in eine erwärmte Kammer eingeführter Kunstoffdraht zum Einsatz. Eine feine Drüse spritzt den Kunststoff ein, um eine erste
Lage auf einer Bodenplatte zu erzeugen. Die Platte wird Schritt
für Schritt abgesenkt, um Platz für die nächste Lage zu schaffen.
Einer der grundlegenden Beweggründe für Rep-Rap ist es, den
3D-Druck allen zugänglich zu machen. Entsprechend ist das
Projekt grundsätzlich ein Open-Source-Projekt. Was immer sich
selbst vervielfältigen kann, unterliegt den Gesetzen der Evolution. Da es sich um eine Maschine handelt, die ihre eigenen
Teile herstellen kann, müssen die Designdateien leicht verfügbar
sein. Allerdings wird sich die Maschine nicht durch zufällige
Mutation weiterentwickeln, sondern eher entlang der Linien
eines selektiven Programms wie es bei der Entwicklung von Linux
oder Open Source der Fall ist. Die Mitglieder der Rep-RapGemeinde werden das Design verbessern, es optimieren oder
einfacher kopierbar machen und diese Verbesserungen im Web
veröffentlichen. Besitzer einer älteren Rep-Rap-Maschine können
mit dieser dann eine neue, auf dem verbesserten Design basierende Maschine erzeugen. (jck)
n
Bilder: RS Components
Autor
Der Open-Source-Autoreplikations-3D-Drucker Ormerod gehört zum Sortiment von RS.
Martin Keenan
Head of Global Sales Effectiveness bei
RS Components in Oxford.
infoDIREKT130ei0815
17
Distributoren
Den Mondschatten
ausleuchten
1962 zerschellte der amerikanische Flugkörper
Ranger 4 auf dem Mond, weil er mit seinem Eintritt in
den Mondschatten den Funkkontakt zur Erde verloren
hatte. Heute befinden sich viele Geräte in einem ähnlichen Mondschatten: Sie können nicht mit ihrer Umgebung kommunizieren. Distributoren wie Rutronik mit
umfassender Wireless-Linecard und entsprechendem
Know-how unterstützen Hersteller dabei, den Kontakt
Autor: Bernd Hantsche
herzustellen.
N
ach der Produktion, beziehungsweise dem Verkauf sind die
meisten aktuellen Geräte quasi
verschwunden: Hersteller können kaum
herausfinden, wo sie sich befinden oder
wie sie sich verhalten. Mit beiliegenden
Registrierungskarten, Kundenumfragen
und Kontaktformularen auf Webseiten
versuchen Anbieter, Informationen zu
erhalten. Doch präzise und dauerhafte
Aussagen zu Betriebszuständen, Produktverschleiß, Verbraucherverhalten
oder Gebrauchshäufigkeit sind so nicht zu
erhalten. Hersteller könnten damit ihre
Produkte am tatsächlichen Nutzverhalten
ausrichten und optimieren.
Produkte optimieren
Zum Beispiel lassen sich Produktentwicklungen an geändertes Konsumentenverhalten anpassen sowie Schwachstellen am
Produkt erkennen und per Fernzugriff
beheben, noch bevor sie die Kunden selbst
bemerken. Voraussetzung hierfür ist, dass
Sensoren verschiedene physikalische Größen erfassen und die Daten an den Hersteller übermitteln; diese Eigenschaft ist
allgemein als „smart“ bekannt. Vom Smart
TV bis zur vernetzten Produktionsmaschine sind das immer mehr Geräte, sogar einzelne elektronische Komponenten erhal-
18
ten eigene IPv6-Adressen. Nicht-internetfähige Produkte liegen im übertragenen
Sinn heute im Mondschatten.
Vernetzt in IoT und Industrie 4.0
Ob IoT oder Industrie 4.0 – Rutronik hat
für jede Applikation die passende Funklösung: 6LoWPAN im Sub-GHz-Netzwerk
für Gebäudetechnik oder längere Distanzen mit optionaler Ethernet Bridge, Bluetooth 4.2, Wi-Fi in sämtlichen Facetten,
das immer populärere ANT-Netzwerk
oder Lösungen für Mobilfunktechnologien. So können Kunden die üblichen Gateways wie Wi-Fi-Router, Smartphone oder
Basisstation für ihr Produkt nutzen.
Viele aktuelle Funklösungen beinhalten
nicht nur das Funkprotokoll und zugehörige Anwendungsprofile, sondern zudem
genügend Rechenleistung, Speicherplatz,
Peripherie und Schnittstellen, um Sensoren, Batterie und I/O-Bauteile direkt anzu-
Simblee ist kompatibel
zum RFduino, aber
deutlich kleiner, und
ermöglicht Apps für
iOS- und Android-basierte Smartphones.
schließen. Embedded-Kunden profitieren
von Mini-PCIe-Karten, M.2-Karten, USBoder RS232-Sticks sowie industriellen
Modems für sämtliche Funktechnologien.
Fokuspartner im Wireless-Bereich ist
Nordic Semiconductor. Mit der Produktfamilie nRF51 deckt Nordic die Bluetooth4.0-Technologie ab. Neben Bluetooth Low
Energy (BLE) unterstützt ein nRF51 auch
das Ultra-Lowpower-Netzwerkprotokoll
ANT, das mit bis zu 64.000 Netzwerkteilnehmern und je nach Betrieb noch geringerem Energieverbrauch als BLE zusätzliche Einsatzmöglichkeiten eröffnet. Dritte Variante ist das Open-Source-Protokoll
Gazell. Es erlaubt standardmäßig eine
Sterntopologie für sieben Teilnehmer mit
drei verschiedenen Pairingmöglichkeiten,
darunter auch Proximitypairing.
Basierend auf dieser SoC-Familie hat
Rutronik drei Modulhersteller im Portfolio: Fujitsu, RF Digital und Dynastream.
Eck-DATEN
Distributoren wie Rutronik unterstützen Unternehmen dabei, die technische Grundlage für den
Eintritt ins IoT und die Industrie 4.0 zu legen. Vom Wireless-Kooperationspartner Nordic etwa
kommen SoCs der Baureihe nRF51 mit einem ARM Cortex M0, der nicht nur Bluetooth Low Energy unterstützt, sondern auch das Ultra-Low-Power-Netzwerkprotokoll ANT mit bis zu 64.000
Teilnehmern. Erste Engineeringsamples des noch leistungsstärkeren Nachfolgers sind bereits erhältlich. Außerdem im Portfolio sind die Modulhersteller Fujitsu, RF Digital und Dynastream, deren Funkmodule den vollen Softwaresupport durch Nordic erhalten.
Bild: RF Digital
Der Distributor im Internet der Dinge
Damit sparen sich Interessenten mit kleinen bis mittleren Stückzahlen die Kosten
für Zertifizierungen und ein aufwendiges
HF-Design, gleichzeitig profitieren sie von
einer kürzeren Time-To-Market mit besten
Bluetooth Stacks und Applikationsprofilen. Rutronik gewährleistet den vollen
Softwaresupport durch Nordic. Das Konzept bewährt sich auch beim Umstieg vom
Modul- auf den IC-Einsatz bei steigendem
Produktionsvolumen.
Die Module von Dynastream unterstützen BLE sowie das ANT-Protokoll, die
Modelle von Fujitsu und RF Digital hingegen sind auf BLE, Gazell und kundenspezifische Protokolle beschränkt.
Firmware für Prototypen
RF Digital bietet zudem hauseigene Stacks
an: Die RFduino genannte Firmware lässt
sich mit der Arduino-Entwicklungsumgebung Eclipse flashen und dank vereinfachter Befehle besonders leicht programmieren. Darüber hinaus kann das Modul
auch als SIP-Bauform mit stapelbaren
Shields zum Einsatz kommen.
Aufgrund des großen Erfolges des RFduino hat RF Digital Simblee entwickelt. Der
ist noch kleiner als der RFduino, optional
aber auch im dazu kompatiblen Format
erhältlich, damit die gleichen Shields passen. Im Unterschied zum RFduino lassen
sich mit der Simblee-Entwicklungsumgebung auch Apps für iOS- und AndroidSmartphones realisieren, ohne dass man
dafür Xcode oder Andoid-SDK benötigt
oder Apps auf iTunes und den Google Play
Store hochladen muss. Nach Installation
der kostenlosen Simblee-App werden
sowohl die GUI (Graphical User Interface)
als auch der Applikationscode im Simblee
gespeichert und ausgeführt und lediglich
an die App übertragen.
Aktuell sind erste Engineeringsamples
des nRF51-Nachfolgers erschienen: Der
nRF52 geht Ende des Jahres in Serienproduktion und vereinfacht dank NFCInterface auch das Bluetooth-Fast-Pairing: Lediglich eine 13,56-MHz-Antenne ist anzuschließen und schon koppeln
sich Smartphone und nRF52-Anwendung über kurze Distanzen vollautomatisch. Anschließend lässt sich die Entfernung je nach Ausführung der 2,4-GHzAntenne auf bis zu 50 m erhöhen.
Rutronik bietet eine komplette Infrastruktur aus Chips, Modulen, USBSticks, Entwicklungsumgebungen und
Tools an, die auf Nordic-Halbleitern
basieren. Hinzu kommen Hersteller wie
Rohm, Toshiba und ST.
Nie ohne Sicherheitsmaßnahmen
Wenn Geräte und Maschinen internetfähig sind, öffnet dieser Zugang nicht
nur Herstellern und Nutzern viele Möglichkeiten, sondern auch Unbefugten mit
unlauteren Absichten. Sicherheitsmaßnahmen reichen von der Hardware über
Hardware-nahe Software und Firmware bis hin zu anderen Softwaresystemen,
die auf einer Hochsprache basieren. Bei
der Auswahl und Umsetzung unterstützt
Rutronik seine Kunden und bewahrt sie
vor Fallstricken. (mou)
■
Bild:
Nord
ic Se
mico
nduc
tor
Autor
Das SoC nRF52 von Nordic mit dem ARM Cortex
M4F bietet eine höhere Rechenleistung und ein
Vielfaches an Speichervolumen im Vergleich
zum Vorgänger.
Bernd Hantsche
Marketing Director Embedded & Wireless bei Rutronik
Elektronische Bauelemente.
infoDIREKT
ZUVERLÄSSIG &
INNOVATIV
Die Power-Module
von MORNSUN
AC/DC Converter
Isolation
Single
Twin
Dual
Triple
Quad
Input
Output
Bild: RF Digital
Nach Installation der
kostenlosen SimbleeApp werden GUI und
Applikationscode im
Simblee gespeichert
und ausgeführt und
lediglich an die App
übertragen.
2-4 kVac (1 min)
5/12/15/24/3.3/9/48V
5/12/15/24V; 5/15/24V
±(5/12/15/24)V
±(5/12/15/24)V; 5V
±12V; 5V; 24V
30-165 - 264-460 Vac
RoHS
COMPLIANT
1-5W Cost Effective LS Series
• Small Size, High Efﬁciency
• THT (Open/Enveloped Frame)
4-25W Low Temp LB Series
• TempRange starts at -40°C
• THT (5-Pin Modular Package)
5-60W High Reliability LH Series
• Input Voltage up to 305 Vac
• THT, Chassis/DIN-Rail Mounting
24-120W DIN-Rail LI Series
• Industrial Control Equipment
• Std. Rail Installations (35 mm)
204ei0815
www.spezial.com
www.mornsun-power.com
Distributoren
Das Entfernungsmessgerät CEM ILDM-150
mit beleuchtetem Mehrzeilendisplay.
Per Bluetooth oder E-Mail: Bilder senden,
twittern oder auf Facebook veröffentlichen.
Zollstock war gestern
Laser-Entfernungsmessgerät mit Bluetooth
Drahtlose Übertragungstechnologien erobern die Welt der Messgeräte: Der Distributor
Reichelt stellt das Laser-Entfernungsmessgerät CEM ILDM-150 vor, das mit einer BluetoothSchnittstelle die Kommunikation und Fernsteuerung des Geräts mit Tablets oder Smartphones ermöglicht. Nun lassen sich Fotoaufnahmen der Messobjekte mit den visualisierten
Autor: Sebastian Bley
Messergebnissen des Entfernungsmessers kombinieren.
L
aser-Entfernungsmessgeräte sorgen nicht nur im Bau- und Immobilienbereich für exakte Bemaßungen. Auch im industriellen Umfeld werden sie benötigt, beispielsweise im Anlagenbau oder bei der Planung von Versorgungsleitungen. Für solche professionellen Einsatzzwecke hat Reichelt Elektronik
sein Angebot um das Laser-Entfernungsmessgerät CEM ILDM-150 erweitert.
Eine Besonderheit des Geräts ist die integrierte Bluetooth-Schnittstelle, über die
sich schnell und einfach Augmented-Reality-Darstellungen generieren lassen.
Bis zu 70 m genau messen
Mit seiner hohen Auflösung und einer
Reichweite von bis zu 70 m ist das CEM
ILDM-150 sowohl in der Messgenauigkeit
als auch in der Reichweite für professionelle Messungen ausgelegt.
Anwendungsbereiche sind beispielsweise die Gebäudetechnik, der Anlagenbau,
die Montage und Inbetriebnahme neuer
Eck-DATEN
CEM ILDM-150 ist ein Laser-Entfernungsmessgerät mit hoher Auflösung und einer Reichweite
von bis zu 70 m zur berührungslosen Messung von Distanzen. Die Besonderheit liegt in der integrierten Bluetooth-Schnittstelle, welche eine Kommunikation und Fernsteuerung mit Androidoder iOS-Geräten wie Tablet oder Smartphone ermöglicht. Mit der Gratis-App Meterbox iLDM
können Anwender die Aufnahmen der Messobjekte erstellen, ausmessen und dokumentieren.
20
oder versetzter Maschinen oder die Planung von Förderanlagen. Das Entfernungsmessgerät erfasst einen Messbereich
von 0,05 bis 70 m bei einer Grundgenauigkeit von ±1,5 mm und ermöglicht Winkelmessungen bis zu ±65°.
Funktionen für Messergebnisse
Eine genaue Positionierung von Maschinenfundamenten erfordert eine exakte
Vermaßung die Grundvoraussetzung – so
wie auch für die ideale Platzierung der
Fördertechnik und die Längen- und Materialermittlung der zugehörigen Versorgungsleitungen.
Der CEM ILDM-150 verfügt über mehree Funktionen, die es möglich machen,
die Ergebnisse direkt nach der Messung
auszuwerten. So können durch den Neigungssensor, die Flächen-, indirekte
Info-KASTEN
Als einer der größten europäischen Online-Distributoren für Elektronik und IT-Technik bietet
Reichelt aus dem niedersächsischen Sande mehr als 50.000 Produkte. Besonderer Fokus liegt
auf der Beschaffung elektronischen Bauelemente. Elektroniker finden im Online-Shop ICs und
Mikrocontroller, LEDs und Transistoren sowie Widerstände, Kondensatoren, Steckverbinder
und Relais. Auch Werkzeuge wie Lötstationen, Multimeter oder Oszilloskope sind im Produktprogramm enthalten. Das Angebot aus der PC- und Netzwerktechnik mit internen und
externen Festplatten, AMD- oder Intel-CPUs, Arbeitsspeicher sowie WLAN-Routern, Powerlines und Patchkabeln richtet sich sowohl an den Privat- wie auch an den Businesskunden.
Höhen- und Volumenberechnung, Additions- und Subtraktionsfunktionen bis zu
20 Datensätze direkt nach der Messung
abgerufen und gespeichert werden.
Augmented Reality
Eine Besonderheit des CEM ILDM-150 ist
die integrierte Bluetooth-Schnittstelle.
Diese ermöglicht die Kommunikation und
Fernsteuerung des bei Reichelt erhältlichen Geräts mit Tablets oder Smartphones.
Mit der Gratis-App Meterbox iLDM für
Android oder iOS machen Anwender
Fotos über die mobilen Geräte. Die Messobjekte lassen sich so mit den visualisierten Messergebnissen zu Augmented-Reality-Darstellungen kombinieren.
Anwender können die Bilder dann per
Bluetooth oder E-Mail beispielsweise
durch eine Cloud senden, twittern oder
auf Facebook veröffentlichen. Durch die
Kombination der digitalen Messdaten mit
Realbildern werden Planungsdaten sowie
Absicherungsmethoden mit realen Geometrien abgeglichen. Neben der exakten
Vermaßung in der Planungs- und Einrichtungsphase sind die AugmentedReality-Möglichkeiten hilfreich: Die
Kombination des CEM ILDM-150 mit
mobilen Geräten können Anwender für
Dokumentationen, das Qualitätsmanagement oder die Planung von Fluchtund Transportwegen nutzen. Auch für
Projektpräsentationen und -visualisierungen in der Planungsphase lässt sich
das Werkzeug sinnvoll einsetzen.
Komfortabel und robust
Das 160 g leichte Gerät bringt die Funktionen und das beleuchtete Mehrzeilendisplay in einem kompakten Gehäuse
(135 × 53 × 30 mm3) mit der Schutzart
IP54 unter.
Ein ausklappbarer Endanschlag, das
Stativgewinde sowie eine integrierte
Wasserwaage erleichtern die Positionierung des robusten Geräts. Neben Einzelmessungen mit anschließender Addition und Substraktion, Flächen- oder
Volumenberechnungen sind mit dem
CEM ILDM-150 auch Dauermessungen
oder Trackings möglich. Dabei wird der
Laser über das Messobjekt bewegt und
alle 0,5 s ein neuer Messwert erfasst. Mit
dieser Betriebsart erleichtert das Messgerät die Kontrolle der Maßeinhaltung
und die Übertragung in Baupläne.
Der Entfernungsmesser errechnet
auch indirekte Messungen wie Höhenmessungen mit zwei oder drei Messpunkten automatisch. Stift und Zettel
können von nun an also in der Werkstatt
bleiben. (jck)
■
Autor
Bilder: Reichelt Elektronik
Sebastian Bley
Senior Marketing Manager bei Reichelt
Elektronik in Sande.
Die Gratis-App Meterbox iLDM vermisst Objekte
per Fotoaufnahme.
infoDIREKT
132ei0815
Distributoren
Für Gebäudeautomatisierung
und Home Automation
IP500: die offene, sichere und herstellerübergreifende Plattform
Bilder: EBV Elektronik
Noch arbeiten Systeme der Gebäudeautomatisierung sowie zur Home Automation mit relativ proprietären Systemen. Mit IP500 entstand eine gemeinsame Lösung, die auf zentrale,
bereits eingeführte Standards und Industrienormen setzt, um so eine möglichst große Interoperabilität zu erzielen. elektronik industrie erläutert den Standard, der auch das Thema
Sicherheit umfassend addressiert, und stellt eine passende Lösung vor. Autor: Dr. Eckart Voskamp
Das Wireless-Modul
Vesta für IP500Mesh-Netzwerke.
Das Board IP500 DK
ist in dem Entwicklungskit für IP500Lösungen dreimal
vorhanden.
S
ysteme zur Gebäudeautomation
sowie zur Home Automation gibt es
zwar schon seit dem letzten Jahrtausend, aber bisher handelte es sich dabei
trotz einer gewissen Standardisierung
(zum Beispiel Instabus, Konnex, KNX)
doch um relativ proprietäre Systeme, die
ausschließlich innerhalb ihrer Anwendungsnische zum Einsatz kamen. Mit
dem Internet der Dinge (IoT) erhält die
Automatisierung von Gebäuden, Eigenheimen und Wohnungen ein ganz neues
Moment, das mit immenser Dynamik die
Vernetzung vorantreibt.
Bereits im Jahr 2006 formierte sich daher
auf Initiative führender Hersteller, Anwender und Betreiber die IP500 Alliance
(www.IP500.org) mit dem auf der IP500Website aufgeführten Ziel, „eine drahtlose, herstellerneutrale und sichere Kommunikations-Plattform für intelligente
Gebäude gemeinsam zu definieren, zu
entwickeln und bereitzustellen“. In den
22
letzten Jahren arbeiteten über 30 IP500Mitglieder, zu denen unter anderem Bosch
Sicherheitssysteme, Dorma, Geze, Honeywell Esser, Siemens Building Technologies,
das Kommunikationsunternehmen Orange, Tyco und Wago zählen, gemeinsam mit
IP500-Partnern wie TÜV Rheinland, Varta Microbattery und EBV Elektronik an der
Etablierung der neuen IP500-Plattform,
die laut IP500-Website „alle notwendigen
technischen Voraussetzungen für eine
sichere, interoperable und gewerkübergreifende Vernetzung smarter Devices für
sämtliche Bereiche in der Gebäudeautomation erfüllen“ soll.
Wichtig war und ist den Beteiligten
dabei, dass es sich um eine gemeinsame
Lösung handelt, die auf zentrale, bereits
eingeführte Standards und Industrienormen wie IEEE 802.15.4, IPv6, 6LowPAN,
Eck-Daten
IP500 etabliert sich derzeit als globale kabellose Standardplattform für Sicherheitsanwendungen im Internet der Dinge. Unter
besonderer Berücksichtigung der Sicherheitsaspekte ermöglicht IP500 die herstellerübergreifende preisgünstige WirelessKommunikation im Bereich der Automatisierung von Gebäuden sowie von Eigenheimen
und Wohnungen. Mit Vesta ist jetzt das erste
Wireless-Modul für IP500-Mesh-Netzwerke
verfügbar.
BACnet, AES128 oder IPsec setzt, um so
eine möglichst große Interoperabilität zu
erzielen. Ein besonderes Augenmerk gilt
bei IP500 der Sicherheit – und zwar in doppelter Hinsicht, nämlich in Form von Safety
(Funktionale Betriebssicherheit) und Security (Vertraulichkeit der Daten, Datenintegrität sowie Authentizität der Daten).
Sicherheit = Safety + Security
IP500 arbeitet eng mit dem VdS zusammen, wobei eine der wichtigsten Maßnahmen im Rahmen des Standards die Redundanz ist, die für die erforderliche Safety (Betriebssicherheit) sorgt. Per AES-128-
Verschlüsselung mit spezieller Authentifizierung sorgt der Standard auch für die
notwendige Security: Bei jeder Datenübertragung überträgt das System einen sich
ständig verändernden 8-Bit-Schlüssel.
Dabei handelt es sich zwar nicht um den
gesamten Schlüssel, aber dennoch ist
damit sichergestellt, dass der übertragene
Schlüssel stets unterschiedlich ist.
Außerdem muss man unterscheiden,
welche Form der Sicherheit besonders relevant ist: Sicherheit vor einem Datenverlust
oder Sicherheit vor einem Datendiebstahl
beziehungsweise vor Datenfälschung. Bei
Rauchmeldern und anderen Einheiten ist
das wichtigste, dass es nicht zu einem
Datenverlust kommt, damit die ordnungsgemäße Funktion des Rauchmelders sicherwww.elektronik-industrie.de
Design-In-Expertise And Service
Central
IP500®
Network
Management
Controller
iXcontrol
iXconvert
Ethernet
Bild: EBV Elektronik/Corenetix
BACNet (IP500® native)
M-Bus
Modbus
LON
Etc.
iXnet
CNXGT150
NMS
Sensor / Actuator Nodes – Sub-Net1
(Vesta)
Building
Management
System
Gateway to
Cloud
CNXGT150
NMS
IoT Product
Portfolio
Sensor / Actuator Nodes – Sub-Net2
(Vesta)
Die Systemarchitektur eines IP500-Systems.
gestellt ist. Hierzu ist ein vorprogrammiertes Live-Signal erforderlich, um zu wissen,
dass der Rauchmelder noch aktiv ist. Zweitens muss sichergestellt sein, dass das Signal im Bedarfsfall auch wirklich ankommt.
Den größten Schaden, den man sich bei
einem Hacker-Angriff auf dieses System
vorstellen kann, ist das Vortäuschen eines
Brandes. Viel schlimmer wäre es allerdings, wenn der Rauchmelder sich nicht
meldet, wenn es wirklich brennt. Letzteres
muss garantiert verhindert werden, ersteres sollte möglichst verhindert werden –
und das ist die Grundidee hinter dem
Ansatz der IP500-Lösung.
Um die hierfür erforderliche Redundanz
zu schaffen, arbeitet IP500 mit einem
Mesh-Netzwerk, und die nächste Stufe ist
dann ein Dual-Band-System. Hinzu
kommt die übliche Verschlüsselung mit
einem AES-128-Schlüssel.
Anwendungen
Die IP500 Alliance beschäftigte sich
ursprünglich mit der drahtlosen Kommunikation bei sicherheitsrelevanten Gebäude-Management-Anwendungen, aber
mittlerweile ist die IP500-Allianz auch im
Bereich Smart-Grid und Building Automation aktiv. Typische Anwendungen sind
Feuer- und Rauchmelder, die Steuerung
der Wege zu Notausgängen, Beleuchtung
von Fluchtwegen, Alarmsysteme und Einbruchmelder, Licht- und Klimasteuerung,
Messaging und Lokalisierung, Zugangskontrolle und Sicherheitsschlösser sowie
Objektschutz im Allgemeinen – auf gut
Deutsch: überall dort, wo sicherheitskritische Systeme zum Einsatz kommen.
Asynchrones Mesh-Netzwerk
Im Gegensatz zu den sonst üblichen Standardisierungen, beispielsweise über den
IEEE, haben sich bei IP500 die Hersteller
von Endgeräten (also die OEMs) zusammengesetzt und in einem Top-Down-Verfahren die Spezifikation erstellt. Dazu
haben sie überlegt, welcher Datendurchsatz erforderlich ist, welcher Sicherheitsaufwand nötig ist und wie viel Redundanz
zum Erzielen dieser Vorgaben vorhanden
sein muss. Auch die Reichweite, der Energieverbrauch sind unter anderem wichtige
Größen, bei denen es gilt, einen passenden
Kompromiss zu finden. Die Struktur eines
asynchronen Mesh-Netzwerks ermöglicht
dabei einen besonders niedrigen Energieverbrauch (low-power), während die BasisBetriebsfrequenz von 868 MHz eine hohe
Reichweite und Penetration in geschlossenen Räumen mit sich bringt.
In einem IP500-Netzwerk gibt es verschiedene Knotentypen. So sind die so
genannten Fully Functional Devices nicht
batteriebetrieben und permanent eingeschaltet, während eine Batterie die Reduced Functional Devices speist, die oft auch
in einem Tiefschlaf-Modus verharren, aber
bei Interrupts oder entsprechenden Events
schnell aufwachen. In derartigen Reduced
Functional Devices müssen die Batterien
bis zu zehn Jahre lang halten. Bei Geräten
wie beispielsweise Rauchmeldern läuft
parallel noch eine besonders energieeffiziente Echtzeituhr mit, die über einen speziellen Interrupt in verschiedenen Stufen
den Prozessor aufweckt.
Der IP500-Standard selbst ist derzeit
noch sehr zentraleuropäisch geprägt und
Microcontroller
Wireless
Security
Sensor &
Sensor Frontend
Display
Capacitive Touch
Batteries &
Wireless Charging
Timing Devices
Weitere Informationen finden Sie
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[email protected] · www.ineltek.com
außerhalb von Zentraleuropa noch ziemlich unbekannt, aber derzeit laufen Aktivitäten der Allianz, den Standard weltweit
bekannt zu machen. Hierzu hat die Allianz
mittlerweile einen offiziellen Vertreter im
Silicon Valley, der über viel Erfahrung in
diesem Bereich verfügt, weil er einer der
Initiatoren und treibenden Kräfte zur
Standardisierung von Zigbee war. Auch
in Singapur und Japan kümmern sich offizielle Vertreter der Allianz darum, den
Bekanntheitsgrad zu erhöhen. Zudem ist
der Initiator und Vorsitzende der Allianz,
Helmut Adamski, sehr aktiv, indem er
unter anderem mit Unternehmen wie
Google (inklusive Nest) spricht, um zu
klären, ob beispielsweise eine Verbindung
mit KNX möglich ist, oder um zu prüfen,
ob IP500 quasi als darunterliegendes Protokoll nutzbar ist.
EBV Elektronik ist offizieller Produktpartner der IP500 Alliance, und treibt im
Rahmen ihres EBVchips-Programms den
Standard weltweit voran, wobei EBV auch
auf ihre Schwesterfirmen im Avnet-Konzern zurückgreifen kann. Nur OEMs dürfen Member (Mitglieder) der Allianz werden, während Lieferanten oder Hersteller
den Status „Partner“ der IP500-Allianz
erlangen können.
Bild: EBV Elektronik
Distributoren
Das Entwicklungskit
für IP500-Lösungen
auf Basis von Vesta.
anderer Knoten die Datenübertragung
hierfür mit übernehmen.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, über
ein Dual-Band-Modul den Datenverkehr
abzuwickeln. EBV Elektronik arbeitet
bereits intensiv an der Entwicklung eines
solchen Dual-Band-Moduls, das mit einer
Basisfrequenz von 900 MHz (868/915/.../928
MHz) sowie zusätzlich im 2,4-GHzBereich die O-QPSK-modulierten Daten
überträgt. Das Dual-Band-Modul liefert
EBV drop-in-kompatibel zum bereits existierenden Single-Band-Modul, sodass
Kunden bereits heute die Hardware entwickeln können, auch wenn die Endanwendung ein nach VDS zertifizierbares
Dual-Band-Modul erfordert.
Vesta: Das weltweit
erste zertifizierte Modul
Protokoll-Stack
EBV Elektronik bringt derzeit im Rahmen
von EBVchips unter der Bezeichnung Vesta das weltweit erste bei 868 MHz arbeitende Single-Band-Modul für IP500 auf
den Markt. Die Firma Corenetics hat das
IP500-Modul Vesta fertig entwickelt (Software-Stack und Hardware), die entsprechenden FCC-Zertifizierungen und CEKonformitätserklärungen liegen bereits
vor. EBV Elektronik liefert die Module mit
einer Leadtime von vier Wochen aus. Als
Basis für das Modul dient ein Atmel-Chipsatz, den EBV mit einer speziellen Software programmiert.
Zusätzlich zu dem 868-MHz-SingleBand-Modul wird EBV ein zertifiziertes
Dual-Band-Modul auf den Markt bringen,
das die Daten mit einem redundanten
Routing über ein asynchrones Mesh-Netzwerk versendet, während beispielsweise
Zigbee lediglich ein synchrones MeshNetzwerk nutzt. Wenn somit ein Knoten
ausfällt, kann bei dem IP500-Modul ein
Gleichzeitig sorgt der neue Protokoll-Stack
auch für die notwendige Redundanz.
Dabei setzt das System auf existierende
PHYs auf – in diesem Fall ein PHY von
Atmel – sodass bereits existierende Hardware zum Einsatz kommt, was sich auf der
Kostenseite sehr positiv auswirkt. In einem
weiteren Schritt nach dem Dual-BandModul wird von der IP500 Alliance an
einer nächsten Stufe der Chipintegration
gearbeitet, um Kosten weiter reduzieren
zu können, den Energieverbrauch weiter
zu senken und auch die Chipgröße weiter
zu reduzieren, was wiederum Anwendungen in sehr großen Stückzahlen ermöglichen kann.
Die Module sind bereits programmiert,
und somit ist auch der Stack für die IP500Lösung als Komplettlösung von EBV
erhältlich, wobei das API (ApplikationsProgrammier-Interface) bereits ein integraler Bestandteil des Stacks ist. Mit dem
integrierten IPv6-Support öffnet Vesta die
24
Möglichkeit zur intelligenten web-basierten Steuerung. In punkto Security und
Safety soll das geplante Vesta Dual-BandModul den Vorgaben von EN, VdS und
anderen entsprechen.
Modul und Entwicklungskit
Zusätzlich zu den Modulen selbst steht
den Entwicklern bereits jetzt ein vollständiges Entwicklungskit zur Verfügung, das
sie in die Lage versetzt, ein kleines Netzwerk mit drei verschiedenen Knoten aufzubauen. EBV liefert dieses Entwicklungskit als komplettes Paket aus: vier Boards
und vier Antennen inklusive Batterien und
einem USB-Stick, der die komplette Hardware-Dokumentation enthält. Eines dieser
vier Boards ist bereits als Edge-Router vorkonfiguriert, um so über eine USBSchnittstelle die Kommunikation mit dem
Host-Computer zu übernehmen. Über
eine grafische Anwenderschnittstelle können die Entwickler die Boards steuern,
wobei die Steuerung durchaus auch bidirektional erfolgen kann.
Mithilfe der drahtlosen Schnittstellen
lassen sich dann bereits im Feld erste Tests
durchführen, um so beispielsweise die
Reichweite sowie diverse Funktionsmerkmale im Praxistest zu überprüfen.
Weitere Details über das Entwicklungskit sowie die zukünftigen Entwicklungen
finden Sie in der Langversion dieses Beitrags per infoDIREKT 311ei0815. (av) n
Autor
Dr. Eckart Voskamp
Director EBV Chip Program bei
EBV Elektronik in Poing.
Gehäuse
Sensor erkennt Gewitter bis zu 40 km entfernt
BGA-Balls auf QFP-Pads für
mehr Prozesssicherheit
Bild: IS-Line
Früh gewarnt
Der Franklin-Blitzsensor AS3935 von AMS (im
Vertrieb von IS-Line) arbeitet mit einem empfindlichen RF-Empfänger, der die durch Blitzaktivität ausgelösten elektrischen Signale erkennt.
Ein proprietärer Algorithmus bewertet anhand
dieses RF-Signals die Entfernung zur Gewitterfront. In einem Umkreis von 40 km warnt der
Detektor vor Gewitteraktivitäten. Das funktioniert, indem er Blitze sowohl aus der Wolke zur
Erde als auch innerhalb von Gewitterwolken re-
gistriert. Die von Menschen gemachten Störungen, wie aus Motoren oder Mikrowellenherden,
werden mit einem programmierbaren Störlevel
unterdrückt. Die typische Stromaufnahme beträgt 60 μA im Empfangsbetrieb, bei einer Versorgungsspannung von 2,4 bis 5,5 VDC. Aufgrund der geringen Baugröße (4 × 4 mm2) und
des minimalen Stromverbrauchs eignet sich der
Blitzsensor für den Einsatz in tragbaren Arbeitsmaschinen. Anwender können den FranklinBlitzsensor AS3935 aber auch in elektronischem
Equipment wie Mobiltelefonen und GPS-Empfängern oder in Outdoor-Sportgeräten für Freizeitaktivitäten wie Radfahren, Wandern, Wassersport, Golf und in vielen anderen Applikationen zur Verhütung von Blitzunfällen und Überspannungsschäden einsetzen.
sungen 6,0 × 3,0 × 1,6 mm3 weisen die Keramik-Resonatoren von Red-Frequency gute
Werte in Bezug auf Alterung und Spannungsfestigkeit auf. So beträgt das Aging je nach Typ
lediglich ±0,1 bis 0,3 % in zehn Jahren. Zudem
widerstehen sie schadlos DC-Überspannungen
von 100 V für eine Minute. Mit einer guten Temperaturstabilität von 0,2 beziehungsweise
0,3 % im Bereich von -20 bis +80 °C zielen diese
SMD-Keramik-Resonatoren auf anspruchsvolle
Anwendungen ab, bei denen es auf eine hohe
Zuverlässigkeit und Langlebigkeit ankommt.
Die beiden Typen IR_ZTTCC und IR_ZTTCP sind
ab sofort ab Lager Schukat verfügbar.
Der stetige Zwang zur Miniaturisierung hat die
QFP-Gehäusetechnik an ihre Grenzen geführt:
Mangelnde Koplanarität und die Gefahr von
Lötbrücken können bei großen Pinzahlen und
kleinen Rastermaßen zu einem echten Problem
werden. Daher geht der Trend seit Jahren in
Richtung BGA-Gehäuse. Viele LeiterplattenLayouts sind aber noch mit QFP-Footprints versehen. Um neue BGA-Gehäuse auf existierende
QFP-Footprints zu adaptieren, entwickelte Advanced Interconnections (Vertrieb: Infratron) eine neue Adapter-Technologie. Dabei wird jede
QFP-Kontaktfläche auf der Leiterplatte mit
mehreren Lötbällen kontaktiert, die an der Adapter-Unterseite
angebracht sind.
Eine schlechte
Lötverbindung
wegen Problemen mit den
Balls ist aufgrund
dieser Redundanz fast vollständig ausgeschlossen. Auf
diese Weise können die existierenden Platinen-Layouts weiter genutzt werden, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu
müssen. Auch für etablierte bleihaltige Lötprozesse ist diese Lösung interessant, da die Unterseite des Adapters mit bleihaltigen Balls versehen werden kann, während die Oberseite und
das Device bleifrei verbunden werden. Die patentierte Technologie ist auch für alle Gehäusetechnologien nutzbar, die auf einen existierenden QFP-Footprint adaptiert werden sollen.
infoDIREKT
infoDIREKT
infoDIREKT
101ei0815
Frequenzbestimmende Bauteile
Sechs neue Keramik-Resonatoren
Der Distributor Schukat
aus dem nordrhein-westfälischen Monheim
am Rhein hat
hukat
Bild: Sc
sein Red-Frequency-Sortiment im Bereich
der frequenzbestimmenden Bauteile (FCPs) mit
sechs weiteren Resonatoren aus Keramik ergänzt. Die Typenreihen IR_ZTTCC und
IR_ZTTCP bedienen den Frequenzbereich von
2 bis 4 MHz bei niedrigen Toleranzen bezüglich
Frequenzstabilität von ±0,5 %. Luftdicht gekapselt im Keramikgehäuse mit den Abmes-
102ei0815
Bild: Infratron
Distributoren
103ei0815
SCHNELL . ZUVERLÄSSIG . PROFESSIONELL
Deutschlandweit 4,90 Euro Lieferkostenpauschale
Zustellung am nächsten Arbeitstag bei Bestelleingang bis 18:00 Uhr
500 namhafte Hersteller
75.000 Artikel ab Lager verfügbar
Sitz mit Ladengeschäft in Oberhaching bei München
buerklin.com
Display-Technik
Touch-Panels fürs Internet of Things
Embedded-Lösungen und Displays
Das Internet der Dinge ist in aller Munde. Indes erfordert die Kommunikation von Maschinen mit Maschinen
einsatzbereite Plattformen, die für derartige Anwendungen ausgelegt sind. So umfasst die Produktpalette
von Fortec die entsprechenden Embedded-Lösungen und dazu passende Displays. Besonders im Bereich der
Touchpanels stehen viele unterschiedliche Geräte bereit: von kostengünstigen Modullösungen bis hin zu
Autor: Vitezslav Karafiat
kundenspezifischen Bedieneinheiten.
Bild 1: Der taiwanesische Hersteller Rocktouch hat sich auf
die Entwicklung und Fertigung von PCAP-Fronten für Displaypanels nach industriellen Anforderungen spezialisiert.
W
ar das Internet bislang eine Sache zwischen Menschen und Maschinen, bringt es künftig immer mehr
Maschinen mit anderen Maschinen zusammen.
Während heute die Menschen über Laptop, iPad oder Smartphone vernetzt sind, wird in naher Zukunft die komplette physische
Umwelt interaktiv sein: Autos, Fabriken, Krankenhäuser, Rathäuser. Einerseits ist natürlich der Privatbereich direkt betroffen,
etwa bei der Regelung der Heizung per Smartphone oder der
Suche nach freien Parkplätzen über intelligente Parkuhren. Im
industriellen Bereich des Internets der Dinge dagegen geht es
um Smart Health, also beispielsweise medizinische Ferndiagnose und Telemedizin, oder um Smart-Grid für die intelligente
Stromversorgung.
Industrielle Touchpanels mit intuitiver Bedienung
Multitouchfähige Bedieneinheiten haben mittlerweile auch im
industriellen Umfeld Fuß gefasst. Intuitive Bedienfunktionen
durch Zoomen, Switchen oder das Drehen von Objekten lassen
sich in die Applikation einbinden und ermöglichen eine Art der
Steuerung, die der Bedienung eines Smartphones ähnelt. Für
die schnelle Realisierung preiswerter PCAP-Projekte (PCAP:
projezierte kapazitive Technik) hat Fortec Standard-Touchsensoren des taiwanesischen Herstellers Rocktouch im Programm,
der sich auf die Entwicklung und Fertigung von PCAP-Fronten
für Displaypanels nach industriellen Anforderungen spezialisiert hat (Bild 1).
Die Anbindung des PCAP-Sensors an die Rechnereinheit
erfolgt direkt per I²C, USB oder UART. Die zu 100 Prozent rückwärtskompatible Modellpalette umfasst dabei alle in der Indus-
26
Bild 2: Aufbaustruktur eines PCAP-Touchpanels.
trie gängigen Größen, sowohl in Standard- als auch in HighendVersion. Anwendern stehen dadurch mehr als 40 verschiedene,
robuste und preisgünstige Standard-Touchsensoren inklusive
Coverglas zur Verfügung, die auf die Touchcontroller von EETI
abgestimmt sind. Alle Diagonalen bieten einen einheitlichen
Steckverbinder und basieren auf der Chip-on-Film-Technik; auch
die Position des Verbindungskabels liegt durchgängig an derselben Stelle. Das vereinfacht die Kabelkonfektionen und Anbindung
des Controllerboards. Zur Auswahl stehen die verbreiteten
Schnittstellen USB, I 2C und RS232.
Für besonders hohe Ansprüche ermöglicht die Kombination
der Touchsensoren mit hochwertigen Covergläsern eine extrem
schlag- und kratzfeste Bedienfront. Gerade die höheren Glasstärken erlauben die Implementierung vandalismusgeschützer
Bildschirme ohne Abstriche bei der Genauigkeit der Benutzeroberfläche. Das ist besonders gefragt bei Anwendungen wie
Informationskiosken in öffentlichen Räumen, Geldautomaten
oder industriellen Informationsbildschirmen.
Eck-Daten
Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ermöglicht die Kommunikation von Maschinen mit Maschinen (M2M, Machine to Machine),
sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich. Bei den für diese
Anwendungen erforderlichen Schnittstellen handelt es sich ebenso
wie bei Mensch-Maschine-Schnittellen meistens um Systeme mit TFTDisplays und Touchscreens in projizierter kapazitiver Technik (PCAP).
Das Portfolio des Distributors Fortec bietet eine große Auswahl passender Produkte für beide Bereiche.
Bilder: Fortec Elektronik
Display-Technik
Bild 3: Bei den mit der PCAP-Technik hergestellten Displays wird der Spalt zwischen dem LC-Display und dem Sensorglas mit einem hochwertigen Harz
ausgegossen.
Bessere EMV durch höhere Nennspannung
Sowohl die robuste Standard-A-Serie von Rocktouch als auch
das Angebot der Xcalibur-Serie haben sich leistungsmäßig deutlich ausgeweitet. Die PCAP-Sensoren aus der A-Serie umfassen
jetzt auch Sensoren mit Controllern basierend auf dem EETI3000Chipsatz, was die Bedienung des Touchscreens über zehn Berührungspunkte ermöglicht. Zudem ist nun bei der spritzwassergeschützten Xcalibur-Serie das Auflegen des Handballens möglich,
ohne dabei die Touchfunktion auszulösen; diese Funktion
bezeichnet man auch als Palm Rejection.
Eine weitere Besonderheit ist die deutlich erhöhte Nennspannung an den Elektroden. Diese beträgt bei der neuen EETI-Serie
32 V und sorgt für ein deutlich höheres Signal-Rausch-Verhältnis
als beim Vorgänger. Verbesserte EMV-Eigenschaften und robustere Arbeitsweise sind die Hauptvorteile dieser Anpassung. Ein
weiteres Kriterium bei der Auswahl des passenden Bildschirms
ist natürlich die Helligkeit. Daher ist es sehr wichtig, auf den
Helligkeitswert der Displays zu achten. Mit einer Luminanz von
1500 cd/m² sind Anwender in jedem Fall auf der sicheren Seite.
Hundertprozentige Rückwärtskompatibilität
Die Außenabmessungen und Kanten der Glasfronten der Touchscreengläser sind bei beiden Serien identisch, was eine hundertprozentige Rückwärtskompatibilität gewährleistet. Anwender
können also zwischen A-Serie und Xcalibur-Serie wechseln, ohne
Features
Controller
Number of fingers
A line
7200 based
Up to 2
Chip on Flex
Controller design
Plastic based
Fixing Holes
2
Signal Noise Ratio (SNR)
Standard (3V)
Interfaces
USB, UART, I2C
Frequency Hopping
No
Controller Water Rejection
Limited
Features Palm Rejection
No
Working with Air Gap
No
Scan rate
Standard
Working with Gloves
Yes
Pencil support
No
Standard accessory compatibility Yes
Technology
Film Film Glass
Film Outside dimension
Standard
Resistance Value
Standard
Sensor Top glass max thickness
6mm
Features
Mechanical design
100% switchable
Xcalibur line
Xcallibur 3000 with 32V
Up to 10
Chip on Flex SUS
(high grounding)
4
Highest in the market (32V)
USB, UART, I2C
Yes with wide selection
Yes custom based
Yes
Yes
High
Yes stronger features
Available
Yes
Film Film Glass
Compact design
Low
10mm
100% switchable
ein mechanisches Redesign durchzuführen. Die Filmränder des
neuen Touchsensors aus der Xcalibur-Serie sind allerdings schmaler geworden; daraus ergeben sich aber insbesondere bei kundenspezifischen Glasfronten neue Gestaltungsmöglichkeiten.
Das schmalere Format ist der Umstellung von Drucktechnik auf
Laserstrukturiertechnik zu verdanken.
Außerdem wurde der neue Controller in Chip-on-Film-Technik (COF) verlängert und besitzt jetzt vier Befestigungsbohrungen, um die Masseverbindung zu verbessern. Die beiden zentralen Bohrungen befinden sich jedoch an der gleichen Stelle.
Dadurch passt der neue Controller in alle bisherigen Designs.
Auf der Rückseite des COF kommt auch kein Plastik mehr zum
Einsatz wie bei der A-Serie, sondern SPS – ein besonders leitfähiges Aluminiummaterial. Die sechs Pins des COF haben ebenfalls dieselbe Position wie bei der Standard-Linie. Somit ist auch
hier eine hundertprozentige Rückwärtskompatibilität gegeben.
Display mit Passepartout
Sowohl bei der Xcalibur-Serie als auch bei der A-Serie stehen die
Standard-Frontscheiben in den Stärken 3 und 6 mm mit schwarzer Passepartout-Bedruckung zur Verfügung. Die weiße Passepartout-Bedruckung und kundenspezifische Glasstärken von 1,1
bis maximal 10 mm sind bei der neuesten Serie nur projektbasierend realisierbar. Außerdem gibt es transparente Passepartouts
mit ebenfalls zwei Stärken, nämlich 1,1 und 1,8 mm. Wie man
dabei das richtige Display findet, verrät die längere Online-Version dieses Beitrags, zu finden über infoDIREKT. (mou/av)
■
Autor
Vitezslav Karafiat
Project Manager, Business Unit Displays & Embedded, bei Fortec Elektronik.
infoDIREKT
203ei0815
LCDs development
support webshop
www.LC-Design.de
Tabelle 1: Eigenschaften der A-Serie und der Xcalibur-Serie.
27
Bild: Siemens
Display-Technik
Wie beim TabletComputer: MultiTouch-Gesten erlauben intuitive, flüssige
Bedienung auch von
Industriesteuerungen.
Bequeme Eingabe
Multitouch-Systeme machen Industriesteuerungen komfortabler
Intuitive Mensch-Maschine-Eingabesysteme profitieren von Multitouch-Panels in projiziertkapazitiver Technologie. Mit ihrer hohen elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), ihrer
Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und der Möglichkeit zur Handschuhbedienung quaAutor: Roland Maurer
lifizieren sich Multitouch-Panels für industrielle Anwendungen.
P
rojiziert-kapazitive Eingabesysteme mit geschlossener
Glasfront ohne Schmutzkante sind leicht zu reinigen,
kratz- und abriebfest sowie resistent gegenüber Chemikalien. Sie bieten daher viele Einsatzmöglichkeiten in der Industrieautomation, im Maschinenbau und in der Medizintechnik.
Die Sensorlagen sind dabei geschützt hinter dem Frontglas angeordnet und werden mechanisch nicht beansprucht. Die Multi-
Eck-Daten
Benutzerführung und Zustandsvisualisierung komplexer Maschinenund Anlagensteuerungen lassen sich mit Multitouch-Panels viel komfortabler und intuitiver gestalten. Das kommt der Steuerungsqualität
zugute und führt nicht zuletzt zu einer höheren Anlagensicherheit.
28
touch-Technik macht die Bedienung von Maschinen, Geräten
und Anlagen intuitiver, schneller und sicherer. Neue Visualisierungs- und Bedienkonzepte ermöglichen einen großen Innovationssprung bei der Gestaltung solcher Eingabesysteme.
Aufbau und Funktion
Projiziert-kapazitive (PCAP-)Touch-Sensoren bestehen aus mindestens zwei elektrisch getrennten Sensorflächen aus Glas oder
Polyesterfolie, die mit hochtransparentem ITO (Indium-ZinnOxid) leitfähig beschichtet sind. Durch einen Ätz- oder Laserprozess werden die ITO-Flächen in viele kleine Einzelfelder
segmentiert und als X/Y-Schnittpunkte in Reihen und Spalten
abgebildet. Die Designmöglichkeiten dieser Sensorfelder sind
vielfältig und folgen unterschiedlichen Richtlinien der PCAPBasischip-Hersteller.
Display-Technik
Die Strukturen sind außerhalb des Sichtbereichs mit gedruckten oder gelaserten Leiterbahnen aus Silberleitfarbe kontaktiert
und leitend zu den Anschlusskontakten geführt. Folienbasierende Sensoren werden hochtransparent und elektrisch isolierend laminiert. Dadurch wird über die gesamte aktive Fläche
ein matrixförmiges Netz von einzeln adressierbaren Sensoren
mit ruhenden Referenzkapazitäten gebildet. Bringt die Bedienperson ihren Finger nahe an das Multitouch-Panel, so erkennt
das System dessen Position, weil sich die Kapazitäten der Einzelsensoren ändern. Mittels Interpolation der angrenzenden
Sensorkapazitäten kann der Controller die exakten Positionen
der Betätigungen berechnen und in entsprechende X/Y-Koordinaten umwandeln.
Die matrixförmige Anordnung der kapazitiven Einzelsensoren
macht eine Kalibrierung überflüssig. Dadurch arbeiten industrietaugliche projiziert-kapazitive Multitouch-Systeme auch unter
rauen Umgebungsbedingungen immer positionsgenau. Bezüglich der Berührungserkennung arbeitet die elektronische Auswertung mit zwei Hauptmethoden. Bei beiden Arten wird ein
kapazitives Sensorfeld durch nichtleitende Medien, etwa Glas,
hindurch projiziert. Dabei wird die Änderung der Eigenkapazität (Self-Capacitance) oder der Gegenkapazität (Mutual Capacitance) der Sensoren ermittelt. Durch die Annäherung des Fingers
erhöht sich der Ladungsfluss der X- und Y-Sensoren zum Erdungsniveau: Die Eigenkapazitätsmethode wertet diesen Effekt aus.
Die Betätigungsposition ist dabei diejenige Stelle, an welcher die
Sensoren einen erhöhten Ladungsfluss anzeigen. Die Methode
der Gegenkapazität detektiert eine Änderung der Kapazität in
der Sensormatrix infolge einer Parallelkopplung des Fingers zu
den Schnittpunkten. Beide Auswertemethoden besitzen Vor- und
Nachteile. Die Elektronik industrietauglicher PCI-Touch-Controller (Projected Capacitive Input) nutzt idealerweise eine Kombination beider Methoden.
eine erhöhte Signal-Rausch-Differenz erzielen. Diese Optimierung der störfesten Sensorempfindlichkeit ermöglicht eine Fingerbetätigung durch mehrere Lagen Medizinhandschuhe und
durch dickere Bauhandschuhe aus Leder hindurch. Wasser darf
keinesfalls zu Fehlauslösungen des Multitouch-Panels führen.
Besonders im Medizinbereich wird diese Anforderung noch
verschärft: Dort darf auch der Kontakt mit Salzwasserlösungen
nicht zu Fehlfunktionen führen. Eine vollständige Wasserbeständigkeit lässt sich durch die Auswahl des optimalen Controllers und dessen Messmethodik erzielen.
Mit diesen Mitteln sind PCI-Eingabesysteme sogar zum Einsatz hinter fließendem Wasser bei gleichzeitiger Erkennung der
Fingerbetätigung möglich. Eine absolute Industrietauglichkeit
wird jedoch nur erreicht, wenn alle Anforderungen – also EMVBeständigkeit, Wassertoleranz und Handschuhbedienbarkeit –
mit einem einzigen Setting der Software garantiert werden können. Handelsübliche PCAP-Controller und -Sensoren im Standarddesign aus dem Consumerbereich genügen diesen hohen
Industrieanforderungen nicht.
Systemintegration: Der Multitouch-Screen
wird zum Multitouch-Panel
Glasbasierende Sensoren bis 24 Zoll Diagonale werden bei Schurter im Reinraum mit Frontgläsern vollautomatisiert gebondet.
Eigens konzipiert wurde eine Anlage, welche die Glasstärke der
Sensoren und der Frontgläser im ersten Schritt ermittelt, die
Display-Anzeige 2015 Elek.Industrie 86x126
16.04.2015
...since 1984
Störfestigkeit und Handschuhbedienung
Einer der wichtigsten Faktoren, an denen sich die Industrietauglichkeit eines Bauteils erweist, ist die Stabilität gegenüber EMVStörungen. Es empfiehlt sich, das Touch-Panel bei den Qualifizierungstests mit mindestens zwei Aktoren zu betätigen. Nur so
lässt sich die absolute EMV-Beständigkeit umfassend ermitteln.
Entwickler pflegen bei der Auslegung EMV-stabiler MultitouchPanels zwei Hauptstörquellen zu berücksichtigen. Die räumlich
nächstgelegenen Störquellen hinter dem Touch-Panel sind integrierte Displays und getaktete Netzgeräte. Auf diese Störungen
bezieht sich die EMV-Norm IEC- 61000-4-3. Des Weiteren definiert die EMV-Norm IEC-61000-4-6 leitungsgebundene Einkopplungen von Spannungsspitzen und Frequenzen. Voraussetzung für das Erreichen der EMV-Konformität nach Klasse A ist
es, diese Störsignale so zu eliminieren, dass das Multitouch-Panel
positionsgenau und ohne Abweichung der Touch-Funktion arbeitet und keine Fehlauslösungen verursacht.
Mittel zum Erzielen der gewünschten EMV-Festigkeit sind die
Verwendung optimierter AD-Wandler, integrierter RC Filter,
erhöhter Drive-Spannungen und aufwendiger Algorithmen wie
dem Frequency-Hopping-Verfahren. Mit einem perfekt an die
Elektronik angepassten Sensordesign lässt sich darüber hinaus
TOUCH
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29
Display-Technik
male Haftung der UV-Farben zu gewährleisten, durchlaufen die
Gläser in dieser Bedruckungslinie ein spezielles Vorbehandlungsverfahren. Eine eigens entwickelte Verklebungstechnik der
Frontgläser in die Trägerplatte oder in ein Gehäuse ermöglicht
sehr hohe Auspresskräfte. Der Einbau in eine Tiefenfräsung
bewirkt einen mechanischen Schutz der Glaskanten. Der umlaufende Spalt zwischen Glas und Trägerrahmen beziehungsweise
Gehäuse wird automatisiert vergossen. Schutz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz gemäß IP67K ist somit
über die komplette Fronteinheit möglich. Das qualifizierte Dichtmaterial ist chemisch resistent und temperaturstabil. Es schützt
den rückseitigen Farbdruck der Frontgläser vor aggressiven Medien, die in der Anwendung auf das Touch-Panel einwirken können.
Bild: Schurter
Optical Bonding für mehr Darstellungsqualität
Ebenfalls im Reinraum erfolgt die rückseitige Montage der Displays mit Staubdichtungen und Elektronik. Für hohe optische
Anforderungen wird der Luftspalt zwischen Display und Rückseite des Sensors mit UV-Material vergossen. Dieses Optical
Das Anti-Glare-Frontglas sorgt für eine erhebliche Verbesserung der
Bonding erhöht den Kontrast und verbessert somit die AblesbarDarstellungsqualität.
keit. Die Flüssigverklebung reduziert Lichtbrechungen innerhalb
des Panels. Zudem sind Touch-Panels mit gebondeten Displays
widerstandsfähiger gegenüber mechanischen Belastungen. Für
erforderliche Klebstoffmenge berechnet und die Gläser auf einen
den Einsatz in HMI-Eingabesysteme (Human-Machine Interface)
genau definierten Abstand bondet. Verwendet werden ausschließwerden häufig Funktionstasten außerhalb der aktiven Fläche des
lich hochtransparente UV-Klebstoffe, die zusätzlich mit LuftPCI-Panels benötigt. Diese lassen sich durch programmierbare
feuchtigkeit aushärten. Somit wird auch in Bereichen, in denen
kapazitive Einzeltasten hinter dem Frontglas realisieren.
UV-Licht zur Härtung nicht einwirken kann, ein zuverlässiges
Flächige und punktuelle Beleuchtung von Symbolen und TastBonding realisiert.
punktbeschriftungen sowie Status-LEDs werden hinter dem FrontFolienbasierende Sensoren werden mit automatisierten Wenglas integriert. Bedruckte Beschriftungen im „Verschwinde-Effekt“
detisch-Laminatoren hinter bedruckten Frontgläsern ebenfalls
sind nur bei rückseitiger Beleuchtung erkennbar. Zusätzliche
im Reinraum hochtransparent verklebt. Die Farbstufe der GlasSlider und Wheels lassen sich im oder auf dem
bedruckung im Fensterbereich erfordert im
Glas als haptische Fingerführung für den
zweiten Schritt eine Lagerung im temperierAnwender realisieren.
ten Autoklaven bei Überdruck. Dieser Schritt
Rundum abgedichtet:
Multi-Touch-fähige PCI-Panels steigern die
eliminiert die aus der Laminierung resultieErgonomie und ermöglichen intuitive Bedienrenden geringen Lufteinschlüsse des hochkonzepte für den Industriebereich. In der Autotransparenten Klebstoffs an der Bedrumatisierungstechnik findet die Fingergestik
ckungsstufe vollständig.
Schutz gegen das Eindringen
von Feuchtigkeit und Schmutz
beispielsweise beim Durchblättern von Einüber die komplette Front
stellmöglichkeiten und bei der Suche innerhalb
Auf Fingerzeige reagieren
einheit möglich.
von Produktionsdokumentationen AnwenDie vom Multitouch-User gewohnte Fingerdung. Weitere Möglichkeiten sind das Navigestik unterliegt bei unbehandelten Gläsern
gieren mittels Wischen in Übersichten sowie
einer sehr hohen Haftreibung bei der Fingerdas Vergrößern von Prozessbildern und Kennlinien über die
bewegung auf der Glasoberfläche. Ausgewählte chemisch entZoom-In-Gestik. Mit der Zwei-Hand Bedienung kann der
spiegelte (Anti-Glare) oder schmutzabweisende Oberflächen
Anwender mit der einen Hand einen Parameter auswählen und
(Anti-Smudge) reduzieren diese Haftreibung wesentlich und
mit der anderen eine Pegeländerung justieren. (ch/lei)
ermöglichen ein angenehmes Gleiten des Fingers über das Muln
titouch-Panel. Die Anti-Glare Glasoberfläche bewirkt jedoch
auch ungünstige Überlagerungen der Displaypixel mit der geätzAutor
ten Oberflächenstruktur. Um diese unerwünschten GlitzerRoland Maurer
Effekte zu vermeiden, werden die Frontgläser mit einem speziProduct Manager bei Schurter in Endigen.
ellen optischen Sparkling-Messgerät passend zum Display qualifiziert und ausgewählt.
Die rückseitige Bedruckung der Gläser erfolgt mit einer vollautomatisierten Siebdruckanlage im Reinraum. Um eine optiinfoDIREKT707ei0815
IP67K
30
Display-Technik
Cell in Touch
Vereinfachtes Anzeige- und Bedienmodul
Bilder: Shantou Goworld
Das Anzeige- und
Bedienmodul besteht aus einer
Grund- und einer
Deckplatte, zwischen denen sich
eine Display- und
eine Sensorelektrodenanordnung
befinden, die einander nicht überschneiden.
Bei Haushaltsgeräten, die nur wenige Eingaben erfordern, kommen bisher vor allem
Schalter und Taster zum Einsatz. Touchscreens sind in der Regel zu komplex aufgebaut und daher in der Produktion teuer.
Shantou Goworld Display Germany hat
nun ein Modul entwickelt, das ein Eingabe- (CTP) und ein Ausgabefeld (LCD)
kombiniert: Es besteht aus einer Grund-
und einer Deckplatte, zwischen denen sich
eine Display- und eine Sensorelektrodenanordnung befinden, die einander nicht
überschneiden. Da Display- und Sensorzone zweidimensional nebeneinander liegen, lassen sich beide in einem einzigen
Prozess als Sandwich fertigen. Zudem
bleibt die Displayzone in der Anwendung
frei von Fingerspuren.
Die Deck- und die Grundplatte werden
miteinander verklebt. In einem durch Spacer geschaffenen spaltartigen Zwischenraum befinden sich in der Displayzone die
LCD-Flüssigkristalle. Die Sensorzone
kann auch luft- oder gasgefüllt sein. „Sensor- und Displayzone können unabhängig
voneinander arbeiten, obwohl beide in
einer einzigen Ebene integriert sind“,
erläutert Peter Maurischat, Geschäftsführer der Shantou Goworld Display Germany. Im Betrieb erzeugen LEDs Licht, das
das Modul sowie eine eventuell eingesetzte Frontplatte durchstrahlt und je nach der
durch den Flüssigkristall erzeugten Drehung der Polarisationsebene mehr oder
weniger hell erscheint. (lei)
n
infoDIREKT
709ei0815
IP64 frontseitig
Bild: Comp-Mall
Kompakte Touchpanel-PCs
Touchpanel-PCs der Serie AFL3 sind speziell für
den industriellen Einsatz vorgesehen.
Mit den lüfterlosen Modellen der AFL3Serie erweitert Comp-Mall das Angebot
an kompakten, industriellen TouchpanelPCs. Zu den Merkmalen der Serie zählen
PC A P-Touch, H D-Au f lösung , ei ne
Leuchtstärke bis zu 500 cd/m² und ein
Kontrast von 800:1. Die 10,1”-, 12,1”- und
15,6”-Geräte sind frontseitig IP64-zertifiziert. Das ebene, praktisch rahmenlose
Display lässt sich einfach reinigen und
besitzt eine kratzfeste 6H-Oberfläche.
Herzstück ist ein Quadcore-Prozessor
Celeron J1900 mit 2 GHz mit Burst-Technologie, dazu kommen bis zu 8 GByte
Distribution
& Technik
DDR3L-SDRAM und ein mSATA-Slot
oder HDD. Der Betriebstemperaturbereich
reicht von -20 bis +50 °C und die Spannungsversorgung von 9 bis 30 V DC.
Passend zum industriellen Charakter
dieser Geräte ist AT- oder ATX-Betrieb
wählbar, aber auch Win 8/8E oder Win
7/7E. Schnelle und zuverlässige Datentransferraten bis 5 GHz bei drahtloser
Kommunikation ermöglicht die DualBand-Wi-Fi-Schnittstelle (IEEE 802.11a/b/
g/n/ac). Weitere Schnittstellen sind USB
3.0, USB 2.0, COM, zwei GbE, Kamera und
Audio mit eingebauten Lautsprechern.
Alle Schnittstellen sind zum Schutz vor
Verunreinigung nach unten herausgeführt, Erweiterungen können über PCIeMini-Module erfolgen. Optional erhältlich
sind 1D/2D-Barcodescanner und RFIDLeser. Dank VESA-Standard kann die
Befestigung an der Wand, am Arm, im
Schaltschrank oder im Panel erfolgen. Das
Produkt ist langzeitverfügbar. (mou)
n
infoDIREKT
208ei0815
TFT-Displays für
industrielle Applikationen
• High brightness / sonnenlichttauglich
z.B. 15“ SXGA+, 1400 x 1050, 1000 cd/m2
• Long life LED-B/L bis 100 kh
• Mit PCAP Touchscreen
• Temperaturbereich von -30 bis +80 °C
Hersteller: NLT, AUO, Mitsubishi
High-End Display Interface
• Multi-Input: max. 8 x DVI, 2 x VGA,
3 x FBAS, Y/C, 4 x HD3G (HD-SDI)
• max. 2560 x 1440 Pixel,
10 Bit Farbtiefe, 120 Hz
• Gamma und DICOM Preset
EMBEDDED PCS
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Display-Technik
Edles Design für weiße Ware
Hochwertige GUIs für Haushaltsgeräte ohne steigende Systemkosten
Kühlschränke, Waschmaschinen oder Trockner müssen nicht nur zuverlässig funktionieren:
die Kunden erwarten ein ansprechendes Design und einfache Bedienbarkeit. LCDs sind deshalb eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg der Produkte. Atmel stellt Lösungen vor,
die helfen, die Systemkosten zu senken sowie die Leistung zu maximieren. Autor: Wajdi Darmoul
I
n den letzten zehn Jahren haben grafische Benutzeroberflächen in Haushaltsgeräten g roße Fortschritte
gemacht. Durch moderne Anzeigetechnologien hat sich das Layout von einem
statischen hin zu einem dynamischen
und sogar adaptiven Design weiterentwickelt, welches das System um komplexe
Paradigmen erweitert. Der Betrieb eines
dynamischen grafischen Designs ist
indes sehr daten- und rechenintensiv, was
die Komplexität und Kosten des Gesamtsystems in die Höhe treibt.
Die Qualität und die Reaktionsfähigkeit der grafischen Benutzerschnittstelle
(GUI) sagen viel über das Endprodu kt aus und ver m it teln
Anwendern einen ersten Eindruck. Eine qualitativ hochwertige GUI-Implementierung verbraucht allerdings jede Menge
Ressourcen und erfordert teure
Prozessoren. Jedoch gibt es für
kundenspezifische Bauteile bei
Weißer Ware und Industrieanwendungen extreme Einschränkungen hinsichtlich der Kosten.
Entscheidend für die Systemleistung sind vor allem der überlegte
Einsatz der internen ProzessorRessourcen, eine gute Synchroni-
sation der verschiedenen Grafik-Softwaremodule und ein priorisierter Zugriff
des LCD-Controllers auf den Systembus.
Speicheranforderungen und
optimale Bus-Bandbreite
Größe und Kosten von HMI-Produkten
haben erheblichen Einfluss auf die Art der
HMI, die für eine Implementation in Frage kommt. So basieren die meisten HMIAnwendungen auf MPUs, die einen externen Speicher benötigen, um eine Programm- und Datenspeicherung bereitzustellen. Das Programm ist normalerweise
in einem nichtflüchtigen Speicher wie
NAND- oder Serial-Flash abgelegt. Beim
Booten wird der Programm-Code in ein
DRAM übertragen und von dort ausgeführt. Das DRAM dient außerdem dazu,
die Grafik für die Aktualisierung des Displays zu speichern. Selbst kleine QVGADisplays mit 320 × 240 Pixel und 16 Farben
benötigen schon 150 KByte SRAM und
belegen damit einen großen Anteil des
internen SRAM. Die Verwendung von
Bildschirmen größer als 4,3” erfordert
mehr Speicher, was wiederum die Materialkosten erhöht. Der Einsatz externer
Eck-Daten
LCDs in Haushaltsgeräten erleichtern die Bedienung
der Geräte und ermöglichen optisch ansprechende
Designs. Indes sind hochwertige GUI-Implementationen sehr daten- und rechenintensiv mit entsprechendem Einfluss auf die Gesamtsystemkosten. Atmel ist
einer der wenigen Technologie-Anbieter mit einem
sehr breiten Produktportfolio, das die HMI-Anforderungen von Industrieanwendungen erfüllt. Darüber
hinaus bietet das Unternehmen die passenden Entwicklungstools und umfangreiche Software sowie ein
Ökosystem, um die Entwicklung grafischer Bedienoberflächen zu beschleunigen.
32
Display-Technik
Speicher bietet Entwicklern die Möglichkeit, die Speicherkosten abhängig von den
Anforderungen zu skalieren und einen
bevorzugten Anbieter zu wählen.
LCDs müssen regelmäßig aktualisiert
werden, um das dargestellte Bild zu behalten. Der LCD-Controller holt die Daten
aus aufeinanderfolgenden Speicherstellen
und beginnt damit an einer im Register
des LCD-Controllers hinterlegten Startadresse. Die Aktualisierung erfolgt entweder per Software-Trigger oder automatisch im Hintergrund durch DMA und
belegt einen großen Teil der verfügbaren
Systembandbreite. Die minimal erforderliche Gesamt-Speicherbandbreite zum
Aktualisieren eines LCD lässt sich mit der
folgenden Gleichung berechnen: Speicherbandbreite = Horizontalauflösung × Vertikalauflösung × Memory Bpp × Bildwiederholungsrate.
Bandbreite und Latenz
Dynamische GUIs benötigen noch größere Bildspeicher. Deshalb nutzen die
meisten grafischen Software-Implementierungen zwei getrennte Bildzwischenspeicher. Dann lässt sich der Inhalt des
ersten Bildspeichers aktualisieren, während der zweite Bildspeicher das LCD
aktualisiert. Hoch entwickelte Grafiksoftware erlaubt zusätzliche Funktionen wie
etwa mehrere Ebenen, was aber die Anforderungen an die Speicherbandbreiten der
grafischen Bedienoberfläche weiter nach
oben treibt.
In der oben aufgeführten Gleichung ist
die Leistung der Anwendung direkt proportional zur Speicherbandbreite des
LCD-Controllers. Die A R M-CortexA5-Prozessoren verfügen daher über einige Merkmale, die den Speicherzugriff des
LCD-Controllers optimieren, ohne die
Leistung des Systems zu beeinträchtigen.
Wie in Bild 1 gezeigt, enthält das LCDModul ein DMA Engine Address Generation Modul (DEAG), das einen DatenPrefetch durchführt und Zugriff auf die
AHB-Schnittstelle benötigt. Der DMAController liest das Image über eine 64-BitDual-AHB-Master-Schnittstelle. Diese
Schnittstelle wurde speziell entwickelt,
um die Speicherzugriffsbandbreite zu verbessern. Für den Base-, Over- und HEOLayer können Anwender den AHB-Master entsprechend der Anwendung über ein
Bild 1: Blockdiagramm des LCD-Controllers SAMA5D4.
Feld im Konfigurationsregister jedes Layers anpassen. Diese Auswahl erlaubt den
Programmierern ein Ausbalancieren der
Last durch den Speicherzugriff für Designs
mit mehreren Ebenen. Außerdem ist der
AHB-Bus mit dem externen Speicher über
einen Multi-Port-DDR-SDRAM-Controller mit acht Slave-AHB-Schnittstellen verbunden. Alle acht unabhängigen AHBPorts sind verschachtelt, um die Speicherbandbreite zu maximieren und die Transaktionslatenz aufgrund des DDR-Protokolls zu minimieren.
Paralleler Zugriff auf den
Bildzwischenspeicher
Der DDR-Controller erweitert die Speicherfähigkeiten des Chips durch eine
Schnittstelle zum externen 16- oder 32-BitDDR-SDRAM. Da die Bildzwischenspeicher für die LCD-Aktualisierung mehr
Speicher benötigen, als auf dem Chip ver-
fügbar ist, werden diese dem externen
DDR-Speicher zugeordnet. Das Management des Systems und des parallelen
Zugriffs auf den Bildzwischenspeicher
sowie die Flexibilität der acht unabhängigen AHB-Ports des DDR-Controllers
maximieren die Speicherbandbreite des
gesamten Systems und minimieren die
Latenz. Diese Vorteile des in der SAM
A5Dx-Familie integrierten Bus-Systems
haben großen Einfluss auf die Bandbreite
der Bedienoberfläche-Anwendungen.
Die H64MX-Bus-Matrix verwaltet zehn
Master. Der LCDC-DMA verfügt über
zwei Master-Ports zum Bus, die direkt mit
den DDR-Ports verbunden sind und
gleichzeitig zu den anderen Bus-Aktivitäten der acht weiteren Master und elf
zusätzlichen Slaves einen DDR-Zugriff
ausführen können. Die Bandbreite des 64
Bit breiten Busses, der mit einem MCK von
176 MHz läuft, wird damit voll ausgenutzt.
Bild 2: Beispiel
eines Softwarepakets für ein
Display mit 800
× 480 Pixel.
33
Bilder: Atmel
Display-Technik
Bild 3: Neon- und L2-Cache optimierte DirectFB-Verbesserungen für ein
16-Bit-Display.
Der DDR-Controller in den Bauteilen
der SAMA5Dx-Familie von Atmel unterstützt einen Schreib- und Lese-Burst von
acht Speicherstellen. Dadurch kann der
Befehls- und Adressbus bereits den folgenden Befehl voraussehen, was die
Latenzzeit reduziert. Bursts erlauben eine
sehr effiziente Datenübertragung. Durch
den Einsatz von Bursts bekommt das LCD
die Daten schneller und der externe Bus
wird für andere Master frei. Außerdem
kann der DDR-Controller die aktive Reihe
in jeder Bank ansprechen und so die Leistung des DDR-Zugriffs durch die Vermeidung von gleichzeitigen Zugriffen auf
verschiedene Reihen maximieren.
Schneller dank Bursts
Für jeden Burst-Schreibzugriff werden vier
Taktflanken (aus neun) genutzt, um die
Daten zu übertragen. Die Bandbreite liegt
bei ungefähr 1064 × 4/9 = 473 MByte/s. Für
jeden Burst-Lesezugriff werden vier Taktflanken (aus elf) genutzt, um Daten zu
übertragen. Die Bandbreite ist etwa 1064
× 4/11 = 430 MByte/s.
Der LCD-Controller ermöglicht zudem
eine Multilayer-Nutzung, wodurch sich
bessere Bedienoberflächen entwerfen lassen. Jeder Layer erfordert zusätzliche
Speicherbandbreite für die Darstellung auf
dem LCD. Anwender müssen jeden Layer
sorg fältig konfig urieren, damit das
Gesamtsystem die höchste Leistung
erreicht und noch innerhalb der DDR2Speicherbandbreite arbeitet. Die OnlineFassung dieses Beitrags (über infoDIREKT
201ei0815 zu finden) enthält drei Tabellen,
die die möglichen Zugriff von Master auf
Slave bei H64MX zeigen, die LCD-Bandbreite für zwei verschiedene Konfigurati-
34
Bild 4: Neon- und L2-Cache optimierte DirectFB-Verbesserungen für ein
32-Bit-Display.
onen durchrechnen sowie Beispiele für die
LCD-Bandbreite bei Multilayer-Nutzung
nennen.
Grafikbeschleunigung und
erweiterte LCD-Funktionen
3D/2D-Grafikfunktionen werden bei der
I mplement ier u ng von g ra f i s c hen
Bedienoberflächen immer wichtiger,
besonders wenn eine ansprechende
Bedienoberfläche gefordert ist. Grafische
Funktionen sind rechenintensiv und stellen eine hohe Belastung für die Systemressourcen dar. GUIs basieren heute auf
2D-, 2,5D- oder sogar 3D-Grafik und jeder
Schritt erhöht die Anforderungen im Hinblick auf Leistung, Bandbreite und Speicher. Eine der wirksamsten Alternativen
ist der Einsatz einer Hardware-Grafikbeschleunigung, welche die Leistung von
2D/3D-Funktionen erhöht. Allerdings
führen die physischen Einschränkungen
wie Leistungsgröße der Grafikbeschleunigungs-IP und die Tatsache, dass sich der
Grafikbeschleuniger zusammen mit anderen Blöcken wie der CPU in einem einzelnen Chip befinden sollte, bei Prozessoren
mit integriertem Grafikbeschleuniger zu
höheren Kosten.
Entwickler von Prozessoren für HMIAnwendungen müssen häufig Kompromisse zwischen Leistung und Gesamtsystemkosten eingehen. Der LCD-Controller
SAMA5Dx unterstützt 2D-HardwareBeschleunigungsfunktionen einschließlich einer hoch entwickelten Grafikverarbeitung wie Alpha-Blending, Rotation um
90°, 180° und 270° mit vertikalem und
horizontalem Flip, Skalierung mit einem
nicht ganzzahligen Verhältnis bis 1280 ×
720 Pixel, Farbkonvertierung von YUV
(Y'CbCr) nach RGB und Chroma Up Sampling von YUV 4:2:0 auf YUV 4:4:4.
Außerdem integriert der ARM CortexA5-Core einen Neon-Coprozessor mit
SIMD-Architektur, den ARM speziell zum
Beschleunigen von Multimedia- und Signalverarbeitungsalgorithmen einschließlich 2D/3D-Grafik vorgesehen hat. Die
SAMA5Dx-Prozessorfamilie nutzt die
Neon-Architekturerweiterung und einen
128 KByte L2-Cache, um Grafikoperationen zu beschleunigen, ohne die Systemkosten durch den Einsatz eines Grafikbeschleunigers zu beeinflussen.
Schnelle Software
Die meisten 3D- und 2D-Software-Implementierungen basieren auf Bibliotheken
wie DirectFB, die eine Grafikbeschleunigung zur Verfügung stellen. Diese
Funktionen integrieren eine HardwareAbstraktionsebene für Grafikoperationen, die durch einen Hardwarebeschleuniger unterstützt werden können und
OpenGL-ähnliche Aufrufe nutzen oder
sich in die Software implementieren lassen. Eine Neon-optimierte DirectFBImplementierung ist integriert und auf
dem SAMA5D4 geprüft. Die Zahlen in
Bild 3 und Bild 4 zeigen die Verbesserung
von DirectFB mit aktiviertem Neon und
für 16- und 32-Bit-Berechnungen mit
aktiviertem L2-Cache. (mou)
n
Autor
Wajdi Darmoul
Field Application Engineer bei
Atmel Deutschland in Heilbronn.
infoDIREKT201ei0815
Display-Technik
TF T-DISPLAYS BELEUCHTEN
LED-Konverter zur Display-Hinterleuchtung
Bilder: Distec
„Jedes TFT-Display fordert andere Werte
für den optimalen Betrieb seiner LEDHintergrundbeleuchtung und jede Applikation stellt andere Anforderungen“,
erläutert Matthias Keller, COO Components bei Distec . „Bisher benötigten
Anwender dafür zahlreiche verschiedene
LED-Konverter, was einen enormen Einkaufs- und Lageraufwand bedeutet.“ Dem
ist Distec jetzt mit den neuen LED-Konvertern der Smart-LED-Serie begegnet,
die eine universelle und konfigurierbare
Lösung für alle Einsatzbereiche der Hintergrundbeleuchtung von TFT-Displays
darstellt. Die neue Smart-LED-RoverSoftware erlaubt ein exaktes Anpassen an
die speziellen Anforderungen verschiedener TFT-Displays.
Individuell lassen sich unter anderem
der LED-Strom, die PWM-Frequenz,
PWM-Einstellungen für die minimale
und maximale Helligkeit und die aktiven
LED-Ausgänge mit bis zu vier Kanälen
festlegen. Die erstellten Konfigurationen
speichern Anwender ab und übertragen
d iese auf a ndere
Smart-LED-Konverter. Das ermöglicht
die schnelle Serienproduktion exakt
konfigurierter Konverter für verschiedene Applikationen.
Matthias Keller ist
COO Components bei Dadurch bilden die
Distec.
LED-Konverter die
Basis für kundenspezifische Projekte mit
den unterschiedlichsten TFT-Displays.
Distec bietet die Konverter in drei Versionen mit unterschiedlichen Eingangsund Ausgangsspannungen. Der SmartLED-II eignet sich beispielsweise für den
explosionsgeschützen Bereich, weil durch
seine niedrige Spannung Funkenschlag
vermieden wird.
Ein A rbeitstemperaturbereich von
-30 bis +70 °C ermöglicht den Einsatz
der Smart-LED-Konverter unter harten
Umgebungsbedingungen. Für Anwendungen, die auch in der Dunkelheit blendfrei funktionieren müssen, lassen sich
Smart-LED von Distec
ist ein universeller,
konfigurierbarer LEDKonverter für unterschiedliche TFT-Displays.
die Konverter auf NVIS-Modus (Night
Vision Imaging System) umstellen. Für
diesen Modus schaltet der Konverter von
der LED- auf eine Infrarot-Hintergrundbeleuchtung um. Alternativ kann der
Smart-LED-Konverter LEDs auf jeden
beliebigen Wert zwischen 0 und 100 %
dimmen. Dadurch lässt sich die Helligkeit
für einen augenschonenden Nachtbetrieb
wie auf Schiffen oder in Zügen drastisch
reduzieren.
Das Kernstück der Smart-LED-Konverter ist ein 32-Bit-ARM-Prozessor, der
alle Eingangs- und Steuersignale verknüpft und kundenspezifische Anpassungen erlaubt. Zum Beispiel kann der
Prozessor über einen Ambient-LightSensor die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung automatisch an die jeweilige
Umgebungshelligkeit anpassen. Das spart
Strom, da das Display nicht unnötig hell
leuchtet. Ein Temperatursensor ermöglicht, die optimale Arbeitstemperatur für
das Display über einen Lüfter zu halten.
Wird das Display zu heiß, sorgt der SmartLED-Konverter dafür, dass sich der Lüfter einschaltet und die Beleuchtung
gedimmt wird, um die Temperatur schnell
zu senken. Kundenspezifisch lassen sich
die LED-Konverter exakt an die speziellen
Anforderungen verschiedenster Projekte
anpassen. (jck)
■
infoDIREKT
108ei0815
ARDUINO MEETS DOG
Arduino meets DOG
• Displays für Printmontage
• auch gesockelt
• Text bis 4x20
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Display-Technik
Kristallklare Anzeigen
Mikrocontroller mit eigenen Treibern vereinfachen die LCD-Ansteuerung
Zunehmend sind am Markt Mikrocontroller (MCUs) mit integrierten Treiberschaltungen für
Flüssigkristallanzeigen (LCDs; Liquid Crystal Displays) erhältlich. Sie geben dem Entwickler die
Möglichkeit, sein Designziel schneller zu erreichen und darüber hinaus die Kosten zu senken.
Dazu muss er aber die Eigenarten der integrierten Treiber im Detail kennen.
Autoren: Mary Tamar Tan, Rodger Richey
Data Bus
LCD DATA
LCDDATA(X)
LCDDATA(X-1)
SEG<X:0>
.
:
LCDDATA1
LCDDATA0
SEG<X:0>
Bias
Voltage
8
Timing Control
COM<Y:0>
LCDCON
LCDPS
}
To I/O Pins
SEG<X:0>
COM<Y:0>
LCDSEx
LCD Bias Generation
Resistor Ladder
Clock Source 1
Clock Source 2
Clock Source 3
LCD Clock
Source Select
Z
ahlreiche technische Neuerungen
der letzten Jahre haben dafür
gesorgt, dass LCDs immer beliebter wurden. Einer der Gründe: Die
Ansteuerung dieser Anzeigenbausteine
hat sich vereinfacht, denn die Treiberlogik
ist zunehmend in marktverfügbaren
8-Bit-Mikrocontrollern (MCUs) bereits
enthalten. Zu den Funktionen solcher
LCD-Controller zählen Kontraststeuerung, Treibersignalerzeugung, Biasing
sowie verschiedene Power-Betriebsarten.
Diese Bausteine können Segment-Displays mit Buchstaben, Zahlen, Zeichen
und Symbolen direkt ansteuern und
erfüllen die Anforderungen an ein kostengünstiges Design. Beispiele sind die
36
LCD
Charge Pump
PIC-MCUs von Microchip, die in Gehäusen mit 28, 40, 64, 80 und 100 Pins zur
Verfügung stehen und mehrere externe
Bausteine erübrigen. Das LCD-TreiberModul in den MCUs sorgt für das Timing
der Ansteuerung statischer oder gemultiplexter LCD-Panels und unterstützt bis zu
64 Segmente, die mit bis zu vier oder acht
gemeinsamen Anoden beziehungsweise
Kathoden (Commons) gemultiplext sind.
Bild 1 zeigt das Blockdiagramm eines solchen LCD-Moduls.
Timing-Steuerblock
Die Zahl der LCD-Register hängt von der
maximalen Zahl von Commons und Segmenten ab, die von der MCU angesteuert
Bild 1: Das LCD-Modul enthält Timing- und
Datenblock, Bias- und Takterzeugung sowie Multiplexer und Logikschaltungen.
werden können. Wie aus Bild 1 ersichtlich,
besteht der Timing-Steuerblock aus dem
LCD-Steuerregister (LCDCON), dem
LCD-Phasenregister (LCDPS) und den
LCD-Segment-Enable-Registern (LCDSEx). Das LCDCON steuert den Gesamtbetrieb des Moduls. Nach der Konfiguration des Moduls aktiviert oder deaktiviert
das LCDEn-Bit das LCD-Modul.
Das LCD-Panel lässt sich auch in den
Sleep-Modus versetzen, indem man das
SLPEn-Bit löscht. Die Bits bestimmen die
LCD-Taktquelle, und die Konfiguration
muss mit dem LCD-Glastreiberschema
übereinstimmen. Das LCDPS-Register
konfiguriert den LCD-Taktquellen-Prescaler und die Art der Signalform. Die vom
Bauteile
Komponenten & Geräte
Halbleiter
Eck-DATEN
MCUs mit integriertem LCD-Controller bieten hohe Designflexibilität und zudem eine
einfache Möglichkeit, LCDs anzusteuern. Integriertes Biasing, Kontrastregelung und
Stromsparfunktionen im LCD-Modul machen externe Bauelemente überflüssig, ohne dass dadurch die Funktionalität oder die
Bildqualität beeinträchtigt würde.
Prescaler gewählten Bits wirken sich direkt
auf die LCD-Bildfrequenz aus. Sie müssen
entsprechend gesetzt werden, um Geisterbilder oder Flackern auf dem Display
zu vermeiden. Die LCDSEx-Register konfigurieren die Funktionen der Port-Pins.
Das Setzen des Segment-Enable-Bit für
ein bestimmtes Segment konfiguriert dieses Pin als LCD-Treiber. Ebenso erlaubt
das Löschen des Segment-Enable-Bits dem
Pin, als I/O-Port zu fungieren.
Der Datenblock bestimmt den
Bildschirminhalt
Wie der Timing-Steuerblock ist auch der
Datenblock in Bild 1 in allen PIC-LCDModulen vorhanden. Er besteht aus den
LCDDATAx-Registern. Nachdem das
Modul für das LCD-Panel initialisiert wurde, werden die einzelnen Bits des LCDDATAx-Registers gelöscht oder gesetzt,
um ein durchsichtiges beziehungsweise
schwarzes Pixel darzustellen. Spezielle
Gruppen von Registern werden mit
bestimmten Segmenten und CommonSignalen verwendet. Aus der Gesamtheit
der Bits eines Segments, die mit einer
bestimmten Common verbunden sind,
ergibt sich jeweils eine spezifische Kombination.
Kontrastregelung per Software
Es gibt zwei wesentliche Methoden zur
Erzeugung von Bias-Spannungen: Widerstandsteiler und Ladungspumpe. Die hier
besprochenen Bausteine unterstützen beide Möglichkeiten sowohl extern als auch
intern. Das LCDref-Register legt fest, ob
externes oder internes Widerstands-Biasing verwendet wird. Das Setzen des
LCDIRE-Bits aktiviert das interne Biasing.
Ist die interne Referenz aktiv, so lässt sich
der Kontrast per Software regeln, indem
die LCDCST-Bits konfiguriert werden. In
einigen Bausteinen sind diese in einem
separaten Register abgelegt.
Die Stromquelle für die Kontrastregelung lässt sich über das LCDIRS-Bit auswählen. Das LCDref-Register bestimmt
auch, welche Bias-Pins intern oder extern
für die verschiedenen Bias-Werte genutzt
werden. Das LCDRL-Register regelt die
verschiedenen Power-Modi des Widerstandsteilers sowie das Zeitintervall für
jede Power-Betriebsart.
Mit einer Ladungspumpe muss nur das
LCDreg-Register konfiguriert werden. Ist
die Ladungspumpe aktiv, so lässt sich der
Kontrast über die Bias-Bits regeln. Durch
Setzen oder Löschen des entsprechenden
Bits unterstützt der Regler entweder 1/3
oder statisches Biasing. Der Regler muss
über CLKSEL-Bits mit einem eigenen
Takt versorgt werden. Die LCD-Bildfrequenz ist die Geschwindigkeit, mit der
sich die Common- und Segment-Ausgänge ändern. Die Taktquelle hängt von den
konfigurierten Taktquellen-Select-Bits
des Bausteins ab. PIC-MCUs bieten für
LCD-Module drei Taktquellen zur Auswahl. Der Bildfrequenzbereich erstreckt
sich von 25 bis 250 Hz; die gängigsten
Werte liegen zwischen 50 und 150 Hz.
Höhere Frequenzen verursachen einen
höheren Stromverbrauch und Geisterbilder, niedrigere Frequenzen können zu
Flackern führen.
Displays
by display
elektronik
Takt zur Auswahl
Für die Module stehen drei mögliche Taktquellen zur Auswahl: ein schneller interner RC-(FRC-)Oszillator, ein sekundärer
Oszillator (SOSC) und ein interner LPRCOszillator. Einige Bausteine nutzen allerdings den Systemtakt, den Timer-1-Oszillator oder den internen RC-Oszillator als
Taktquelle. Bild 2 beschreibt, wie der Takt
für die LCD-Peripherie erzeugt wird.
Bei den drei Taktquellen stellt ein Teiler
einen 1-kHz-Ausgang bereit. Ist die Taktquelle zum Beispiel ein 8-MHz-FRCOszillator, so muss sie durch 8192 geteilt
werden, um 1 kHz bereitzustellen. Dieser
Teiler ist nicht programmierbar. Stattdessen werden die LCD-Prescaler-Bits des
LCDPS-Registers für die Bildtaktrate verwendet. Diese Bits bestimmen die Prescaler-Zuordnung und das -Verhältnis. Befindet sich der Prozessor im Sleep-Modus, so
werden meist zwei der Taktquellen diskret
verwendet, um den LCD-Betrieb aufrecht
zu erhalten.
LCD-Displays by display elektronik
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ukat.com
S C H U K AT
Clock Source 1
Clock Source 2
÷8192
÷32
Clock Source 3
÷4
STAT
÷2
1/2 MUX
COM0
COM1
COM2
COMn
Display-Technik
4-Bit Prog
Prescaler
Bild 2: Die LCD-Takterzeugung speist sich
aus drei Taktquellen,
von denen zumeist
zwei diskret implementiert sind.
÷1, 2, 3, ..., n
Ring Counter
1/3 to 1/n
MUX
÷32
CS<1:0>
LMUX<2:0>
(8-common)
LP<3:0>
Ein LCD lässt sich also über die Parameter
MUX-Verhältnis und Biasing charakterisieren. Es fehlt noch die Signalform für die
Ansteuerung: Das Signal soll eine maximale Wechselspannung über dem dunklen
Pixel und eine minimale Wechselspannung über dem durchsichtigen Pixel aufweisen. Die Gleichspannung über jedem
Pixel sollte gleich Null sein. LCDs können
durch Signalformen des Typs A oder B
angesteuert werden. Bei Typ A ändert sich
die Phase in jedem Common; bei Typ B an
jeder Bildrahmengrenze. Typ-A-Signalformen halten deshalb 0 V DC über einen
Bildrahmen, während Typ-B-Signale zwei
Bildrahmen einnehmen. Bild 3 zeigt beide
Signalformen für 1/3 MUX und 1/3 Bias.
Die an einem bestimmten Pixel angelegte Spannung ist die Spannung am
COM-Pin minus der Spannung am SEGPin. Liegt die resultierende Spannung über
der Von-Schwelle, so ist das Pixel sichtbar;
liegt sie darunter, ist das Pixel nicht sichtbar. Der Kontrast eines LCD lässt sich
durch die Berechnung des Trennvermögens bestimmen, dem Verhältnis zwischen
der Effektivspannung eines aktivierten
Type-A Waveforms
(8-common)
LMUX<1:0>
LMUX<1:0>
(4-common)
(4-common)
Alternativen für die Ansteuerung
LMUX<2:0>
Pixels und der Effektivspannung eines
deaktivierten Pixels. Segment-Mapping
bietet dabei eine einfache Möglichkeit zu
bestimmen, welche Pixel ein- oder ausgeschaltet sein sollten.
Biasing: Interne oder externe Widerstandskombinationen möglich
Der Widerstandsteiler ist die am häufigsten genutzte Methode für höhere V DDSpannungen. Die verschiedenen LCDSpannungen lassen sich dabei mittels kostengünstiger Widerstände erzeugen.
Unabhängig von der Anzahl der zu versorgenden Pixel bleibt der Strom konstant.
Die Widerstandswerte ergeben sich aus
der geforderten Bildqualität und dem
Stromverbrauch.
Die Bildqualität ist eine Funktion des
LCD-Ansteuersignals. Da das LCD-Panel
eine kapazitive Last darstellt, verzerren
die Lade- und Entladeströme das Signal.
Diese Verzerrung lässt sich durch einen
niedrigeren Widerstandswert verringern.
Ein niedriger Widerstand erhöht jedoch
den Stromverbrauch, da mehr Strom durch
die Widerstände fließt. Nimmt die PanelGröße zu, so ist der Widerstandswert zu
Type-B Waveforms
verringern, um die Bildqualität zu erhalten. In manchen Fällen lassen sich die Verzerrungen auch dadurch verringern, dass
man Kapazitäten zu den Widerständen
parallel schaltet. Dieser Effekt ist jedoch
begrenzt, da ein großer Widerstand und
ein großer Kondensator eine Verschiebung
des Spannungspegels verursachen, die
sich negativ auf die Bildqualität auswirkt.
Eine externe Kontrastregelung lässt sich
durch Hinzufügen eines Potentiometers
realisieren. Um das Hinzufügen externer
Bauelemente zu vermeiden und bis zu drei
Pins für die Spannungserzeugung einzusparen, bieten PIC-MCUs internes Widerstands-Biasing und eine integrierte Kontrastregelung. Dabei kommen keine
Widerstände zum Einsatz, sondern interne Widerstandsteiler, an denen die BiasSpannung abfällt. Der interne Widerstandsteiler teilt die LCD-Bias-Spannung
auf zwei oder drei gleich große Spannungen auf, die an den LCD-Segment-Pins
zur Verfügung stehen. Der Widerstandsteiler besteht dafür aus drei angepassten
Widerständen. Im 1/2-Bias-Modus wird
der mittlere Widerstand des Teilers kurzgeschlossen, sodass nur zwei Spannungen
erzeugt werden. Dieser Modus verringert
den Teilerwiderstand, erhöht aber den
Stromverbrauch. (ch/lei)
■
Common
Segment
Bilder: Microchip
CommonSegment
1 Frame
38
1 Frame
Bild 3: Zwei Alternativen für die
Ansteuerung von
LCDs: Bei Signalform A wechselt
die Phase in jedem
Common, während
sie sich bei Signalform B an jeder
Bildrahmengrenze
ändert.
Autoren
Mary Tamar Tan
Applications Engineer bei Microchip Technology.
Rodger Richey
Director Engineering and New Product Development bei Microchip Technology.
infoDIREKT
705ei0815
Display-Technik
Perfek t abgestimmt
TFT-Display mit PCAP-Touch
Touch-Einheit zu bonden. Hier kann Data
Modul auf die hauseigene, vollautomatische Flüssigverklebung zurückgreifen. Die
einzelnen Komponenten können abgestimmt als komplettes System an die Kunden gehen. Neben der Anzeige mit TouchEinheit stehen auch Ansteuerlösungen
sowie geprüftes Zubehör wie Kabel und
LED-Converter bereit. (mou)
n
Bild: Data Modul
Das Standard-Touchportfolio der PCAPLösung von Data Modul sieht der Hersteller als perfekte Ergänzung zu den TFTBildschirmen des taiwanesischen Herstellers AU Optronics (AUO), der auf eigenen
TFT-Glas-Linien neben Anzeigen für den
Consumer-Markt auch Modelle für den
Industriebereich fertigt. Diese Produkte
unterscheiden sich bei den technischen
Spezifikation und durch längere Lebenszyklen. Für die Produkte der IndustrieRoadmap wird eine Mindestverfügbarkeit
von drei Jahren und ein in Bezug auf Form,
Fit und Funktion kompatibles Nachfolgeprodukt garantiert. Der Hersteller ist in
verschiedenen Märkten erfolgreich und
kann neue Trends daher auch für niedrige
Stückzahlen in den Industriebereich überführen. So etwa die Diagonale 23,8”, die
sich speziell für preissensitive Applikationen als Alternative zu 24”-Geräten anbietet. Durch die der bekannten IPS-Technolog ie ähnlichen A H VA-Technolog ie
(Advanced Hyper Viewing Angle), wird
bei dem TFT-Gerät G238HAN01.0 mit
FHD-Auf lösung eine her vorragende
Ablesbarkeit aus allen Blickrichtungen mit
geringer Farbverschiebung erreicht.
Auch das von Data Modul selbst entwickelte Standard-Touchportfolio der PCAPLösung Easytouch wird nach den Vorgaben und Trends führender TFT-Hersteller
erweitert. So auch bei der aktuellen Easytouch-PCAP-Diagonale 23,8”, angepasst
auf die aktive Fläche des G238HAN01.0.
Der Sensor zeichnet sich selbst bei dieser
Größe durch einen besonders schmalen
Aufbau aus, speziell im Randbereich an
der Leiterbahnführung. Trotz der hohen
Auflösung ist der Sensor kaum größer als
die Außenmaße des Bildschirms.
Als Modulpartner von Atmel setzt die
Easytouch-Lösung auf die jüngsten Controllergenerationen der Maxtouch-Reihe
auf. Bei der aktuellen T-Generation lassen
sich Touchevents jetzt auch mit dicken
Stoffhandschuhen oder mit Wasser auf der
Bedieneroberfläche sicher erkennen. Um
die Endapplikation vor äußeren Einflüssen
zu schützen, empfiehlt es sich, ein kundenspezifisches Frontglas vor die TFT/
Die PCAP-Lösung Easytouch von Data Modul
passt perfekt auf die TFT-Bildschirme von AUO.
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39
Analog-/Mixed-Signal-ICs
Modellbasiertes Design
Design-Tools für Embedded-Motorsteuerungen
Modellbasiertes Design ermöglicht die Validierung auf Simmulationsebene, automatische
Code-Erzeugung für die Hardware, einfache Erweiterung komplexer Systeme und Weiterverwendung der Modelle in Folgeprojekten. elektronik industrie beschreibt Details zur Erstellung
einer Plattform für Modellbasiertes Design (MBD) mit Embedded-Motorsteuerungsprozessor
Autoren: Dara O’Sullivan, Jens Sorensen, Aengus Murray
für Elektromotoren. S
Entwickler mithilfe von MBD Modelle selber definieren oder aus
umfangreichen Bibliotheken mit Funktionen auf der Basis von
Continuous-Time- und Discrete-Time-Funktionsblöcken auswählen und diese parametrieren. Solche Modelle lassen sich in
Verbindung mit Simulationstools zum Rapid Prototyping, in
Software-Test und Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HIL)
verwenden. Mithilfe von Simulation können Entwickler eventuelle Modellierungsfehler und Abweichungen von Spezifikationen
sehr frühzeitig im Entwicklungsprozess erkennen. Im Vergleich
zur manuellen Programmierung senkt eine automatische Codegenerierung den Entwicklungsaufwand und beschleunigt die
Entwicklungsdauer sowie die Markteinführung.
Das MBD-Konzept eröffnet Entwicklern anstelle der klassischen Entwicklungsmethoden neue Wege direkt von der ModellErstellung über Simulation und Code-Generierung bis zum HILTest. So kann der Entwickler funktionale Änderungen im System
ohne aufwendiges Redesign schnell und einfach umsetzen.
Als Beispiel für den Einsatz von modellbasiertem Design dient
im Folgenden der experimentelle Aufbau eines Motorsteuerungssystems mit Regelkreis. Dieses System repräsentiert einen voll
funktionsfähigen PMSM-Motorantrieb mit Netzspeisung einschließlich Leistungsfaktorkorrektur, galvanischer Trennung von
Steuerungs- und Kommunikationssignalen sowie optischem
Drehwinkelgeber. Kern des Systems ist ein ADSP-CM408 mit
einem ARM Cortex-M4. Mit kombinierten Tools von IAR und
Mathworks implementierte Analog Devices die komplette MBDPlattform in diesem ASSP (Application Specific Signal Processor).
ystem- und Schaltungsmodellierung ist längst ein wichtiger Aspekt beim Entwurf von Motorsteuerungssystemen.
Modellbasiertes Design (MBD) nutzt elektrische, mechanische und System-Level-Modelle, um Entwicklungskonzepte
bereits vor der Realisierung und dem Test physikalischer Hardware zu evaluieren. Die neusten Simulationstools von Mathworks
können komplette Embedded-Control-Systeme einschließlich
der elektrischen Schaltungen und mechanischen Systeme
modellieren. Geeignete Embedded-Programmiertools erzeugen
aus Systemmodellen C-Code für die direkte Implementierung
von Steueralgorithmen in Embedded-Control-Plattformen.
Diese Tools ermöglichen einen modellbasierten Entwicklungsprozess, bei dem Steueralgorithmen vor dem endgültigen Hardware-Test auf einer Simulationsplattform entwickelt und komplett
getestet werden können. Entscheidend für die Realisierung einer
erfolgreichen MBD-Plattform ist die Partitionierung des Systemmodells und des Embedded-Software-Codes. Sobald die MBDPlattform mit einem bekannten Algorithmus im System getestet
ist, lassen sich neue Algorithmen entwickeln und auf der Simulationsplattform bei Grenzwerten des Systembetriebs testen.
Der Entwicklungsablauf
Modellbasiertes Design ist eine mathematische und visuelle
Methode, die beim Entwurf von Embedded-Control-Systemen
zum Einsatz kommen kann. Anstatt komplexe Strukturen und
umfangreichen Software-Code manuell zu erstellen, können
Prototyp der Motorsteuerung
für einen permanenterregten
Synchronmotor (PMSM) mit
Drehwinkelgeber.
40
Bilder: Analog Devices
Funktionsblöcke der Motorregelung
Das Antriebssystem besteht aus einem Dreiphasen-LeistungsInverter mit galvanisch getrennter Phasenstromrückkopplung
und einem permanenterregten Synchronmotor mit Drehwinkelgeber. Im ASSP implementiert sind die Verarbeitung der Motorrückkopplungssignale, die Ansteuerung des Leistungsinverters
sowie Regler und Kommunikationsschnittstelle.
Für Modellierungszwecke besteht das System aus drei Hauptblöcken: Leistungsinverter und Motor (Plant), Control-FeedbackSchaltungen und digitaler Controller. Das Plant-Modell nutzt
Simulink-Simscape-Komponenten zur Simulation der Inverterschaltung und der elektromechanischen Motorelemente im Continuous-Time-Bereich. Die Feedback-Schaltungsmodelle sorgen
für die Signalaufbereitung und Datenumwandlungen zwischen
den Controller- und Motorantriebsmodellen.
Simulink-Embedded-Programmiertools erzeugen Embeddedwww.elektronik-industrie.de
Block
Elektromechanisches System
Modellierung/Code-Erzeugung
Kritische Parameter
Inverter: gemitteltes Funktionsmodell, sehr einfach
Keine
Motor: elektromechanisches Standard-dq-Modell
Stator-Induktanz, Rück-EMF/
Drehmomentkonstante
Mechanisches System: Standard-Modell Steifheit/
Trägkeit/Reibung, applikationsspezifisch
Last-Trägheit
Sensoren und Schnittstelle
Funktionale Modelle
Verstärkungen, Offsets
Prozessor
Peripherie: funktionale Modelle
Skalenfaktoren, Quantisierungseffekte
Core-Algorithmus: Code-Erzeugung von hier aus
möglich
Effiziente Implementierung, Fixed/
Floating-Point-Grenzen
Funktionale Modelle
Keine
Treiberschaltungen
C-Code, mit welchem der Algorithmus sowohl auf der Simulationsplattform als auch auf dem Embedded-Controler lauffähig
ist. Die erfolgreiche Umsetzung des MBDs erfordert sorgfältig
definierte System- und Schaltkreismodelle sowie eine geeignete Aufteilung zwischen Systemmodell und der Embedded-Control-Software. Wegen der Mischung aus zeitdiskreten und zeitkontinuierlichen Funktionen im System kommt bei der Simulation ein diskreter Fixed-Step-Solver zu Einsatz.
Platinenaufbau
Die Hardware des Antriebssystems besteht aus Leistungsplatine,
Steuerungsplatine und Motor mit Drehwinkelgeber. Die Platine
enthält einen Eingangsgleichrichter, ein Dreiphasen-Invertermodul, Strom- und Spannungssensoren, Optokoppler zur galvanischen Trennung von digitalen und analogen Rückkopplungssignalen und einen Signalpuffer für den Drehwinkelgeber.
Die Steuerungsplatine enthält das mit 240 MHz getaktete ASSP
und die aus PWM-Timer, Quadratur-Encoder-Zähler, SINCFilter und Embedded-ADC bestehende Motorsteuerungsperipherie. Optional können als Motor-Stromrückkopplung kontaktlose
Stromsensoren mit dem Embedded-ADC oder Stromshunts mit
einem galvanisch trennenden Sigma/Delta-Wandler fungieren.
Die Erfassung der Rückkopplungssignale und die Ausführung
des Steueralgorithmus sind auf die vom Prozessor-InterruptMechanismus abgeleitete PWM-Schaltfrequenz synchronisiert.
Die Simulation nutzt die gleiche Schaltfrequenz. Der Leistungsinverter nutzt ein Average-Value-Modell, da die Signalsimulation kein brauchbares Steuersignal liefert.
Tabelle 1: Das Systemmodell ist in logische
Blöcke partitioniert.
Modell auswählen. Die zeitdiskreten Funktionen des Motorsteuerungs-Algorithmusmodells lassen sich bei jedem Zeitschritt
sowohl auf Simulationsebene wie auch auf der Embedded-Plattform ausführen. Typischerweise sind die Motorreglerfunktionen
in einem Subsystemblock enthalten, um den Code-Erzeugungsprozess zu vereinfachen. Der Code-Generator erzeugt vom Steueralgorithmus und seinen Datenstrukturen ausführbaren C-Code.
Der Algorithmus selbst nutzt FOC (feldorientierte Regelung),
welcher eine Drehzahlregelschleife mit externem Geber und
Stromschleifenregelung mit internen Stromwerten der d-Achsenund q-Achse enthält.
Die Inverter-Schnittstellen- und Rückkopplungs-Pfade sind
in Signalaufbereitungs- und Embedded-Schnittstellenblöcke
aufgeteilt. Bei den Stromsensor- und Signalaufbereitungsmodellen handelt es sich um einfache Verstärkerelemente. Das Lagesensormodell ist komplexer, da es ein hochauflösendes inkrementales Lagesignal und ein niedrigauflösendes absolutes Lagesignal verarbeiten muss.
Die Modelle für die Embedded-Signalschnittstelle beinhalten
Typ-Wandlungsfunktionen, da die ADCs, SINC-Filter, Zähler
und Timer-Peripherie 16- oder 32-Bit-Festkomma-Ausgangsdatenregister haben. Das Übertragungsverhalten jeder Embedded-Schnittstelle ist abhängig von der Peripherie-Systemtaktrate, der Abtastrate und den Interface-Register-Einstellungen.
Um genaue Simulationsergebnisse zu erzielen, ist eine Anpassung der Modellparameter an die Embedded-Systemkonfiguration erforderlich.
Software-Partitionierung und Code-Erzeugung
Der Motorsteuerungs-Algorithmus
Das Motormodell der Sim-Power-Systems-Bibliothek ist konfigurierbar, bietet diverse Preset-Modellparameter und lässt den
Anwender zwischen einem Custom-Motor- oder einem Inverter-
Eck-Daten
Modellbasiertes Design (MBD) vereinfacht die Entwicklung von Embedded-Motorsteuerungssystemen für Elektromotoren. Entwicklungskonzepte und Steueralgorithmen lassen sich bereits vor Realisierung und Test physikalischer Hardware evaluieren. Systeme auf Basis
von generischen Modellen sind auf Simulationsebene und auf Embedded-Hardware gleichermaßen lauffähig und einfach erweiterbar. Die
Modelle aus Bibliotheken oder eigener Definition lassen sich in Folgeprojekten weiterverwenden. MBD ermöglicht die Verknüpfung von
händisch erstelltem und automatisch generiertem Code.
Das Motorantriebssystem führt neben der Motoransteuerung
weitere Funktionen aus. Für Plattformflexibilität und einfache
Entwicklung ist die Embedded-Software in mehrere Funktionsmodule unterteilt. Die wesentlichen Funktionsblöcke sind Systeminitialisierung, Kommunikationsschnittstelle, Applikationsaufgaben, Motorsteuerungsschnittstelle und Motorsteuerungsalgorithmus.
Das Hauptprogramm ruft die Initialisierung auf, welche die
ASSP-Hardware konfiguriert, und versetzt den Prozessor
anschließend in eine Warteschleife. Alle anderen Funktionen
werden durch ereignisgesteuerte Interrupt-Service-Routinen
(ISRs) aufgerufen. Der ADC-Interrupt hat höchste Priorität. Die
ADC-ISR ruft die Motorsteuerungsfunktionen auf, wenn neue
Sensordaten bereit stehen. Das ADC-Sampling ist auf die PWMSchaltfrequenz synchronisiert und steuert die Regelschleife.
41
MBD-Systemplattform einer Motorsteuerung mit geschlossenem Regelkreis.
Die ADC-ISR führt jeden einzelnen PWM-Zyklus aus. Sie ruft
die zur Motorsteuerung genutzte Routine (PMSMctrl) jedoch
nur dann auf, wenn das Motor-Run-Flag gesetzt ist. Die Auswahl des Motorstrom-Rückkopplungspfades erfolgt vor der
Code-Erstellung.
Der PWM-Trip-Interrupt ist asynchron und wird nur bei einem
Hardware-Fehler aufgerufen. Als einzige Funktion gibt sie einen
Fehler aus, wenn sie die Inverteransteuerung automatisch
abschaltet. Die Kommunikationsport-ISR hat eine geringere
Priorität. Sie verarbeitet Anwenderbefehle und überträgt Daten,
die von einer Debug-Monitor-Funktion erfasst werden. Die Kernel-Timer-ISR verwaltet Hintergrund-Applikationsaufgaben wie
etwa Motor-Start- und Stop-Sequencing, die Debug-MonitorSchnittstelle und andere Housekeeping-Aufgaben.
Der Embedded-Code ist nach Funktionsblöcken organisiert
anstatt nach Programmablauf. Die System-Initialisierung legt
Prozessortaktsignale sowie Leistung und Kernel-Timer standardmäßig fest. Dies erfolgt fast unabhängig von der Applikationsfunktion. Die Kommunikation und Applikations-Task wird
durch die Anwenderschnittstelle und System-ManagementAnforderungen definiert. Beide sind fast unabhängig vom Motorsteuerungsalgorithmus.
Die Motor-Control-Schnittstellen-Funktion verwaltet den Signaldatenfluss zwischen der Motorantriebs-Hardware und dem
Steuerungsalgorithmus. Sie ist abhängig vom angeschlossenen
Motor und Drehwinkelgeber (Lagesensor) sowie von der Konfiguration der Rückkopplungssignale. Simulink erzeugt den Motorsteueralgorithmus plattformunabhängig; er enthält Datenstrukturen für Rückkopplungs- und Ansteuerungssignale. Der restliche Treibercode wird manuell erstellt.
Implementierungsdetails
Motorsteuerungsperipherie
(PWM, Encoder)
1584
94
2,3 %
Messperipherie (ADC, SINC,
serielles Monitoring)
2224
2691
6,7 %
Um MBD optimal einzusetzen, ist es wichtig, die Detailanforderungen für die Modellierung der verschiedenen Teile des Motorsteuersystems zu verstehen und die kritischen physikalischen
Systemparameter so genau wie möglich mit den entsprechenden
Modellparametern übereinzubringen. Dies beinhaltet auch die
Partitionierung des modellierten Systems in unterschiedliche
Bereiche. Als generelle Regel genügt es, das gesamte System als
PWM-averaged zu modellieren, das bedeutet eine Mittelung des
hochfrequenten PWM-Trägersignals sowie eine Ausblendung
von PWM-Ripple oder höherfrequenten Störanteilen in Spannungs- oder Stromsignalen.
Das Systemmodell ist in logische Blöcke partitioniert. Jeder
Block ist weiter unterteilt. Jeder Unterblock hat ein geeignetes
Modellierungskonzept (Tabelle 1). Der Block „User Commands“
ist in dieser Liste nicht enthalten. Die Benutzerbefehle (User
Commands) werden im C-Code als globale Parameterstrukturen
in den Core-Algorithmus eingebunden. Damit das korrekt abläuft,
müssen diese Befehle im Simulink-Algorithmus als global veränderliche Parameter definiert sein.
PFC-Controller-Konfiguration
und -Monitoring
3032
2149
7,1 %
Einstellungen zur Code-Erzeugung
Peripherie der Benutzer
schnittstelle (UART, LCD)
1484
5055
9%
System (Kernel, Zustands
automat, Startup) und mehr
1192
1364
3,5 %
Per Auto-Code erzeugter
Algorithmus
5656
5022
14,7 %
Treiber, Bibliotheken und mehr
21.596
19.737
56,7 %
Gesamt
36.768
36.112
72.880 (100 %)
Tabelle 2: Größen von Code-Modulen.
Code
[Byte]
Module
42
Daten
[Byte]
Gesamt
Maximale Code-Portabilität und einfache Wartung lassen sich
durch Einstellung der automatischen Code-Erzeugung als nichttarget-spezifisch erreichen; abgesehen von den Basiseinstellungen wie Typ-Größe, Byte-Ordering und weiteren. Mathworks
bietet prozessorspezifische Code-Erzeugungsmodule an, welche
Prozessorperipherie und Treiber direkt ansprechen können. Während diese Möglichkeit für einige Anwendungen attraktiv sein
mag, liegt der Nachteil jedoch im unhandlichen, weniger portawww.elektronik-industrie.de
blen Code. Zudem bedeuten alle Änderungen an Gerätetreibern
oder in der Peripheriekonfiguration (beispielsweise eine neue
Prozessorvariante) Änderungen am Code.
Daher ist im hier präsentierten Entwurfsbeispiel die CodeErzeugung ausschließlich auf den Steuerungsalgorithmus
beschränkt. Für sämtliche Peripheriefunktionen gibt es SimulinkModelle; sie werden im Hauptanwendungsprojekt von Hand
codiert beziehungsweise eingebunden.
FPG7
Geschlossener
Sicherungshalter für
SMD-Montage
Sprachdialekte von C89/90 und C99
Ein weiterer Faktor im Hinblick auf die Software-Effizienz ist
der verwendete Sprachdialekt der Hochsprache C. Zwei übliche
Dialekte, die von den meisten Code-Erzeugungstools und
Embedded-Workbenches unterstützt werden, sind C89/90 und
C99. In erster Linie ist es wichtig, dass alle Tools den gleichen
Dialekt nutzen. Falls zum Beispiel die Embedded-Workbench
so konfiguriert ist, dass Code entsprechend C99 erstellt wird,
müssen auch die automatischen Code-Erzeugungstools Code
entsprechend des Standards C99 generieren. Andernfalls kann
dies zu einer wesentlich reduzierten Leistungsfähigkeit der
Software führen, im ungünstigsten Fall sogar zu unbeabsichtigten Funktionen der Software.
Ein anderer wichtiger Faktor ist die Festkomma-Darstellung
im Gegensatz zu Gleitkomma. Beide Codierungsdialekte unterstützen Festkomma. In diesem Fall ist die Wahl des Dialekts
unerheblich, solange alle Tools den gleichen Dialekt nutzen.
Werden jedoch Gleitkommatypen genutzt, wird die Wahl des
C-Dialekts wesentlich wichtiger.
C89/C90 unterscheidet nicht zwischen Single- und DoublePrecision-Gleitkomma. Falls der Code auf einem Prozessor laufen soll, der Double-Precision unterstützt, ist das akzeptabel. Bei
einem Prozessor, der lediglich Single-Precision unterstützt, wie
beispielsweise ein ARM Cortex-M4, macht die Unterscheidung
einen großen Unterschied. In diesem Fall ist sicherzustellen, dass
das Auto-Code-Generation-Tool sowie die Embedded-Workbench
den Dialekt C99 nutzen.
- Resistent gegen Vibrationen
- Erfüllt erhöhte Glühdrahtfestigkeit nach IEC 60335-1
- Geeignet für Medizin- und Industrieanwendungen
schurter.com/gs
LEISTUNGSSTÄRKE DURCH PARTNERSCHAFT
SEIKA ELECTRIC CO., LTD.
Details und Hintergrundinfos in der Langversion
Die genaueren Hintergründe und Details finden Sie in der Langversion dieses Beitrags per infoDIREKT 803ei0815 auf www.allelectronics.de, die auch 15 Bilder enthält. (jwa/av)
■
Autoren
Dara O’Sullivan
System Application Engineer in der Motor and Power
Control Group bei Analog Devices in Cork/Irland.
passiv + elektromechanisch
Das komplette Lieferprogramm finden Sie auf unserer
Homepage www.nova-elektronik.de
Jens Sorensen
System Application Engineer bei Analog Devices in
Wilmington/MA (USA).
Aengus Murray
Motor and Power Control Applications Manager bei
Analog Devices in Costa Mesa/Kalifornien.
infoDIREKT
BAUTEILE
NOVA Elektronik GmbH
Sachsstrasse 6
D-50259 Pulheim
Tel :
+49 (0) 22 34 9 84 17 - 0
Fax :
+49 (0) 22 34 9 84 17 - 19
E-Mail : [email protected]
803ei0815
Das hochintegrierte
Sensorschnittstellen-AnalogFrontend XR10910 vereinfacht die
Aufbereitung von Sensordaten.
Saubere Signale
Hochintegriertes Sensorschnittstellen-Analog-Frontend
Analogsignale verstärken, filtern und digitalisieren ist keine triviale Aufgabe, speziell wenn die Kleinsignale von
Sensoren stammen. Zwischen einer rein diskreten Lösung und einem kompletten Datenverarbeitungsbaustein
Autorin: Debbie Brandenburg
siedelt Exar seine Sensorschnittstellen-ICs mit ausgeklügeltem Analog-Frontend an.
S
ensoren kommen in zahlreichen Consumerund Industrieanwendungen zum Einsatz, von
Mobiltelefonen und Tablets über die Abstandsmessung, Bildverarbeitung bis hin zur Prozessmesstechnik. Viele dieser Systeme enthalten mehrere
Analogsensoren. Diese erfassen und messen Druck,
Temperatur, Kraft, Position, Licht, Schall, Geschwindigkeit, Wärme und andere physikalische Größen.
Überraschend viele Sensoren
Die Anzahl der Sensoren, die sich in den gängigen
Geräten in einem Haushalt findet, ist überraschend
hoch. Waschmaschinen sind heute zum Beispiel mit
Sensoren ausgestattet, die folgende Größen erfassen:
Motorstrom, Trommeldrehzahl, Wasserstand/-fluss/-
Eck-Daten
• Integrierter MUX, DAC, PGA und LDO vereinfachen die Aufbereitung von
Sensordaten mit dem XR10910
• Mehr Flexibilität als höher integrierte AFEs
• Geringere Stromaufnahme als höher integrierte oder diskrete Lösungen
• Einfach nutzbare I C-Schnittstelle
• 6 × 6 mm großes QFN-Gehäuse
• Hohe Kanalzahl vereinfacht das Board-Layout und spart Platz
2
2
44
temperatur, Unwucht, Tür offen/geschlossen und
sogar Berührungssensoren für die Programmsteuerung. Hocheffiziente Toploader-Waschmaschinen
bestimmen sogar den Wasserstand für jede Ladung
– abhängig vom Gewicht der Wäsche.
Analog-Waschprogramm
Analogsensoren erzeugen ein elektrisches Signal, das
in der Regel sehr klein und störbehaftet ist. Sensoren
sind nie gleich: jeder Sensor weist sein eigenes Rauschverhalten auf und fügt seinen eigenen Offset in den
Signalpfad mit ein. Die Systemkalibrierung, die Unterscheidung zwischen Signal und Rauschen und die
Verstärkung sind daher entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Endsystems. Zwischen dem Analogsensor und der digitalen Signalverarbeitung (DSP)
befindet sich eine wichtige Schnittstelle, die das elektrische Signal aufbereitet und sicherstellt, dass es im
Verarbeitungsbereich des nachfolgenden A/D-Wandlers (ADC) liegt.
In Industrieanlagen kommen heute zahlreiche Sensoren und Sensorarten zum Einsatz, die noch größere Anforderungen an die Aufbereitung von Sensordaten stellen. Systeme mit mehreren Sensoren erforwww.elektronik-industrie.de
dern verschiedene Kalibrierungen und Verstärkungen,
um die Sensorsignale entsprechend zu verarbeiten
und sie an den ADC weiterzuleiten. Der zunehmende Einsatz von Sensoren in Elektronikeinrichtungen
erhöht auch die Nachfrage nach vielseitigeren, kostengünstigeren Sensorschnittstellen.
16:1-Sensorschnittstellen-AFE
Bild 1: Blockdiagramm des Sensorschnittstellen-Analog-Frontends XR
10910.
Bilder: Exar
Die Sensorschnittstelle XR10910 enthält einen differenziellen 16:1-Multiplexer, einen programmierbaren Instrumentenverstärker, einen 10-Bit-OffsetKorrektur-DAC (D/A-Wandler) und einen LDO
(Low-Dropout-Regler). Die Funktionen des XR10910
werden über eine I 2C-Schnittstelle gesteuert. Damit
steht die Leistungsfähigkeit und Funktionalität zur
Diskret oder integriert
Verfügung, um heutige Mikrocontroller oder FPGAs
Zum Aufbereiten von Sensordaten sind diskrete
mit Embedded-ADCs zu unterstützen. Bild 1 zeigt
Lösungen möglich, die mehrere Bausteine verwendas Blockdiagramm des XR10910.
den. In vielen Fällen bieten diese diskreten SensorDank des Multiplexers unterschnittstellen aber weder eine
stützt der XR10910-Baustein 16
variable Verstärkung noch einen
„Die hohe Funktionsdifferenzielle Ausgangssensoeinstellbaren Offset für jeden
dichte ergänzt moderne
ren. Jeder Sensor, der an den
Sensoreingang. Zudem verbrauBaustein angeschlossen ist,
chen sie viel Strom, benötigen
kostengünstige MCUs.“
weist seinen eigenen Offset
mehr Platz und eine längere
Dale Wedel, Vice President HighPerformance Analog Products bei Exar.
auf, der bei fehlender KalibrieEntwicklungsdauer als eine
rung die Empfindlichkeit und
integrierte Lösung.
Gesamtleistungsfähigkeit des Sensorsystems verIntegrierte Sensorschnittstellen-Analog-Frontends
ringern kann. Der integrierte DAC führt einen Offset
(AFEs) stehen von zahlreichen Anbietern zur Verfüin den Instrumentenverstärker ein, um die von den
gung. Die meisten Lösungen enthalten einen ProzesSensoren erzeugte Offset-Spannung zu kalibrieren.
sor, der umfangreiche Algorithmen berechnen und
Für jeden der 16 Kanäle lässt sich ein unabhängiger
Speicherschutz enthalten kann, was in den meisten
Offset einstellen.
Anwendungen aber gar nicht erforderlich ist und die
Der programmierbare Instrumentenverstärker
Kosten erhöht. Das Sensorschnittstellen-AFE XR10910
bietet acht wählbare Verstärkungen von 2 V/V bis
von Exar bietet hingegen eine kostengünstige integ760 V/V, um das Signal derart zu verstärken, dass es
rierte Lösung mit hoher Kanalzahl und Funktionaliin den Eingangsbereich des nachfolgenden ADC
tät auf kleinstem Raum, die sehr wenig Strom verfällt. Der XR10910 enthält auch einen LDO, der eine
braucht. Die Funktionsvielfalt des XR10910 erhöht im
geregelte Spannung zur Versorgung der Sensoren
Vergleich zu anderen diskreten AFE-Lösungen die
bereitstellt. Der Baustein arbeitet zwischen 2,7 und
Designflexibilität.
1
45
3
2
Bild 2: Das Diagramm
des Eingangsspannungsrauschen über
der Frequenz (bei
G = 760) zeigt, dass
der Wert etwa bei
35 nV/√Hz liegt.
Bild 3: Spannungsrauschen bezogen auf
das Eingangssignal
von 0,1 bis 10 Hz
(RTI: Referenced
to the Input).
Bild 4: Mit dem
XR10910 lässt sich
eine 16:1-Brückensensor-Schnittstelle
realisieren.
lasteten Brücke ist idealerweise Null (VO+ und VOsind identisch). Jedoch führen ungenaue Widerstandswerte zu einer Differenz zwischen VO+ und
VO-. Diese Brückenoffsetspannung kann sehr groß
sein und zwischen den Sensoren variieren, was die
Systemgenauigkeit verringert. Der XR10910 kalibriert
Geringes Grundrauschen
den Brückenoffset bei jedem der 16 Brückensensoren,
Exars AFE bietet 14-Bit-Signalpfad-Linearität und ein
die den integrierten DAC nutzen. Der XR10910 ist
geringes Spitze-Spitze-Rauschen (2 µV PP bei G = 760)
damit eine einfache Lösung zur Anbindung von bis
sowie ein geringes Eingangsspannungsrauschen
zu 16 Brückensensoren. Mit nur 457
(35 nV/√Hz bei G = 760, Bild 2 und 3).
µA Stromaufnahme und nur 36 mm 2
Das niedrige Rauschen des XR10910
„Die Sensor
ermöglicht zusammen mit dem gerinPlatzbedarf ist er laut Hersteller die
schnittstelle
gen Bias-Strom (100 pA maximal) den
branchenweit kleinste und stromspabietet eine
Anschluss verschiedener Sensoren und
rendste Schnittstelle für 16 Brückenkleine Stell
passt daher zu 3- bis 5-V-/16-Bit-ADCs.
sensoren.
fläche.“
Viele Kraft- und Drucksensoren nutzen ein Widerstandselement, das als
Der erste Baustein seiner Art
Dale Wedel, VP HighPerformance Analog
Wheatstone-Brücke aufgebaut ist und
Der XR10910 ist der erste Baustein
Products bei Exar.
als Dehnungsmessstreifen (DMS)
einer neuen Serie einfach einsetzbarer
dient. Die Widerstandselemente in der
Sensorschnittstellen-ICs von Exar. Er
Brücke ändern ihren Widerstand entsprechend der
füllt die Lücke zwischen weniger funktionsreichen
mechanischen Belastung. DMS kommen bei der Kraftdiskreten Lösungen und Einchip-Sensorschnittstelund Druckmessung zum Einsatz. Der XR10910 ist
len-AFEs, die komplexe und damit auch teure Proeine einfach einsetzbare Sensorschnittstelle zwischen
zessoren oder DSP-Kerne zur Signalverarbeitung entmehreren Brückensensoren und einem ADC/MCU
halten. Der XR10910 bietet mehr Kanäle, eine gerinoder FPGA (Bild 4).
gere Stromaufnahme und benötigt weniger Platz als
Brückensensoren erzeugen ein differenzielles Ausdie anderen beiden Varianten.
gangssignal (VO+ und VO-). Der Ausgang der unbeSensoren und Sensortechnik werden immer mehr
in heutige Elektronikprodukte integriert. Bausteine
zur Aufbereitung von Sensordaten, wie der XR10910,
werden daher eine wichtige Rolle bei der Anbindung
dieser Sensoren in unserer zunehmend digitalen und
funkbasierten Welt spielen. (lei)
n
5 V und bietet einen breite Digitalversorgung von
1,8 bis 5 V. Er verbraucht 457 µA Strom und bietet
einen Sleep-Modus, der die Stromaufnahme auf nur
noch 45 µA verringert.
Autorin
Debbie Brandenburg
Regional Marketing Manager
bei Exar in Fremont, Kalifornien.
4
46
Leistungselektronik
Transformatoren und mehr
Bedek übernimmt den
Exklusivvertrieb von Trafox
Der finnische Her
steller Trafox ist be
kannt für Transforma
toren, Drosseln, Filter
und Überwachungs
anlagen.
Bild: Bedek
Das Unternehmen Bedek aus Dinkelsbühl
ist ab sofort exklusiver Vertriebspartner
für die Produkte des finnischen Herstellers Trafox in Deutschland und Österreich. An seinem Firmensitz in Helsinki
entwickelt und fertigt Trafox seit über
60 Jahren Hochleistungs-Transformatoren, Drosseln, Filter und Überwachungsanlagen.
Trafox und Bedek verfügen gemeinsam
über ein umfangreiches und gut sortiertes Produktsortiment, das den international anerkannten Normen und Anforderungen entspricht. Es reicht von kleinen,
handgroßen Komponenten bis hin zum
Transformator mit mehreren 100 kg
Gewicht. Im Einzelnen besteht das Portfolio von Trafox aus den Kategorien Isolationsüberwachung, Transformatoren,
Leistungstransformatoren, DU/dt-Filter,
Sinusfilter sowie Kompensations- und
wassergekühlten Drosseln. Die Produkte werden in den unterschiedlichsten
Anwendungen in der Schwerindustrie,
den erneuerbaren Energien, im Gesundheitswesen, Bau und Schiffsbau erfolgreich und bewährt eingesetzt.
Klein- und Großserien kann der Hersteller Trafox gemeinsam mit den Kunden
planen, entwickeln und umsetzen. Bedek
übernimmt dabei das Projektmanagement. Das Vertriebsunternehmen kann
hier auf eine über 40-jährige Erfahrung
zurückgreifen. In Dinkelsbühl entsteht
derzeit ein umfangreiches Lager für eine
noch höhere Produktverfügbarkeit und
daraus resultierendem schnelleren Versand. Ein Großteil der Produktpalette
wird ab Ende 2015 auch über den Onlineshop erhältlich sein. (lei)
n
infoDIREKT
713ei0815
Kernaufgabe
Neues Pulvermaterial für Magnetkerne
KDM Magnetic Powder hat
ein neues Pulvermaterial für
Magnetkerne entwickelt:
Nanodust.
Bild: Manz Electronic Systeme
KDM Magnetic Powder Cores (Vertrieb:
Manz Electronic Systeme) hat eine neue
Generation von Pulvermaterial entwickelt: Die Nanodust-Kerne zeichnen sich
durch eine hervorragende DC-Charakteristik und geringe Kernverluste aus.
Nanodust-Kerne haben eine Sättigungsdichte von 13.000 Gs. Sie sind mit einer
Permeabilität in verschiedenen Abstufungen erhältlich, von 26 bis 125 µ, in
Kerngrößen von 6,35 bis 132 mm.
Den neuen Kerntyp bietet KDM in zwei
Ausführungen an, als KAM- und KAHSerie. Die KAM-Serie hat eine ähnliche
Verlustkurve wie die von MPP-Kernen
(Magnetics Moly permalloy Powder),
während die KAH-Serie eine kostengünstige Alternative zu den bekannten
High-Flux-Kernen darstellt. Ebenso sind
Nandust-Kerne ein möglicher Ersatz zu
den amorphen Pulverkernen und eliminieren das Frequenzrauschen.
Die beiden Serien K AM und K AH
zeichnen sich durch eine hervorragende
Temperaturstabilität aus. KDM produziert
des weiteren auch Eisenpulver-Kerne,
MPP-, High-Flux-, Sendust-, Si-Fe- und
Neu-Flux-Kerne sowie Pot- und Block-
Spezialkerne nach Kundenspezifikation.
Das Unternehmen Zhejiang NBTM Kade
Magnetoelectricity (KDM) wurde im Jahr
2000 gegründet und befindet sich im Norden von Hangzhou, nur 150 km von
Shanghai entfernt. KDM verfügt über
40.000 m 2 Produktionsfläche und beschäftigt 450 Mitarbeiter. (lei)
n
infoDIREKT
704ei0815
47
Leistungselektronik
Power fest im Griff
Design von Schaltnetzteilen modellieren und Schleifen kompensieren
Alle Bilder: Linear Technology
Die elektronik industrie erklärt die grundlegenden Konzepte und Methoden der Modellierung kleiner Signale von Schaltnetzteilen und der Entwicklung ihrer Schleifenkompensation. Als typisches Beispiel dient dabei der Abwärtswandler, wobei die Konzepte aber auch
Autor: Henry Zhang
für andere Topologien nutzbar sind. D
ie Entwicklung der Schleifenkompensation einer Stromversorgung gilt besonders bei unerfahrenen Stromversorgungsentwicklern
als eine schwierige Aufgabe. Ein praktisches Kompensationsdesign umfasst viele Wiederholungsschritte zur Justierung
der Kompensationskomponenten. Dies ist
in einem komplexen System, dessen Versorgungsbandbreite und Stabilitätsmarge
von mehreren Faktoren beeinflussbar ist,
nicht nur sehr zeitaufwendig sondern
auch ungenau.
Identifizieren des Problems
Ein gut entwickeltes Schaltnetzteil muss
ruhig sein – und zwar sowohl akustisch
als auch elektrisch. Ein unterkompensiertes System kann zu instabilem Betrieb führen. Typische Symptome einer instabilen
Stromversorgung sind zum Beispiel hörbares Surren von magnetischen Komponenten oder von Keramikkondensatoren,
Jitter in den Schaltsignalformen, Oszillieren der Ausgangsspannung oder Überhitzen der Leistungs-FETs. Es gibt jedoch
neben der Schleifenregelung noch diverse
weitere Ursachen unerwünschter Oszillation, die allerdings für den unerfahrenen
Stromversorgungsentwickler auf dem
Oszilloskop leider alle gleich aussehen.
Bild 1 zeigt die typischen Signalformen
eines Ausgangs und Schaltknotens einer
instabilen abwärts wandelnden Stromversorgung. Bei Schaltnetzteilen (SMPS) wie
Abwärtswandlern (Bild 2) lässt sich ein
instabiler Betrieb aufgrund ungenügender
Schleifenkompensation einfach mithilfe
eines Kondensators nachweisen, der die
Schleifenbandbreite begrenzt. Im Strom-
modus genügt ein 0,1-µF-Kondensator
zwischen dem Ausgangspin ITH des
Rückkoppel-Fehlerverstärkers und Masse,
im Spannungsmodus zwischen Ausgangspin des Verstärkers und dem Rückkopplungspin. Wird das Ausgangssignal der
Stromversorgung stabil, lässt sich das Problem voraussichtlich mit der Schleifenkompensation lösen.
Ein überkompensiertes System ist normalerweise stabil, hat jedoch eine geringe
Bandbreite und ein langsames Einschwingverhalten. Eine übermäßige Ausgangskapazität erhöht Kosten und Ausmaße der Stromversorgung insgesamt. Zur
genaueren Betrachtung ist eine Beschreibung mit diversen Formeln notwendig –
und genau solch einen tieftechnischen
Beitrag finden Sie in deutscher Sprache in
der Langversion per infoDIREKT.
Kleine Signale modellieren
Ein Schaltnetzteil (SMPS) wie der Abwärtswandler in Bild 3 besitzt abhängig
vom Ein-/Aus-Zustand seiner Steuerschalter üblicherweise zwei Betriebsarten. Deshalb ist diese Stromversorgung ein zeitveränderliches nichtlineares System. Zur
Analyse und Entwicklung der Kompensation mit konventionellen linearen Regelmethoden dient ein gemitteltes lineares
Modell eines Kleinsignals; hierzu dienen
Linearisierungstechniken für die SMPSSchaltung rund um den Betriebspunkt des
Dauerzustands.
Modellierungsschritt 1: Ändern in
ein zeitinvariantes System
Bild 1: Typische Signalformen der Ausgangsspannung und Schaltknoten eines instabilen Abwärtswandlers.
48
Sämtliche SMPS-Topologien besitzen eine
t y pische PW M-Schaltzelle mit drei
Abschlüssen, die einen aktiven Regelschalter (Transistor Q) und den passiven
Schalter (Diode D) enthält. Für einen besseren Wirkungsgrad lässt sich die Diode
D durch einen synchronen FET ersetzen.
Leistungselektronik
Eck-Daten
Die Entwicklung der Schleifenkompensation
für Schaltnetzteile sehen Entwickler häufig
als anspruchsvolle Aufgabe. Für Anwendungen mit schnellen Transienten ist es sehr
wichtig, eine Stromversorgung mit einer hohen Bandbreite und ausreichend Stabilitätsmarge zu entwerfen. Dies ist üblicherweise
ein zeitraubender Prozess. Dieser Beitrag erklärt die Schlüsselkonzepte, die den Systemingenieuren dabei helfen, diese Aufgabe zu
verstehen. Das Entwicklungswerkzeug LTpowerCAD von Linear Technology kann dabei die Entwicklung und Optimierung der
Stromversorgungsschleife wesentlich vereinfachen.
Die Spannungsversorgung am aktiven
Anschluss a liefert den im Tastverhältnis d
geschalteten Eingangsstrom iSW. Liegt der
passive Anschluss p auf Schaltungsmasse,
dann liegt an der Diode D die mit d getak
tete Versorgungsspannung an. Der gemein
same Ausgang c ist mit einer Stromquelle
beziehungsweise -senke verbunden; im
Abwärtswandler ist dies die Speicherin
duktivität.
Mithilfe der Mittelwert-Modellierungs
methode lässt sich das zeitveränderliche
Schaltverhalten des Schaltnetzteils in ein
zeitinvariantes System umwandeln. In der
PWM-Zelle wird der aktive Schalter Q in
eine gemittelte Stromquelle abgeändert,
der passive Schalter (die Diode D) in eine
gemittelte Spannungsquelle. Bild 4 zeigt
den gemittelten Schaltstrom Q = d · i L
sowie die gemittelte Schaltspannung
D = d · Vap. Die Mittelwertbildung erfolgt
über die Schaltperiode TS mit dem Tast
verhältnis d. Da die entstandene Strom- und
Spannungsquellen zwei Variablen enthal
ten, ist das System noch immer nicht linear.
Modellierungsschritt 2: Modellieren eines linearen AC-Kleinsignals
Das erweiterte Produkt der zwei Variablen
liefert das Modell des linearen AC-Klein
signals. Wie dies detailliert geschieht,
erfahren Sie in der Langversion dieses Bei
trags. Fest steht, dass sich der Abwärts
wandler mithilfe dieser Zweischritt-Model
lierungstechnik als einfache Spannungs
quelle V IN gefolgt von einem LC-Filternetz
werk zweiter Ordnung darstellen lässt.
Basierend auf der Linearschaltung in
Bild 5, in der das Regelsignal der Arbeits
takt d und das Ausgangssignal die Aus
Bild 2: Beispiel für einen typischen Abwärtswandler wie den LTC3851, LTC3833 oder LTC3866.
Bild 3: Ein DC/DC-Abwärtswandler und seine beiden Betriebsarten innerhalb einer Schaltperiode TS.
gangsspannung darstellen, kann der
Abwärtswandler auch mit der Übertra
gungsfunktion Arbeitstakt zu Ausgang
(Duty-to-Output) im Frequenzbereich
beschrieben werden. Diese Übertragungs
funktion zeigt, dass die Leistungsstufe des
Abwärtswandlers ein System zweiter Ord
nung mit zwei Polen und einer Nullstelle
im Frequenzbereich ist. Der Ausgangs
kondensator C generiert zusammen mit
seinem äquivalenten Reihenwiderstand
(ESR) rC die Nullstelle sZ_ESR, während die
Speicherinduktivität L und der Konden
sator C des Ausgangsfilters die resonanten
Doppelpole Omega0 erzeugen.
Die Lage der Pol- und Nullstellen im
Bode-Diagramm ist stark abhängig von
der Ausgangskapazität und ihrem ESR.
Sie spiegeln das Kleinsignalverhalten der
Leistungsstufe des Abwärtswandlers wie
der. Bei kleiner Ausgangskapazität bezie
hungsweise sehr kleinem ESR kann die
ESR-Nullfrequenz sehr viel höher sein als
die Resonanz-Polfrequenz. Die Phasen
verschiebung der Leistungsstufe nähert
sich dann an -180°, womit die Ausgangs
regelung instabil wird und die Schleife
schwer zu kompensieren ist.
Kleinsignal-Modell
des Aufwärtswandlers
Bild 6 illustriert die Kleinsignal-Modellie
rungsmethode für den Aufwärtswandler
und die Überführung in seine lineare ACKleinsignal-Modellschaltung. Die Über
tragungsfunktion des Aufwärtswandlers
ist ebenfalls ein System zweiter Ordnung
mit L/C-Resonanz. Anders als der Abwärts
49
Leistungselektronik
sationsnetzwerk nötig. Die Typ-III-Kompensation ist noch komplizierter, da sie
sechs R/C-Werte benötigt. Es ist eine Zeit
raubende Aufgabe, die optimale Kombination dieser Werte herauszufinden. Weitere Details hierzu finden Sie in der Langversion des Beitrags.
Unterstützung für Entwickler
Bild 4: Der erste Modellierungsschritt ist das Ändern der PWM-Schaltzelle mit drei Abschlüssen in gemittelte Strom- und Spannungsquellen.
Bild 5: Umwandeln eines Abwärtswandlers in eine gemittelte lineare AC-Kleinsignalschaltung.
wandler hat der Aufwärtswandler zusätzlich zum COUT ESR Zero noch eine RightHalf-Plane Zero (RHPZ). Die RHPZ verursacht eine erhöhte Verstärkung aber eine
kleinere (negative) Phase, wobei RHPZ
abhängig vom Arbeitstakt und Lastwiderstand variiert. Da der Arbeitstakt eine
Funktion der Eingangsspannung ist, verändert sich die Übertragungsfunktion des
Aufwärtswandlers auch mit der Eingangsspannung und dem Laststrom.
Bild 7 zeigt, dass bei kleiner Eingangsspannung und großer Last IOUT_MAX der
RHPZ bei seiner kleinsten Frequenz liegt
und eine signifikante Phasenverzögerung
verursacht. Dies macht es schwierig, einen
Aufwärtswandler mit großer Bandbreite
zu entwickeln. Als allgemeine Regel für
eine gesicherte Schleifenstabilität gilt, die
Bandbreite eines Aufwärtswandlers bei
weniger als einem Zehntel seiner kleinsten
RHPZ-Frequenz zu dimensionieren. Auch
andere Topologien, wie der positiv-zunegative Auf-/Abwärtswandler, Flyback(Sperrwandler, isolierter Auf-/Abwärtswandler), SEPIC und CUK-Wandler haben
50
einen unerwünschten RHPZ und können
nicht für Lösungen mit hoher Bandbreite
und schnellem Einschwingen entwickelt
werden.
Um die Entwicklung des Schaltnetzteils
zu vereinfachen und zu automatisieren,
hat Linear Technology das Entwicklungswerkzeug LTpowerCAD kreiert, das kostenfrei unter www.linear.com/LTpowerCAD zum Download zur Verfügung steht.
Dieses Werkzeug hilft dem Anwender bei
der Auswahl seiner Stromversorgungslösung, bei der Auswahl der Komponenten
für die Leistungsstufe, beim Optimieren
des Wirkungsgrads und beim Dimensionieren der Schleifenkompensation.
Für die vorgegebene Leistungsstufe
kann der Anwender die Pol- und Nullstellenorte (Frequenzen) platzieren und nach
Programmanleitungen reale R/C-Werte
ermitteln sowie die gesamte Schleifenverstärkung und das Regelungsverhalten
unter Last in Echtzeit überprüfen. Anschließend lässt sich das Design auch in
eine LTspice-Simulationsschaltung exportieren, um das Regelungsverhalten zu
simulieren.
Rückkoppelschleife mit Regelung
im Spannungsmodus
Die Ausgangsspannung lässt sich mit
einem geschlossenen RückkopplungsSchleifensystem regeln. Eine erhöhte Ausgangsspannung VOUT bewirkt über den
Rückkoppelfehlerverstärker eine verringerte Einschaltdauer d und damit ein
Absinken von VOUT, bis V FB = V REF erreicht
ist. Das Kompensationsnetzwerk des Fehler-OPVs kann ein Rückkopplungsnetzwerk des Typs I, II oder III sein. Zur Regelung der Ausgangsspannung gibt es nur
eine Regelschleife, sodass die Regelung
im Spannungsmodus erfolgt. Die beiden
Bausteine LTC3861 und LTC3882 sind
typische abwärts regelnde Controller mit
Spannungsmodus.
Um einen PWM-Wandler im Spannungsmodus zu optimieren, ist üblicherweise ein kompliziertes Typ-II-Kompen-
Bild 6: Modell der AC-Kleinsignalschaltung eines
Aufwärtswandlers.
Leistungselektronik
Bild 7: Die Übertragungsfunktion des Kleinsignals
abhängig vom Arbeitstakt
zu VO (duty to VO) der Leistungsstufe eines Aufwärtswandlers variiert
mit VIN und der Last: Links
die Verstärkung, rechts
die Phase als Funktionswert.
Stromschleife
für die Regelung im Strommodus
Die einfache Schleifensteuerung im
Spannungsmodus hat mehrere Einschränkungen. Sie erfordert ein kompliziertes Typ-III-Kompensierungsnetzwerk. Das Schleifenverhalten kann mit
den streuenden Bauteilparametern und
parasitären Effekten der Ausgangskondensatoren signifikant variieren; dies
betrifft insbesondere die Impedanz des
Kondensator-ESRs und die Leiterbahnen
auf der Baugruppe. Eine zuverlässige
Stromversorgung benötigt auch eine
schnelle Überstrom-Schutzfunktion, die
wiederum eine schnelle Stromfühlmethode und schnelle Schutzkomparatoren
haben muss. Für Hochstromanwendungen, die das Parallelschalten mehrerer
Phasen erfordern, ist ein zusätzliches
Stromverteilungsnetzwerk nötig.
Die Ergänzung eines internen Stromfühlpfades und einer Rückkoppelschleife
zum Wandler im Spannungsmodus macht
aus ihm einen Wandler im Strommodus.
In einem typischen Abwärtswandler im
Spitzenstrommodus schaltet der interne
Takt den Regel-FET auf der Strom führenden Seite (topside) ein. Sobald danach
das gemessene Spitzenspulenstromsignal
die ITH-Pin-Spannung VC des Verstärkers erreicht, wird der Top-FET wieder
ausgeschaltet. Konzeptuell macht die
Stromschleife die Speicherinduktivität zu
einer geregelten Stromquelle. Somit wird
die Leistungsstufe mit geschlossener
Stromschleife zu einem System erster
Ordnung anstatt zu einem System zweiter Ordnung mit L/C-Resonanz. Als
Ergebnis reduziert sich die die von den
Polen der Leistungsstufe hervorgerufene
Phasenverzögerung von 180° auf nur
mehr rund 90°. Eine geringere Phasenverzögerung vereinfacht die Kompensation der äußeren Spannungsschleife
wesentlich. Auch reagiert die Stromversorgung dadurch weniger empfindlich
auf Variationen der Ausgangskondensatoren oder der Induktivität.
Das Spulenstromsignal lässt sich direkt
an RSENSE oder indirekt über die Spulenwindung DCR oder den RDS(on) des FET messen.
Alle diese Methoden bieten mehrere weitere wichtige Vorteile der Regelung im
Strommodus. Das System hat eine exaktere und schnellere Strombegrenzung unter
Überlast oder der Sättigung des Spulenstroms, da der Spulenstrom von Zyklus zu
Zyklus gemessen und von der Ausgangsspannung des Verstärkers begrenzt wird.
Der Einschaltspulenstrom wird während des Einschaltens oder bei Eingangsspannungsspitzen ebenfalls genau geregelt. Bei der Parallelschaltung mehrerer
Wandler/Phasen zur Strommodusregelung ist es sehr einfach, den Strom auf die
einzelnen Stromversorgungen zu verteilen, indem man die ITH-Pins des Verstärkers miteinander verbindet, um ein zuverlässiges Poly-Phase-Design zu realisieren.
Typische Controller mit Strommodus sind
zum Beispiel die Bausteine LTC3851A,
LTC3833 und LTC3855.
Autor
Henry Zhang
Section Leader für Power
Application Engineering bei
Linear Technology
infoDIREKT
351ei0815
In der Online-Fassung des Beitrags ist ein PDF
mit 33 Seiten enthalten, das alle Schritte zur
Schleifenkompensation erklärt und vorrechnet.
Bauteile
Halbleiter
Solid State
Relays
by Crydom
Details per PDF
In der als PDF per infoDIREKT herunterladbaren 33-seitigen Langversion dieses
Beitrags erhalten Sie in deutscher Sprache
viele detaillierte Informationen zu diesen
Themen. Zahlreiche Formeln und viele
Bilder erleichtern dabei das Verständnis
der komplexen Materie. (jwa/av)
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w w w. s c h
kat.com
S C H U K AT
51
Leistungselektronik
GaN-Transistorgehäuse
TO-247-Gehäuse verbessert Wirkungsgrad für 600-V-GaN-Transistoren
Warum sich ein TO-247-Gehäuse gut für GaN-Transistoren eignet, demonstriert Transphorm
mit Messreihen an realen PFC-Schaltungen. Die Halbleiter schalten 600 V in wenigen Nanosekunden bei Verlustleistung im Wattbereich. Besonders für Wechselrichter bis zu mehreren
Autor: Jim Honea
Kilowatt wird die GaN-Technologie zunehmend attraktiver. Bild 1b: TransphormKaskodenschaltung mit
N-Kanal-HEMT (oben)
und steuerndem Niederspannungs-Silizium-MOSFET (unten).
Bild 1a: GaN-Transistor TPH3205WS im
TO-247-Gehäuse
N
achdem Transphorm mit den
GaN-HEMTs bereits schnellste
Schalttransistoren im 600-V-
Bereich vorgestellt hat, führt das Unternehmen aus Goleta, Kalifornien nun den
HEMT (High-Electron-Mobility-Transistor) in einem TO-247-Gehäuse ein (siehe
Bild 1a und 1b). Mit gerade mal 63 mΩ
Innenwiderstand kann solch ein GaNTransistor 600 V verlustarm schalten. Wie
Schaltungsentwickler mit diesem Bauteil
noch höhere Wirkungsgrade erzielen
sowie weitere Systemvorteile für ihre
Stromumformungsanwendungen nutzen,
wird im Folgenden anhand von Tests und
Messergebnissen dargestellt.
lasswiderstände, robuste Anschlussfahnen
und minimale mechanische Beanspruchungen bei der Montage. Besonders wichtig ist die Berücksichtigung unvermeidbarer Gehäuseinduktivitäten für schnell
schaltende Leistungsbauelemente.
Ein Hauptziel von Transphorm war die
Verbesserung der Leistungsfähigkeit in
Anwendungen, die einen kontinuierlichen
Spulenstrom in wechselnder Richtung
erfordern, wie beispielsweise Wechselrichter oder brückenlose Totem-Pole-Leistungsfaktorkorrekturfilter. Grundlegendes
Schaltungselement ist hier eine einfache
Zwei-Transistor-Halbbrückenschaltung.
Verlustleistung einer Halbbrücke
Anforderungen an GaN-HEMT
Die Integration des GaN-Transistor in
einem Standard-TO-247-Gehäuse bietet
besondere Vorteile für Leistungsanwendungen. Dazu zählen die direkte thermische Verbindung mit einem Kühlkörper,
die Unterbringung größerer Chip-Flächen
für höhere Ströme sowie geringere Durch-
52
Angenommen eine Halbbrückenschaltung
soll im Halblastbetrieb eine Leistung von
2,5 kW bei einer Schaltfrequenz von mindestens 100 kHz mit einem Spitzen-Wirkungsgrad von 99 % umwandeln. Eine
typische Aufteilung der Verluste wäre beispielsweise 65 % für die Halbleiterelemente und 35 % für die induktiven Bauelemen-
te. Das ergibt für die beiden Transistoren
eine Verlustleistung von 8,1 W (65 % von
1 % von 1250 W). Bei optimierten Transistoren teilt sich diese Verlustleistung darüber hinaus gleichmäßig auf Leitungsund Schaltverluste auf. Aufgrund thermischer Kriterien liegt der optimale Arbeitspunkt, bei dem Leitungs- und Schaltverluste gleich groß sind, in der Praxis wahrscheinlich oberhalb vom Halblastbetrieb.
Wenn wir die 8,1 W Verlustleistung bei
halber Last in 5,5 W Schaltverluste und
2,6 W Leitungsverluste aufteilen, und die
5,5 W anschließend durch 100 kHz teilen,
ergibt sich eine Ziel-Verlustenergie von
55 µJ pro Schaltzyklus.
Die genaue Aufteilung der Verlustleistung hängt zwar von realen Gegebenheiten der Schaltung und Bauteile ab, jedoch
vermittelt die vorangegangene Überlegung eine grobe Vorstellung der Anforderungen an die Leistungsschalter. Eine
ausführliche Analyse zu GaN-KaskodenSchalter ist in den Quellen [1] bis [3] am
Ende dieses Artikels zu finden. Für die
hiesige Überlegung genügt jedoch ein relativ einfacher Ansatz, um zu zeigen, ob der
Baustein die Zielsetzungen erfüllt.
Beim Ausschalten wird die Energie EOSS
in der Ausgangskapazität des geschalteten
Transistors gespeichert. Diese Energie
wird beim Einschalten wieder abgeführt.
Eck-Daten
Im Industriestandardgehäuse TO-247 bietet
Transphorm mit dem TPH3205WS einen
HEMT (High-Electron-Mobility-Transistor)
auf Basis der GaN-Technologie an. Der Halbleiter schaltet 600 V in wenigen Nanosekunden bei Verlustleistung im unteren Wattbereich. Er erreicht einen Wirkungsgrad bis zu
99 % und eignet sich besonders für hoch
effiziente Wechselrichter bis zu mehreren
Kilowatt.
Leistungselektronik
Bild 2a: Einschaltverhalten einer simulierten Halbbrücke zeigt den zeitlichen Verlauf von VDS und ID.
Darüber hinaus wird beim Einschalten die
Ausgangskapazität des Freilauftransistors
über den aktiven Schalter geladen. Im Fall
einer linearen Kapazität würde in beiden
Fällen die gleiche Energie EOSS abgeführt.
Da COSS jedoch nichtlinear ist, wird während des Ladevorgangs eine geringfügig
Wichtige Parameter des
TPH3205WS
•
•
•
•
•
•
•
•
ID_25C: Dauer-Drainstrom 34 A
(bei Tc = 25 °C)
VDS: Drain-Source-Spannung 600 V
RDS(on): Drain-Source-Durchlasswiderstand
63 mΩ (bei TJ = 25 °C, typisch)
Qg: Gate-Gesamtladung 17 nC
(bei 10 V)
EOSS: Bei COSS gespeicherte Energie 15 µJ
(bei 400 V)
QOSS: Ausgangsladung 136 nC
(bei 480 V)
td(on): Einschaltverzögerung 7,2 ns
(bei 0...10 V, Rg = 2 Ω, Id = 11 A)
Qrr: Speicherladung 138 nC
(bei 24 A, 480 V)
Bild 2b: Einschaltverhalten einer Vollbrücke zeigt den gemessenen zeitlichen Verlauf von VDS und IL.
höhere Energie (ungefähr 2 EOSS) abgeführt. Weitere Verluste entstehen aufgrund
der endlichen Zeit, die der Drainstrom des
aktiven Schalters benötigt, um auf den
Wert des Spulenstrom anzusteigen. Diese
Zeit entspricht ungefähr der Einschaltverzögerung, die entsprechende Ladungsenergie beträgt etwa
• Eon = ½Vdd · IL · td(on)
Die Speicherladung Q rr des Transistors,
der den Freilaufstrom führt, trägt ebenfalls
zur Verlustleistung bei. Im Fall des Kaskoden-GaN-HEMT ist der größte Teil der
Ladung Q rr in der Ausgangskapazität
gespeichert, und somit bereits im Term
EOSS enthalten. Die geringe Ladung, die in
die Body-Diode des Silizium-FET injiziert
wird, wird vom geschalteten Transistor
abgeführt und trägt zur Verlustenergie
• E = Vdd · Qinj
bei. Die injizierte Ladung
• Qinj = IL · τ
ist zum Laststrom proportional, wobei τ
eine Zeit in der Größenordnung von 1 ns
ist. Die gesamte Schaltenergie pro Zyklus
beträgt
• Esw = 3EOSS + ½Vdd · IL · td(on) + Vdd · IL · τ
Unter Verwendung von EOSS =15 µJ aus
dem Datenblatt sowie der Annahme von
Vdd = 400 V und I L-ave= 5 A (entsprechend
1250 W/230 VAC), reicht eine Einschaltverzögerung von 8 ns aus, um die gewünschte Schaltenergie Esw von 55 µJ zu erreichen.
Zum Vergleich ist in den Parametern oben
für den TPH3205WS eine Einschaltverzögerung von 7,2 ns angegeben. Die hier
angegebene Analyse ist nur eine Näherung, die zur Angabe der für diese Anwendung erforderlichen Schaltgeschwindigkeit dienen soll.
Bei 400 V Schaltspannung und 19 A
Laststrom zeigt V DS in der simulierten und
in der realen Schaltung eine fast gleiche
Flankensteilheit. Bild 2a zeigt den berechneten Sig nalverlauf einer simulierten Halbbrücke, das Oszillogramm einer
realen Vollbrückenschaltung ist in Bild 2b
dargestellt.
Optimierte Kühlung
Extrudierte, Druckguss- und Flüssigkeitskühlkörper
Riesige Profilauswahl, mit und ohne Clipbefestigung
Komplette CNC-Bearbeitung und Oberflächenveredelung
Thermische Simulationen und individuelles Kühlkörperdesign
CTX Thermal Solutions GmbH · Lötscher Weg 104 · 41334 Nettetal · Tel: +49 2153 7374-0 · Fax: +49 2153 7374-10 · www.ctx.eu · [email protected]
Leistungselektronik
Bild 3a: Vereinfachtes Schaltbild
der Totem-Pole-PFC-Schaltung.
Bild 3b: Evaluierungsboards mit TotemPole-PFC-Schaltung.
Ergebnisse aus Testschaltungen
Um zu zeigen, was mit dem Transistor
TPH3205WS tatsächlich erreicht wurde,
hat Transphorm Tests für zwei Applikationsschaltungen – einer Totem-Pole PFCSchaltung und einem Einphasen-Wechselrichter – durchgeführt.
Die brückenlose Totem-Pole-PFCSchaltung [4] hat in den letzten Jahren als
einfache, hocheffiziente Topologie viel
Aufmerksamkeit erlangt. Transphorm hat
den TPH3205WS auf einem 2,4-kW-Evaluierungsboard dieser Topologie (Bild 3b)
getestet. Bild 3a zeigt das vereinfachte
Schaltbild dazu. Die Schalter S1 und S2
auf dem Board sind GaN-Transistoren, die
Rücken an Rücken auf dem Kühlkörper
montiert sind. SD1 und SD2 sind SiliziumMOSFETS, die mit Netzfrequenz (60 Hz)
geschaltet werden und nur geringe Leitungsverluste aufweisen. Die Ausgangsspannung beträgt 385 V DC. Der Kühlkörper ist so bemessen, dass ein Betrieb ohne
forcierte Luftkühlung möglich ist. Verlustleistung und Wirkungsgrad der Schaltung
sind in Bild 4 dargestellt.
Transphorm hat den TPH3205WS in
einem Einphasen-Vollbrückenwechsel-
richtermit 3 kW getestet. Bild 5a zeigt das
vereinfachte Schaltbild, Bild 5b die aufgebaute Platine. Der für diese Schaltung
gemessene Wirkungsgrad ist in Bild 6
dargestellt. Die Schaltverluste einer einzelnen Halbbrücke stimmen mit der
Berechnung aus der Voranalyse überein.
Weil bipolares Schalten aufgrund zusätzlicher Schaltverluste der zweiten Halbbrücke den Wirkungsgrad herabsetzt,
wurde die Schaltung im Modus unipolares Schalten betrieben.
Wie in Bild 6 zu sehen ist, liegen die
Spitzen-Wirkungsgrade ziemlich nahe am
Bild 4: Wirkungsgrad und Verlustleistung der Totem-Pole-PFC-Schaltung bei niedriger (115 VAC) und hoher (230 VAC) Netzspannung.
54
Leistungselektronik
Bild 5a: Vereinfachtes Schaltbild des Einphasen-Wechselrichters.
Zielwert von 99 %. Die Abweichungen
lassen sich durch eine genauere Analyse
der Transistoren selbst, sowie durch die
Einbeziehung zusätzlicher Verlustfaktoren
in der Schaltung erklären.
Bei höheren Schaltströmen steigt das
Überschwingen aufgrund parasitärer
Induktivitäten an, und es empfiehlt sich
die Verwendung von RC-Dämpfungsgliedern. Die hier vorgelegten Wirkungsgradwerte stammen in der Tat von Platinen,
die ein Dämpfungsglied mit 8 Ω / 44 pF an
jedem Transistor enthielten. Diese waren
für die getesteten Leistungspegel zwar
nicht zwingend erforderlich, die zugehörigen Verluste in den gezeigten Ergebnissen sind jedoch mit inbegriffen.
Schlussfolgerung
zugänglicher Form bietet. Mit der Bereitstellung eines 600-V-GaN-HEMT in diesem Industriestandardgehäuse kann der
Einsatzbereich von GaN-Transistoren auf
eine Vielzahl von Anwendungen erweitert
werden, darunter PV-Wechselrichter mit
Leistungsstufen von einigen hundert Watt
(Mikro-Wechselrichter) bis zu mehreren
Kilowatt (Zentralwechselrichter für Gebäude). (jwa)
n
[1] X. Huang, Q. Li, Z. Liu und F. C. Lee, „Analytical loss model of high voltage GaN HEMT in
cascode configuration“, IEEE Transactions on
Power Electronics, Vol. 29 (5), S. 2208-2219,
Mai 2014
[2] X. Huang, Z. Liu, F. C. Lee und Q. Li, „Characterization and Enhancement of High-Voltage
Cascode GaN Devices“, IEEE Transactions on
Electron Devices, Vol. 62, Nr. 2, Februar 2015
[3] Z. Liu, X. Huang, F. C. Lee und Q. Li, „Package
parasitic inductance extraction and simulation model development for the high-voltage
cascode GaN HEMT“, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 29, Ausgabe 4, S. 19771985, April 2014
Bilder: Transphorm
Trotz der nicht unproblematischen Gehäuseinduktivitäten hat sich das TO-247 als
robustes Gehäuse erwiesen, das die Vorteile der GaN-Technologie in unmittelbar
Bild 5b: Evaluierungsboard des Einphasen-Wechselrichters.
[4] L. Zhou, Y. Wu und U. Mishra, „True Bridgeless Totem-pole PFC based on GaN HEMTs“,
PCIM Europe 2013, 14. - 16. Mai 2013, S. 10171022.
Autor
Jim Honea, Mitarbeiter bei Transphorm.
infoDIREKT802ei0815
Bauteile
Halbleiter
Mag
Lev
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Bild 6: Wirkungsgrad und Verlustleistung des Einphasen-Wechselrichters.
ukat.com
S C H U K AT
55
Leistungselektronik
21 µs
Reaktionszeit
600 A
50.
Kompensationstrom
Harmonische kompensieren
PFC mit
PQSine
für Drei-PhasenNetze von 180
bis 528 V
Aktive Blindleistungskompensation
Oberschwingungen reduzieren und Netzqualität verbessern
Immer mehr Lasten im Netz arbeiten nichtlinear. Das hat starke Rückwirkungen auf das Netz, verschlechtert dessen Qualität und stört andere Verbraucher. Die aktiven Harmonischen-Filter im PQSine
Autor: Lukas Motta
von Epcos beseitigen Netzrückwirkungen zuverlässig.
E
gal ob Industrieanlage, Bürogebäude, Rechenzentrum
Verbrauchern zu Funktionsproblemen. Zum anderen steigt die
oder privater Haushalte: Kaum ein elektrischer VerbrauStrombelastung des Neutralleiters, da sich darin Oberschwincher nimmt den Strom noch sinusförmig auf. Beispiele für
gungsströme der dritten, neunten, 15., 21. Ordnung und so weinichtlineare Lasten sind Frequenzumrichter in der Antriebstechter addieren. Dies wiederum führt zu unzulässig hohen Blindnik, getaktete Stromversorgungen in Geräten der Informationsströmen. Eine weitere negative Auswirkung ist die Phasenund Kommunikationstechnik sowie zunehUnsymmetrie (speziell beim Betrieb von
mend in der Haushaltselektronik. Auch die
einphasigen Schaltnetzteilen), die zusätzDer PQSine hat einen
Beleuchtungstechnik funktioniert auf Basis
lich die Erzeugung von Oberschwingungen
neuen
Selective-Drivemeist nichtlinearer Stromversorgungen.
begünstigt. Darüber hinaus können empControl-Algorithmus
findliche Geräte durch Einkopplungen über
Daten- oder Versorgungsleitungen in ihrer
Störende Schwingungen
und erreicht eine ReakFunktion gestört oder beschädigt werden.
Die nichtlineare Stromaufnahme führt zu
tionszeit von 21 µs.
Typische Beispiele dafür sind ProzessrechOberschwingungsströmen, die Verzerrunner in Fertigungsanlagen oder Datenzentren, bei denen falsche
gen der Sinusspannung bewirken. Diese Verzerrungen wiederDaten oder Datenverluste enorme Schäden bewirken können.
um stören andere Verbraucher (Bild 1). Oberschwingungen sind
Klassischer Weise eliminieren passive Bauelemente Oberganzzahlige Vielfache der Grundschwingung – also die der Netzschwingungen direkt am verursachenden Verbraucher. Hierbei
frequenz von 50 oder 60 Hz. Sie weisen unterschiedliche Ampist jedoch für jede Harmonische ein entsprechender, gut abgelituden auf und erstrecken sich bis in den oberen Kilohertzbereich.
stimmter Saugkreis aus Kapazitäten und Induktivitäten erforOberschwingungen haben eine Reihe negativer Auswirkungen
derlich. Diese Lösung ist deshalb nur dann praktikabel, wenn
auf die Energiequalität. Zum einen führt die leitungsgebundene
ein eingegrenztes Spektrum an Oberschwingungen auftritt.
Störaussendung (Electromagnetic Interference, EMI) bei anderen
56
Bilder: Epcos
Flex-Prototypen &
kleine Serien
Bild 1: Nichtlineare Lasten erzeugen Oberschwingungen und damit einen
unerwünschten nicht-sinusförmigen Stromverlauf.
Bild 2: PQSine von Epcos sorgt für eine sinusförmige Stromaufnahme.
Oberwellen und Phasenverschiebungen werden per PFC (Power Factor
Correction) zuverlässig reduziert.
Mit der PQSine-Serie bietet Epcos nun eine Lösung, die viele
durch Oberschwingungen und Phasenverschiebungen verursachte Probleme vollautomatisch löst. Dazu wird PQSine parallel zu der Last ans Netz geschaltet, die die Oberschwingungen
verursacht (Bild 2).
Wirkungsweise des PQSine
Herzstück der aktiven Harmonischen-Filter ist ein Controller,
der auf einem 32-Bit-DSP basiert und mit einer Abtastrate von
48 kHz arbeitet. Er erreicht eine Reaktionszeit von 21 µs, denn
der neu entwickelte SDC-Algorithmus (Selective Drive Control)
ist schneller als die herkömmliche FFT (Fast-Fourier-Transformation). Auf Grundlage der in Echtzeit ermittelten Daten wird
nun ein Kompensationsstrom aus dem Zwischenkreis des PQSine ins Netz gespeist, der die Nicht-Linearität des Verbraucherstroms ausgleicht (Power Factor Correction, PFC).
Die PQSine-Serie ist konzipiert für dreiphasige Netze mit und
ohne Neutralleiter bei Spannungen von 200 VAC bis 480 VAC mit
Eck-DATEN
Die PQSine-Serie von Epcos kompensiert von schaltenden Verbrauchern verursachte Oberschwingungen im Stromverlauf und minimiert
Rückwirkungen auf das Stromnetz. Eine dreistufige Ausgangstopologie reduziert Schaltverluste und erreicht einen annähernd sinusförmigen Stromverlauf. Die Geräte arbeiten an Drei-Phasen-Netzen von 180
bis 528 V und erreichen mit kaskadierten 60-A-Modulen einen Kompensationstrom bis zu 600 A.
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Leistungselektronik
Bild 3: PQSine-Ausführung für Schaltschränke
(Mitte), für Wandmontage (links) oder Bodenmontage (rechts).
50/60 Hz. Mit PQSine
können Oberschwingungen bis zur 50. Harmonischen (2500 Hz /
3000 Hz) kompensiert
werden. Die neuen Filter
sind in Schritten von
60 A bis zu einem maximalen Kompensationsstrom von 600 A in einem
einzigen Filtersystem
kaskadierbar.
Flexibilität
Ein enormer Vorteil ist
der modulare Aufbau
von PQSine: Die steckbaren 60-A-Module können schnell ausgewechselt werden.
Darüber hinaus lässt sich etwa ein Standschaltschrank
mit 180 A Filterleistung schnell um einige 60-A-Module
bis zu einer Gesamtleistung von 300 A aufrüsten. Dazu
werden die Module einfach in freie Steckplätze des Schaltschranks eingeschoben, dessen Sammelschiene grundsätzlich für Ströme bis 300 A ausgelegt ist. Zur Kontaktierung muss weder geschraubt noch gebohrt werden, da
sowohl die Leistungsanschlüsse als auch die Steuerkabel steckbar sind. Bild 3 zeigt unterschiedliche Bauformen des PQSine.
Im Gegensatz zur klassischen Blindleistungskompensation, die ausschließlich induktive Lasten kompensiert, können mit PQSine
auch kapazitive Blindleistungsanteile kompensiert werden. Neben der hervorragenden
Befilterung sorgen die aktiven HarmonischenFilter der PQSine-Serie auch für eine Symmetrierung der Lasten auf alle Phasen. Bei Verwendung von Vier-Leiter-Geräten werden
zusätzlich auch Neutralleiterstöme kompensiert. Für die optimierte Zuverlässigkeit sorgt
eine Reihe von Selbstüberwachungssystemen.
Die wichtigsten sind: Überlastschutz, Abschaltung bei Übertemperatur, Schutz vor Über- oder Unterspannung sowie Lüfterüberwachung. Zur benutzerfreundlichen Eingabe und Ablesung
der Daten stehen ein farbiger 7”- und 12,1”-TFT-Touchscreen zur
Auswahl. Das Interface unterstützt Protokolle von Ethercat mit
100 MBit/s, USB, Active-Sensor-Bus und Display-Bus.
Verlustarme Ausgangstopologie
Bild 4a: Dreistufige Ausgangstopologie des PQSine.
Viele aktive Filter arbeiten pro Phase am Ausgang mit zweistufigen IGBT-Brücken, ein Konzept das am Drei-Phasen-Netz mit
der Ausgangsstruktur von 6-Puls-Frequenzumrichtern vergleichbar ist. Beim PQSine dagegen kommt ein dreistufiges Konzept
mit in Summe 12 IGBTs (vier IGBTs pro Phasenstrang) zum Einsatz (Bild 4a). Folge ist eine wesentliche bessere Annäherung an
einen sinusförmigen Ausgangsstrom als bei zweistufigen Systemen. Da bei diesem Konzept die IGBTs nur jeweils die halbe
Betriebsspannung schalten müssen, reduzieren sich entsprechend
auch die Schaltverluste deutlich (Bild 4b).
Die aktiven Harmonischen-Filter kompensieren den von
Schaltnetzteilen verursachten nichtlinearen Stromverlauf. Jedes
Modul erzeugt einen Kompensationsstrom von 60 A, kaskadierbar sind bis zu 600 A möglich. Damit entlastet PQSine das öffentliche Stromnetz wirksam. (jwa)
■
Autor
Lukas Motta
Director Business Development Power Quality Solutions (PQS)
bei TDK Epcos.
Bild 4b: Die dreistufige Ausgangstopologie des PQSine reduziert Schaltverluste und erreicht in guter Näherung einen sinusförmigen Ausgangsstrom.
58
infoDIREKT
801ei0815
Gewinnspiele
Gewinn-SPIEL
Ineltek verlost sechs Wireless-Connectivity-Kits von Atmel
projekte dazu. Auf dem Board ist
ein Embedded-Debugger integriert, der neben dem Programmieren und Debuggen des Bausteins mithilfe von Atmels DataGateway-Interface auch Zugriff
auf SPI, UART und I2C vom PC aus
zulässt. Weiterhin gibt es auf dem
Board eine keramische Chip-Antenne, einen SMA-Verbinder für
externe Antennen, eine Leuchtdiode, einen Temperatursensor, einen 16-MHz- und einen 32-kHzQuarz.
Die Auslosung der Gewinner erfolgt zum 10. September 2015,
die Gewinner werden nach Bekanntgabe der Auslosung über
ihren Gewinn informiert. Der
Rechtsweg ist ausgeschlossen.
ATMEGA256RFR2-XPRO
Mit diesem Board können Sie Atmels ATMEGA256RFR2-Mikrocontroller evaluieren. Auf dem Single-Chip-Mikrocontroller hat Atmel einen 2,4-GHz-Transceiver integriert, etwa für IEEE802.15.4Anwendungen, mit hervorragendem Link-Budget von 103 dBm.
Das Board ist erweiterbar und
wird von Atmel Studio unterstützt, es gibt auch viele Beispiel-
ATSAMR21-XPRO
Mit diesem Kit können Sie Atmels
ATSAMR21G18A-Mikrocontroller
evaluieren. Dieser 32-Bit-Single-
Bild: Ineltek
Gewinnen Sie eines von sechs Wireless-Connectivity-Kits von Atmel im
Wert von 270 €, gesponsert von Ineltek. Wir verlosen unter allen Teilnehmern je drei Kits der Reihe ATMEGA256RFR2-XPRO und ATSAMR21XPRO. Zur Teilnahme senden Sie eine E-Mail an [email protected]
mit der Angabe, welches Kit Sie präferieren.
Chip-Microcontroller basiert auf
dem ARM Cortex-M0+ mit integriertem 2,4-GHz-Transceiver, zum
Beispiel für IEEE802.15.4- und Zigbee-Anwendungen. Weiterhin
gibt es auf dem Board einen Embedded-Debugger, eine USBSchnittstelle, Programmierung
und Debugging über SWD, vier
GPIOs, einen User- und ResetButton, zwei Extension Headers
und eine virtuelle COM-PortSchnittstelle. (lei)
Einsendeschluss
10.09.2015
Gewinn-SPIEL
Sechs Sensor-Kits von Magnachip
Starterkit mit E-CompassSensor und zwei Digital-HallSensoren
Der MXG2320 ist ein präziser digitaler Kompass von Magnachip.
Er dient zur Messung des Erdmagnetismus in der X-, Y- und ZAchse. Der Kompass enthält unter anderem magnetische Sensoren, eine Sensor-Treiberschaltung, einen rauscharmen Verstärker und einen 14-Bit-ADC.
Das Bauteil unterstützt verschiedene Betriebsarten wie NormalModus, Low-Power-Modus, Einzelmessung oder Selbsttest. Der
E-Compass kommt in einem sehr
kleinen 8-Pin-WLCSP-Gehäuse
mit 1,2 mm Kantenlänge. Der
Messbereich beträgt ±4914 µT,
Bilder: Ineltek
Gewinnen Sie eines von sechs Sensor-Kits von Magnachip gesponsert von Ineltek im Wert von 200 €: Wir verlosen unter allen Teilnehmern drei Kits mit E-Compass- und Digital-Hall-Sensoren sowie drei Kits mit einem
Feuchtigkeit-/Temperatur-Sensor. Zur Teilnahme senden Sie bitte eine E-Mail an [email protected] mit
der Angabe, welches Kit Sie präferieren. Die Auslosung erfolgt zum 10. September 2015, die Gewinner werden
nach Bekanntgabe der Auslosung über ihren Gewinn informiert. Der Rechtsweg ist ausgeschlossen.
die Auflösung ist 0,60 µT/LSB.
Aufgrund des geringem Strombedarfs von 2 mA bei 100 Hz
Messrate eignet sich der E-Compass für alle stationären und mobilen Anwendungen. Anschluss
findet das Bauteil über eine I2CSchnittstelle.
Der MXM1120 ist ein programmierbarer digitaler Hall-Sensor, mit
dem die Annäherung, Entfernung
und Polarität eines Magnets festgestellt werden kann. Dazu ist ein
unterer und oberer programmierbarer Schwellwert vorhanden. Sobald sich der magnetische Feld innerhalb der beiden Werte befindet, wird ein Interrupt an einem
Pin ausgelöst oder man kann das
Ereignis über die I2C-Schnittstelle
auslesen. Der Messbereich ist von
3,8 bis 61,2 mT einstellbar. Die
Stromaufnahme bei 10 Hz Abtastrate beträgt lediglich 18 µA. Der
Sensor ist im 9-Pin-WLSCP oder im
SO8-Gehäuse verfügbar.
Einsendeschluss
10.09.2015
Starterkit mit Feuchtigkeit-/
Temperatur-Sensor
Der Feuchtigkeits-/Temperatursensor MXH1100 von Magnachip
ist ein Sensor zur Messung der
relativen Feuchtigkeit. Er bietet
kalibrierte und linearisierte
Messwerte in verschiedenen
PWM-Formaten und als analoges
Ausgangssignal. Jeder Sensor
wird individuell kalibriert und
getestet. Das Modul kommt im
10-Pin-DFN-Gehäuse mit 3,6 ×
2,8 mm2 Größe. Die Stromaufnahme beträgt 0,3 mA bei 5 V
Versorgungsspannung. (lei)
59
CH-Special
BLICKPUNKT SCHWEIZ
Härtere Zeiten voraus
Entwicklung, Fertigung und Export im Lichte der Währung
Wo landet die Schweiz in den nächsten Jahren und welche Probleme kommen auf sie zu?
Der Franken ist zu teuer, die Exportindustrie und die Tourismusbranche stöhnen in allen
Autor: Jürg Fehlbaum
Tonlagen. Eine Standortbestimmung.
D
en 15. Januar 2015 vergisst kein Schweizer: Die Nationalbank SNB hob an diesem Tag das fixe Kursverhältnis
zum Euro auf und sorgte dafür, dass man für einen Euro
nur noch 1,05 Schweizer Franken hinblättern muss, statt wie bis
anhin CHF 1,20. Dies hat sich bis heute (Stand Mitte Juli 2015)
kaum geändert: Die Schweiz wurde für ausländische Kunden auf
einen Schlag massiv teurer und die Exportindustrie sowie die
Tourismusbranche stöhnen in allen erdenklichen Tonlagen.
Fachleute glauben, dass unsere Währung auch in den nächsten
Jahren viel zu stark bleiben wird. Gewinner gibt es beim Import
und beim Einkauf im Ausland. Viele Zubehörteile kommen jetzt
günstiger aus anderen Ländern und dies wirkt sich positiv auf
die Kalkulation aus. Allerdings kaufen Schweizer für zirka neun
Milliarden Schweizer Franken Esswaren und dergleichen im
60
umliegenden Ausland – der Einkaufstourismus schwächt den
Schweizer Detailhandel. Kommt hinzu, dass es in der Eurozone
in vielen weiteren Bereichen brodelt: die Ungewissheit steigt,
wie es mit der EU und dem Euro weiter geht. In solchen Situationen bringen reiche Leute aus aller Herren Länder ihr Geld
gerne in den sicheren Hafen Schweiz.
Alles halb so schlimm?
Im industriellen Bereich mögen die Aufträge noch für eine Weile reichen, aber die Marge stimmt vielerorts nicht mehr. Dies
ermuntert die Arbeitgeber nicht zu großen Investitionen oder
gar zur Erhöhung der Mitarbeiterzahl. Interessant: Der große
Schweizer Arbeitgeber im Eisenbahnbereich, Peter Spuhler,
befürchtet für Ende Jahr große Schwierigkeiten und äußerte sich
CH-Special
Zürich
Bern
Lausanne
Wechselkurs für
einen Euro 2014
1,20 CHF
Wechselkurs für
einen Euro 2015
1,05 CHF
in der renommierten NZZ-Zeitung sinngemäß: „Der Schweizer
Wirtschaft dürften wegen des Franken-Schocks schwerere Zeiten bevorstehen. Nachdem das Schweizer Inlandprodukt im
ersten Quartal 2015 um 0,2 % geschrumpft ist, rechne ich mit
einer weiteren Verschlechterung der Lage von Quartal zu Quartal. Ich staune immer wieder, wenn Professoren und Konjunkturforscher sagen, es sei alles halb so schlimm! Die Schweizer
Maschinen- und Elektroindustrie lebt meiner Meinung nach
derzeit von den längerfristigen Aufträgen, die sie 2013 und 2014
gewonnen hat. Folglich ist die Branche immerhin mit einem guten
Auftragspolster in diese Krise gestartet.“ Mit Kurzarbeit und
Unterstützung des Staates hoffen viele Arbeitgeber, dass es nicht
allzu schlimm wird. Der Staat seinerseits wird von der Wirtschaft
aufgefordert, eine Regulierungsbremse einzuführen, um die
Unternehmen administrativ und finanziell zu entlasten.
Produktentwicklung
Ein Lichtblick: Es ist trotz allem gut zu wissen, dass die Schweiz
zu den innovativsten Ländern weltweit gehört. Der Autor dieser
Zeilen hofft, dass die Unternehmen bei den so matchentscheidenden Innovationen aus Spargründen nicht unnötig bremsen.
Schweizer Produkte haben weltweit zwar ein gutes Image, aber
auch ihren Preis. Manche Firmen sind wegen der hohen Kosten
in der Schweiz wahrscheinlich trotzdem gezwungen, Teile ihrer
Inlandprodukt im
Q1/2015 schrumpft
0,2 %
Juni 2015,
Exporte in CHF:
17,9 Mrd.
Fabrikation ins Ausland auszulagern. Einige Unternehmen taten
dies bereits früher, kamen jedoch teilweise bald wieder zurück.
Die Arbeitsmoral und das Qualitätsdenken sind eben nicht überall auf der Welt das Gleiche.
Bestens ausgebildete und hoch motivierte Mitarbeiter sind ein
Trumpf, den man nicht aus der Hand geben sollte. Wegen des
hohen Lebensstandards und den hohen Löhnen kommen Spezialisten aus der ganzen Welt sehr gerne zu uns. Wir benötigen
diese auch, da wir in vielen Bereichen nicht genug eigenen Nachwuchs haben! Bereits heute stammt jeder vierte Einwohner der
Schweiz aus dem Ausland. Gesucht sind vor allem ausgewiesene Fachleute. Alle fragen sich: Wie geht es in Sachen Zuwanderung weiter? In den 50er Jahren hatte die kleine gebirgige Schweiz
rund fünf Millionen Einwohner, nun geht es in Riesenschritten
Richtung neun Millionen. Wegen der Freizügigkeits-Klausel der
EU gerät die Schweiz seit einiger Zeit in Streitereien mit der EU.
Der freie Handel mit der EU ist zu wichtig, als dass die Schweiz
darauf verzichten könnte. Die EU-Länder mit Deutschland an
der Spitze sind mit Abstand unsere besten Kunden. Werden wir
eine gute Lösung finden? Die Hoffnung stirbt zuletzt! (lei)
■
Autor
Jürg Fehlbaum
Freier Journalist aus der Schweiz.
61
CH-Special
Bild:
kommuniziert hier mit dem FPGA über
eine einfache API mit Lese-/Schreibbefehlen, welche die Komplexität des
zugrunde liegenden Protokolls versteckt.
Sowohl Streaming- wie auch MemoryMapped-Zugriffe über USB 3.0, GBitEthernet und PCI Express werden unterst ützt. Die Kommunikationslösung
umfasst eine Software-Bibliothek für C,
C++, C# oder Matlab sowie einen IP-Core
für das FPGA und läuft unter Microsoft
Windows sowie Linux.
Die Enclustra FPGA-Manager-IPLösung unterstützt sowohl die StandardFPGA-Module von Enclustra, etwa das
auf dem Xilinx Zynq basierende Mars ZX3
im kompakten SO-DIMM-Format oder
das mit dem Altera Cyclone V SoC ausgestattete Mercury SA1 mit integriertem
Dual-Core ARM Cortex-A9-Prozessor, als
auch proprietäre FPGA-Boards.
Enclustra GmbH, CH-8005 Zürich
c
Altra
Das uMP-Netzteil liefert hohe Leistung auf
kleinstem extraflachem Raum.
und einer Bauhöhe von 40 mm seinesgleichen sucht. Bereits nach EN60601-1 3rd
Edition geprüft, kann der Hersteller den
Ableitstrom auf Kundenwunsch bis auf
70 µA hinunter modifizieren.
Spezifikationen: Hohe Leistungsdichte
(13,9 W pro Kubikzoll); volle Einhaltung
der Medizinalvorschriften EN60601-1 und
ITE EN606950; erfüllt auch harsche Industrieumgebung nach MIL-STD-810E; optional spezielle Lackierung der Elektronik
möglich; Arbeitstemperatur -40 bis +70 °C;
Schock- und Vibrationsresistenz größer
50 G; I2C-Schnittstelle und Überwachung
des PFC; an PM-Bus angepasst; ausgeklügelte Steuerung der Ventilatorgeschwindigkeit; individuelle Ausgangsmodule;
EMI-Level B; bis zu 12 Ausgänge (bei
Dual-Ausgangsmodulen sogar 16); extrem
flache Bauweise.
Altrac AG, CH-8953 Dietikon
Iftest: Das neue Modulkonzept für Bedienund Anzeigeeinheiten (MMI) erfüllt die
Anforderungen von Medizin-Anwendungen. Die Schaltungsteile liegen als Schema- und Layout-Bibliotheken vor; Iftest
fügt sie nach Kundenwunsch zusammen.
Das Hardwarekonzept umfasst eine universelle CPU-Plattform und frei wählbare
Displaygrößen und -auflösungen mit
kapazitiver oder resistiver Touchfolie oder
separater Tastatur. Hard- und Software
sind aufeinander abgestimmt.
Bei der Auswahl der Standardkomponenten werden die hohen industriellen
Anforderungen berücksichtigt. Zudem ist
das MMI mit optionalem Sicherheitskonzept und erstfehlersicher verfügbar. Die
Software ist auf einem Linux-Betriebssystem aufgesetzt. Als Entwicklungsumgebung wird der QT Creator mit QuellcodeEditor, Debugger, GUI-Designer und
umfangreichen Bibliotheken verwendet.
Bei der Bildschirmdarstellung wird mit
ausgewiesenen Designern zusammen
gearbeitet. Das Konzept ist in drei Varianten erhältlich: Single-Board, Submodul,
dezentral.
Iftest AG, CH-5430 Wettingen
Bild: Enclustra
Enclustra: Ob Konfigurationsdaten schreiben, Messwerte auslesen oder Videodaten
streamen: In vielen FPGA-basierten
Anwendungen greift ein Host auf einen
programmierbaren Baustein zu. Wer diese Funktionalität nicht mühsam selber
entwickeln will, findet bei Enclustra den
FPGA-Manager. Die User-Anwendung
Mit Enclustras FPGA-Manger-IP-Lösung wird der
Datenaustausch zwischen Host-PC und FPGA
zum Kinderspiel.
62
Maxon Motor: Die High-Torque-DC-Motoren der EC-i 40 Serie weisen einen Durchmesser von 40 mm auf, sind mit einem
neuartigen Rotor ausgestattet und beste-
axon
Bild: M
Motor
Maxon Motor bringt Innenläufer-Antriebe mit
enormer Kraft auf den Markt.
chen durch hohe Dynamik, geringes Rastmoment und ein sehr hohes Drehmoment.
Der stärkste von ihnen erreicht ein maximales Nenndrehmoment von 234 mNm
bei einer Länge von 56 mm. Somit übertrifft er seine Vorgänger um bis zu 70 %.
Die drei neuen bürstenlosen DC-Motoren
sind kostengünstig und besonders attraktiv für Anwendungen in der Robotik, in
Prothesen sowie in der Industrieautomatisation. Ihre kompakte Bauweise ermöglicht den Einsatz auch bei knappsten Platzverhältnissen. Die EC-i 40 High-TorqueMotoren lassen sich mit Encodern, Getrieben, Servo-Controllern oder Positioniersteuerungen von Maxon kombinieren.
Maxon Motor AG, CH-6072 Sachseln
MPL: Der Hersteller von Rugged-Embed-
ded-PCs und Industrial-Ethernet-Lösungen hat als Kombination einen VisionServer für raue Umgebungen entwickelt.
Bild: MPL
Altrac: Die neue uMP-Netzteil-Serie von
Artesyn Embedded Technologies (Vertrieb: Altrac) befindet sich auf dem neuesten Stand der Technologie, besonders was
die geringe Bauhöhe in Bezug auf Leistung
und Flexibilität betrifft. Die Herstellerin
betont, dass ihr Produkt bezüglich Ausgangsspannungsflexibilität, Lebensdauer
Die PIP30-Familie ist nach EN50155 zertifiziert
und wurde bereits für mehrere Eisenbahn
anwendungen ausgeliefert.
Die Lösung besitzt bis zu acht GigE-Ports
mit RJ45- oder M12-Steckern. Vier GigEPorts sind mit PoE+ ausgerüstet – ideal für
Kameras. MPL verwendet Intel-MobileProzessoren und Intel-LAN-Chips aus der
Embedded-Roadmap. Das sichert eine
langjährige Verfügbarkeit (10 Jahre und
mehr) sowie die langjährige Reparaturfäwww.elektronik-industrie.de
CH-Special
Schurter: Kompaktes Design und hohe Per-
Bild: Schurter
formance zeichnet die neue FMAB-NEOFilterserie aus. Alle Varianten sind mit
großen X-Kondensatoren ausgerüstet, die
eine hohe symmetrische Dämpfung im
unteren Frequenzbereich gewährleisten.
Symmetrische Störungen entstehen bei-
Die FMAB-NEO-Filterserie ist mit großen X-Kondensatoren ausgestattet, für eine hohe symmetrische Dämpfung im unteren Frequenzbereich.
spielsweise durch Phasenanschnittsteuerungen oder Halbleiterrelais: Deren Schalten bewirkt Störströme zwischen Pol- und
Neutralleiter.
Die Filterreihe besitzt glänzende Stahlgehäuse mit einem geschlossenen Filterboden. Dadurch wird das Filter komplett
abgeschirmt, egal wie es montiert ist. Die
Filterserie ist erhältlich mit Steckanschlüssen oder Gewindebolzen (30-A-Version).
Optional gibt es Ausführungen mit Litzenkabelanschluss. Sie besitzen einen
Metallflansch für einfache Schraubmontage auf Gehäuse. Die Baureihe ist für
Stromstärken von 1 bis 30 A bei 250 VAC
gemäß IEC- und UL-Norm ausgelegt. Sie
hat die ENEC- und cURus-Zulassung und
eignet sich für Anwendungen gemäß IEC
60950. Für medizinische Geräte nach IEC/
UL 60601-1 gibt es Varianten mit kleinen
Ableitströmen < 80 µA (M80) oder ohne
Ableitstrom < 5 µA (M5).
Schurter AG, CH-6002 Luzern
Sensirion: Der neue Flüssigkeitsdurchflussmesser SLS-1500 misst schnell und präzise Durchflussraten von 0 bis 40 ml/min.
Die kompakte und vielfältig einsetzbare
Sensorlösung besitzt ein robustes Gehäuse und ist für den Einsatz in anspruchsvollen Industrieanwendungen und Laborumgebungen konzipiert. Der modulare
Ansatz von Sensirion, der Sensor und
Schnittstellenkabel kombiniert, bietet eine
optimale Abstimmung für schnelle Ergebnisse. Die Integration eines Durchflusssensors wird damit sehr einfach realisierbar. Mit einer Reaktionszeit von typischerweise 20 ms kann der SLS-1500 höchst
dynamische Dispensprozesse schnell und
zuverlässig überwachen. Der Durchflusskanal im Inneren des Sensors ist vollkommen gerade, offen und ohne bewegliche
Teile. Die inerten benetzten Materialien
gewährleisten eine herausragende chemische Widerstandsfähigkeit und eine hohe
biologische Kompatibilität. Der SLS-1500
kann mit SCC1-Schnittstellenkabeln
benutzt werden und bietet USB, RS485
oder analoge Verbindungen.
Sensirion AG, CH-8712 Stäfa
Swissbit: Die neuen SSDs der X-60m-Serie
mit SATA-III-Interface (6 GBit/s) im JedecMO-300A-Formfaktor (50,8 × 29,85 ×
3,5 mm3) sind ideal für Anwendungen, die
hohe Performance von einem auswechselbaren Speichermedium mit unterschiedlichen Kapazitäten benötigen und
dafür wenig Platz bereitstellen. Der mSATA-Formfaktor passt in die 52-poligen
PCIe-Mini-Sockel, die auf vielen Embedded-Boards und Netzwerksystemen vorgesehen sind und können dort stoß- und
vibrationsfest mit dem Systemboard verbunden werden. Dank schnellem SATAIII-Interface bietet die X-60m-mSATASSD das volle Spektrum an Leistung,
Zuverlässigkeit und Langlebigkeit wie die
größeren 2,5”-SSDs und ist in allen Kapazitäten verfügbar, die von entsprechenden
Industrie- und Telekommunikationslösungen gefordert werden.
Bei Anwendungen mit hoher sequentieller Datenrate glänzt die X-60m mit bis
zu 525 beziehungsweise 450 MByte/s
Lese-/Schreib-Datenrate. Industrieanwendungen mit einem typischen Zugriffsmix
an kleinen verteilten Datenpaketen profitieren von einer Datenrate bis 75.000 IOPS
für Transfergrößen von 4 KByte und 32
offenen Operationen.
Swissbit AG, CH-9552 Bronschhofen
Telcona: Neu bei Telcona sind Clock-Oszillatoren mit Abmessungen von nur 1,6 ×
1,2 × 0,7 mm3, also in der Bauform 1612.
Der Frequenzbereich liegt zwischen 1000
und 80.000 MHz. Die Spannungsversorgung ist mit 1,6 bis 3,6 V sehr flexibel und
eignet sich wegen der niedrigen Strom-
Bild: Telcona
higkeit (in der Regel 20 Jahre nach Einführung). CPU und ECC-DDR3-Speicher
sind auf die Platine gelötet, was eine direkte Gehäusemontage erlaubt. Dies sorgt für
die beste Kühlung und vermeidet Wärmeleitungen. MPL bietet dieses Kühlkonzept
seit gut 16 Jahren an, dabei ist der Fit-andForm-Factor heute noch derselbe wie 1996.
Um extremen Bedingungen standzuhalten, ist der PIP30 neben dem StandardPIP-Gehäuse auch in einem MIL-Gehäuse sowie als Open-Frame verfügbar. Die
Lösung erfüllt EN50155, IEC-60945 sowie
MIL-STD-810G. Die Familie ist EN50155zertifiziert und wurde bereits für mehrere
Bahnanwendungen ausgeliefert.
MPL AG, CH-5405 Dättwil
Die Clock-Oszillatoren von Telcona beginnen bei
der Bauform 1612, also mit 1,6 × 1,2 × 0,7 mm3.
aufnahme von nur 2 mA im Betrieb und
10 µA im Standby-Modus auch für batteriebetriebene Geräte. Das Ausgangsignal
ist CMOS-kompatibel mit einer maximalen V DD-Spannung von -0,4 V. Das SignalTastverhältnis ist mit 50 % ±5 % sehr eng
gehalten. Das Ausgangssignal weist eine
Flankensteilheit von maximal 4,5 nS aus.
Die Frequenztoleranz ist von ±7 ppm bis
±50 ppm bei 25 °C entsprechend den
Anforderungen wählbar, die Frequenzstabilität von ±10 ppm in einem Temperaturbereich von -20 bis 70 °C bis ±15 ppm
von -40 bis +85 °C stellt hohe Ansprüche
an die eingesetzte Quarztechnologie. Der
Oszillator wird angeliefert in Rollen zu
3000 Stück und ist RoHS-konform. Größere Bauformen wie 2016 mit erweitertem
Frequenzbereich bis 100 MHz sowie 2520
sind ebenfalls erhältlich.
Telcona AG, CH-8154 Oberglatt
infoDIREKT
750ei0815
63
CH-Special
Das Unternehmen
Das Unternehmen
Firmenname:
Iftest
Firmenname:
Sensirion
Rechtsform:
AG
Rechtsform:
AG
Geschäftssitz:
Schwimmbadstrasse 43
CH-5430 Wettingen
Telefon: +41 56 437 37 37
Telefax: +41 56 437 37 50
E-Mail: [email protected]
Internet: www.iftest.ch
Geschäftssitz:
Laubisruetistr. 50
CH-8712 Staefa ZH
Telefon: +41 44 306 40 00
Telefax: +41 44 306 40 30
Internet: www.sensirion.com
Iftest AG – Ihr Systempartner
für Industrie- und Medizin-Elektronik
Realisieren Sie mit uns Ihre Entwicklungsprojekte und Serienproduktion.
Unsere Dienstleistungen:
+ Elektronik-Entwicklung
+ Leiterplatten-Layout
+ Leiterplatten-Bestückung
+ Prototypen & Industrialisierung/NPI
+ Kabelkonfektion
+ Gerätemontage
+ Baugruppen- und Geräteprüfung
Was Iftest ausmacht:
+ über 30 Jahre Erfahrung
+ 160 Mitarbeitende
+ 6000 m2 Betriebsfläche
Sensirion ist der führende Hersteller von Sensoren und Sensorlösungen zur
Messung und Steuerung von Feuchte, Gas- und Flüssigkeitsdurchflüssen.
Das 1998 gegründete Unternehmen mit Hauptsitz in Stäfa bei Zürich
beschäftigt weltweit rund 600 Mitarbeitende – unter anderem in den USA,
Südkorea, Japan, China, Taiwan und Deutschland.
Sensorkomponenten und
-lösungen von Sensirion
werden weltweit
eingesetzt, unter anderem
in der Automobilindustrie,
der Medizintechnik, der
Gebäudetechnologie, bei
Industrieprozessen oder in
Konsumgütern. Geforscht,
entwickelt und produziert
wird in der Schweiz.
Neu:
+ Erweitertes Modulkonzept für Bedien- und Anzeigeeinheiten (skalierbare
Displaygröße, Displayauflösung QVGA, VGA und WVGA, Touch-Bedienung
resistiv oder kapazitiv, komfortable GUI-Entwicklungsumgebung,
Echtzeit-Betriebssystem u.v.m.)
+ Online-Prototypen-Kalkulator unter www.iftest.ch/news-service
Das Unternehmen
Firmenname:
MPL
Rechtsform:
AG
Geschäftssitz:
Täfernstr. 20
CH-5405 Dättwil
Telefon: +41 56 483 34 34
Internet: www.mpl.ch
MPL innovative
Elektroniklösungen
MPL AG entwickelt und produziert
seit 1985 in der Schweiz robuste,
lüfterlose High-Tech-Elektronik
mit höchster Zuverlässigkeit,
niedrigstem Stromverbrauch,
erweitertem Betriebstemperaturbereich und langfristiger Verfügbarkeit. MPL-Lösungen sind weltweit im
Einsatz auf dem Land, im Wasser, in der Luft und im Weltraum.
• Embedded Computer – Lösungen mit Intel CPUs von Atom bis Quad Core i7
• Embedded CPU Boards – mit verschiedenen CPU-Architekturen
• Panel PCs
• Industrial Ethernet – Firewalls, Switches als Board oder System
Custom and OEM – Kundenspezifische Elektroniklösungen
MPL bietet direkten Support durch den Produktentwickler und kann eigenen
Bauteil-Einkauf & Lager-Reparaturen über Jahre garantieren. Der ProduktLife-Cycle-Support ist somit über Jahrzehnte sichergestellt.
64
CH-Special
Das Unternehmen
Das Programm
Firmenname:
Traco Electronic
Rechtsform:
AG
Geschäftssitz:
Sihlbruggstr. 111
CH-6340 Baar
Telefon: +41 43 311 45 11
Telefax: +41 43 311 45 45
Internet: www.tracopower.com
•
•
•
•
TRACO POWER steht für höchste Qualität und Beständigkeit
Die Firma TRACO ELECTRONIC AG mit Hauptsitz in Baar, Schweiz ist ein weltweit führender Anbieter von
industriellen Stromversorgungen. Für die Produktemarke TRACO POWER existiert ein globales Vertriebsnetz. Die Vertriebspartner haben Zugriff auf über 3500 Standardprodukte ab Lager Schweiz.
Mit 40-jähriger Erfahrung entwickelt
TRACO ELECTRONIC AG zuverlässige und
dauerhafte DC/DC-Wandler und
AC/DC-Schaltnetzteile für den
industriellen Einsatz. In den letzten
Jahren wurde die Produktepalette auch
spezifisch auf Märkte mit erhöhten
Anforderungen ausgebaut. Dies betrifft
im Wesentlichen die Bahntechnik,
Schwerindustrie sowie die Medizintechnik. Die zugeordneten Produkte verfügen
alle über die entsprechenden Sicherheitszulassungen.
•
DC/DC-Wandler-Module
1-300 Watt für PCB- oder Wandmontage
AC/DC-Schaltnetzteile
2-1000 Watt. Offene, im Gehäuse oder vergossene Module
DIN-Schienen-Stromversorgungen
12-960 Watt, diverse Zusatzmodule wie
Batterie-Management, Puffer, Redundanz
Medizinische Stromversorgungen
1-150 Watt, IEC/EN60601-1
Sicherheitszulassung für 2 x MOPP
DC/DC-Wandler für Bahnanwendung
8-300 Watt, geprüft nach EN50155
Standard
Die Leistung auf den Punkt gebracht
Mit der TMR-9-Serie präsentiert TRACO POWER
die weltweit ersten DC/DC-Wandler im
Standard SIP-8-Gehäuse, die eine isolierte
Spannung bei 9 Watt Ausgangsleistung bieten.
Damit haben
diese Wandler
gegenüber
herkömmlichen
SIP-Wandlern
eine um 50 %
höhere
Leistungsdichte.
Newsletter
Das Unternehmen
Firmenname:
Swissbit
Rechtsform:
AG
Geschäftssitz:
Industriestr. 4
CH-9552 Bronschhofen
Telefon: +41 71 913 0303
Telefax: +41 71 913 0315
Internet: www.swissbit.com
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Speicherlösungen, Swiss Quality – Made in Germany
Die umfassende Produktpalette mit
DRAM Modulen, SSDs, mSATA, Slim
SATA, CFast, CF, USB Drives, SD- und
µSD-Speicherkarten deckt die
anspruchsvollsten Anforderungen
aller Industriesegmente als auch
der Bereiche Automotive und
Telekommunikation ab. Für die
steigenden Sicherheitsanforderungen
des IoT und verschlüsselter Kommunikation hat sich Swissbit mit kryptographischen Speicherkarten zukunftssicher
positioniert.
Bild: Visual Concepts/fotolia.com
Swissbit ist der größte Hersteller von DRAM-Modulen und Flash-basierten
Speicherlösungen in Europa mit Niederlassungen in der Schweiz,
Deutschland, USA, Japan und Taiwan und ist bekannt für seine hochstehenden, langhaltigen, kundenfokussierten Lösungen und Services.
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16.07.2013
elektronik industrie 08
/2015 6515:41:32
Verzeichnisse/Impressum
Inserenten
Analog Devices
4. US
57
Beta LAYOUT Bürklin25
53
CTX Digi-Key Titelseite, 2. US
29
Display Dyconex61
5
EBV EKL 11
35
ELECTRONIC ASSEMBLY
ELESTA 61
Fischer3
FORTEC31
Titelseite
FTDI Chip GLYN
Titelseite, 21
61, 64
Iftest Ineltek 23
Kunze7
LC Design
27
61, 64
MPL
Nova43
39
RAFI RUTRONIK 9
37, 51, 55
Schukat
Schurter43
19
SE Spezial-Electronic SENSIRION 61, 64
61, 65
Swissbit
Telcona61
61, 65
TRACO Dynastream18
EBV Elektronik
22
EDT12
Enclustra62
Epcos56
Epsilon-Alcen10
Erni8
Exar44
26
Fortec Elektronik
Freescale9
FTDI12
Fujitsu18
Geze22
Glyn12
Honeywell Esser
22
IAR40
Iftest62
Indium10
Ineltek59
Infratron25
Intel62
IS-Line25
47
KDM Magnetic Powder Cores
Keysight7
Linear Technology
48
Magnachip59
47
Manz Electronic Systeme
Mathworks40
Maury Microwave
7
Maxon Motor
62
MES Electronic Connect
7
Microchip36
Microsoft62
Milton Ross Composants
10
Minatec10
MPL62
Nest22
Nordic Semiconductor
18
NTCE8
Orange22
Panasonic10
60
Peter Spuhler
Red-Frequency25
Reichelt20
Rep-Rap16
18
RF Digital
Rochester Electronics
9
Rocktouch26
Rohde & Schwarz
7
16
RS Components
Rutronik Elektronische Bauelemente 18
Schukat25
Schurter
28, 62
Sensirion62
31
Shantou Goworld
Siemens Building Technologies
22
ST Microelectronics
10
STW Sensor-Technik Wiedemann
8
Swissbit62
Telcona62
Thales Alenia
10
Trafox47
Transphorm52
TU München
9
22
TÜV Rheinland
Tyco22
Varta Microbattery
22
Wago22
Xilinx62
Unternehmen
Advanced Interconnections
25
Altera62
Altrac62
AMS25
Analog Devices
40
Anritsu7
aPSI 3D
10
ARM40
Artesyn62
Atmel
22, 32, 39, 59
AU Optronics
39
Avnet22
Bedek47
Bosch Sicherheitssysteme
22
BSW7
CEA Leti
10
CEM20
Comp-Mall31
Corenetics22
Data Modul
39
Distec35
Dorma22
DS&A10
Impressum
www.elektronik-industrie.de IHRE KONTAKTE:
Abonnement- und Leserservice:
46. Jahrgang
Tel: +49 (0) 8191 125-777, Fax: -799
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REDAKTION
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Dr.-Ing. Achim Leitner (lei)
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Freie Mitarbeiter: Christoph Hammerschmidt (ch), Jessica Mouchegh (mou)
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Produktmanager Online: Philip Fischer
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Art Director: Jürgen Claus
Layout und Druckvorstufe: Karin Köhler, Aida Saljic
Druck: pva GmbH, Landau
© Copyright Hüthig GmbH 2015, Heidelberg.
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übernommen werden. Die Zeitschriften, alle in ihr enthaltenen Beiträge
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aller Art sowie entsprechender Vervielfältigung und Verbreitung, das Recht
zur Bearbeitung, Umgestaltung und Übersetzung, das Recht zur Nutzung
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zur Veröffentlichung in Datennetzen sowie Datenträger jedweder Art, wie
z. B. die Darstellung im Rahmen von Internet- und Online-Dienstleistungen, CD-ROM, CD und DVD und der Datenbanknutzung und das Recht, die
vorgenannten Nutzungsrechte auf Dritte zu übertragen, d. h. Nachdruckrechte einzuräumen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen und dergleichen in dieser Zeitschrift berechtigt
auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zur Annahme, dass solche
Namen im Sinne des Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als
frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen.
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Mit Namen oder Zeichen des Verfassers gekennzeichnete Beiträge stellen
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Auslandsvertretungen
Schweiz, Liechtenstein:
Katja Hammelbeck, Interpress
Bahnhofstrasse 20 A, Postfach, CH-8272 Ermatingen,
Tel: +41 (0) 71 663 77 85, Fax: +41 (0) 71 663 77 89,
Österreich, Großbritannien, USA, Kanada:
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1925 wagte Verleger Dr. Alfred Hüthig (1900 – 1996) die Gründung eines Fachverlages. Und es wurde eine Erfolgsgeschichte.
Dr. Alfred Hüthig machte den nach ihm benannten Verlag zu einem der größten und erfolgreichsten Fachverlage in Deutschland.
Seit 1999 ist der Hüthig Verlag Teil der Mediengruppe Süddeutscher Verlag in München. Und auch heute zählt der Hüthig Verlag
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06.08.2014
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VON DER DEKA RESEARCH
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Diese fortschrittlichste Armprothese
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damit zu mehr Lebensqualität verhilft.
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