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D 19067 · Juli 2011 · Einzelpreis 19,00 € · www.elektronik-industrie.de

07/2011

Das Entwickler-Magazin von all-electronics

Analog-ICs/Mixed Signal-ICs

Komparator: Einfaches Bauteil bei

dem es einiges zu beachten gibt,

damit es klappt Seite 22

Quarze/Oszillatoren

Gute Rausch- und Jitter-Werte

ermöglichen MEMS-Oszillatoren

auch Funkanwendungen Seite 50

Was ist PXImc

Standard für die Kommunikation

zwischen zwei Systemen mithilfe

von PCI oder PCI Express Seite 58

Flexible Motorsteuerungen mit FPGAs

Hohe Flexibilität und Performance mit effi zientem Design-Ablauf Seite 18

www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 07 / 2011 3

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Editorial

Nur für

Feinschmecker

Ist Strom sparen

angesagt

Siegfried W. Best,

Chefredakteur elektronik industrie

„Der Stromausfall fällt aus“ titelte die Süddeutsche Zeitung in ihrer Pfingstausgabe

und kommt zu dem Schluss, dass sämtliche Kernkraftwerke sogar bis

2017 vom Netz gehen könnten, ohne dass die Versorgung darunter leidet. Begründung

ist, dass sich die Stromkonzerne bereits seit 10 Jahren auf den Atomausstieg

eingestellt haben und genügend neue Kraftwerke gebaut werden.

Nicht berücksichtigt wurde bei der Betrachtung die Tatsache, dass man alleine

durch den Ersatz der Steckernetzteile beziehungsweise der Reduzierung des

Stand-by-Stromes auf Null ein Atomkraftwerk

einsparen kann. In Beiträgen

in der vor ihnen liegenden Zeitschrift

habe ich schon vor Jahren belegt,

dass bei durchschnittlich fünf

Steckernetzteilen in jedem der heute

40 Mio. Haushalte mit 3 W im Standby

(und das ist gering angesetzt) die

Summe von 0,6 GW eingespart werden

könnte. Und in einem weiteren

Beitrag in Ausgabe 3-2004 haben wir

eine pfiffige Idee der Hochschule Regensburg

vorgestellt, ein Ökonetzteil

mit Null Watt Stand-by. Bei dieser

simplen Lösung wird die gleichgerichtete

Spannung der Sekundärseite eines normalen Steckernetzteils einem Komparator

zugeführt, der bei Unterschreiten einer Mindestspannung einen Triac-

Optokoppler schaltet, der die Primärseite nur dann durchschaltet, wenn eine

Last angeschlossen ist. Diese zum Patent angemeldete Lösung wird bis heute

von keinem Netzteilhersteller eingesetzt . Hat die Stromerzeuger-Lobby dieses

und ähnliche Patente kassiert

Apropo Komparator, ein Beitrag in diesem Heft befasst sich mit diesem einfachen

Bauteil, bei dem aber doch einiges zu beachten ist.

Und wenn wir gerade bei Bauelementen im Zusammenhang mit Stromeinsparung

sind: Es ist doch beachtlich, welche Anstrengung die IC-Hersteller

machen, um effiziente Lösungen zu bieten. So ist im neuesten System-Powermanagement-IC

(PMICs) von Dialog Semiconductor das Herzstück, das für

die Effizienz zuständig ist, ein Cortex-Prozessor von ARM.

Wir bleiben dran am Thema.

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Inhalt

Juli 2011

Coverstory

22

Komparatoren

Zwischen zwei Spannungen

bestimmen sie, welche die

größere ist. Beim Einsatz sind

zahlreiche Spezifikationen zu

beachten, auf die näher eingegangen

wird.

18

Flexible Motor-Steuerungen

Der Einsatz von Elektromotoren mit variablen Geschwindigkeiten

ist wünschenswert, um die Energieeffizienz zu

verbessern. Allerdings erfordern diese Motoren komplexere

Regelungs-Algorithmen, für deren Implementierung

FPGAs einige Vorteile bieten.

50

MEMS-basierende

Oszillatoren

Nachdem MEMS-Oszillatoren

sich in puncto Phasenrauschen

und Jitter stark

verbessert haben gibt es

erneut die Diskussion

Quarz versus MEMs.

Märkte + Technologien

06 Jubelstimmung auf der PCIM

Leistungselektronik im Aufschwung

dank der Themen Energieeffizienz,

Elektromobilität und Smart Grids

11 Polo 40G-Chip für 40 Gb/s

Coherent-Netzwerke

Cloud Computing erfordert Bandbreite

12 Phoenix Testlab

Testlabor für Lithium-Ionen-Batterien

eröffnet

14 News und Meldungen

16 Sensor+Test 2011

Zufriedenheit auf breiter Front

Coverstory

18 Flexible Motor-Steuerungen

mit FPGAs

Hohe Flexibilität und Performance mit

effizientem Design-Ablauf

Analog-ICs/Mixed-Signal-ICs

22 Der Komparator

Einfaches Bauteil – trotzdem viel zu

beachten

27 Highlight

Intel

28 Smartcard-Batterielaufzeit von

über 8 Jahren

16-Bit-Mikrocontroller mit integriertem

EPD-Treiber

33 Highlight

Duracell

34 Wechselstromschalter

Steuerung per Opto-Triac

37 Welligkeitsmessung an Netzteilen

Hochfrequente Impulsspitzen

eliminieren

38 ESR-Anforderungen für stabile

Spannungsregler

Auf einfache Weise ermittelt

42 Energiewende und was nun

Kleine Stand-by-Netzteile bieten

enorme Sparpotenziale

46 Zwei starke Typen

Wie man sich am besten für eine

lineare oder eine getaktete AC-

Leistungsquelle entscheidet

48 Neue Produkte

Leserservice infoDIREKT:

Zusätzliche Informationen zu einem Thema erhalten

Sie über die infoDIREKT-Kennziffer. So funktioniert’s:

• www.elektronik-industrie.de aufrufen

• Im Suchfeld Kennziffer eingeben, suchen

Stromversorgungen

30 Für modernes Power-Management

Regler-ICs mit integrierten FETs für

Ströme bis 10 A

Quarze/Oszillatoren

50 Mit MEMS präzise im Takt

MEMS-basierende Oszillatoren

53 Neue Produkte

4 elektronik industrie 07/2011

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58

Inhalt

Juli 2011

Was ist PXImc

Der PXImc-Standard (PXI Multi

Computing) legt die Hard- und

Softwareanforderungen fest,

aufgrund derer zwei oder mehr

intelligente Systeme miteinander

verbunden werden können.

64

Drachenstich der Moderne

16 m lang und das Innenleben eines Automobils, das ist der ferngesteuerte Drache

Tradinno, dessen Elektronik wir auf der Seite High Tech Toy zeigen.

Embedded

56 Wenn Low Power gefragt ist

CompactPCI Zentraleinheit ist sparsam

Messtechnik

58 Was ist PXImc

Herstellerübergreifend mehrere intelligente

Systeme verbinden

61 Neue Produkte

Rubriken

03 Editorial

Ist Strom sparen angesagt

62 Gewinnspiele

64 High Tech Toys

Drachenstich der Moderne

66 Impressum

66 Verzeichnisse

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Märkte + Technologien

Jubelstimmung auf der PCIM

Leistungselektronik im Aufschwung dank der Themen Energieeffizienz,

Elektromobilität und Smart Grids

Die Leistungselektronik boomt – das verdeutlichte eine brummende PCIM Europe, die im Vergleich zum starken

vergangenen Jahr nochmals zulegen konnte: sowohl was Ausstellerzahl und Ausstellungsfläche als auch die Zahl

der Fachbesucher sowie der Konferenzteilnehmer betraf. Hauptgrund: Die Aussteller glänzten mit etlichen neuen

Technologien und Produkten.

Autorin: Stefanie Eckardt

Bild: Semikron

Bild: Mitsubishi Electric

Bild: Fairchild Semiconductor

Bild: International Rectifier

Mit Semikrons SKiN-Technologie lässt sich

komplett auf Bonddrähte verzichten.

Im Vergleich zu Vorgängerversionen sorgen die

neuen IPM von Mitsubishi für eine niedrigere

Verlustleistung bei gleichen Gehäusemaßen.

Der auf der Shielded-Gate-MOSFET-Technologie

basierende FDMS86500L von Fairchild punktet

mit niedrigen Schaltverlusten.

Auf 13.300 Quadratmeter (2010

waren es 11.300 Quadratmeter)

präsentierten sich in Halle 12 stolze

298 Austeller den 6653 Fachbesuchern.

Das sind fünf Prozent mehr als im

vergangenen Jahr, wo die Mesago PCIM

6319 Fachbesucher und 254 Aussteller verzeichnen

konnte. Auch die Konferenz legte

von 619 um 177 auf 736 Teilnehmer zu. Die

Aussteller selbst waren mehr als zufrieden:

„Es war die stärkste PCIM Europe der letzten

Jahre“, kommentierte Bernd Haberzettl,

Manager PR & Communication von Glyn

in Idstein. Grund für den Ansturm sind zu

einem guten Teil auch neue Technologien

und Produkte, beispielsweise Semikrons

moderne Verbindungstechnologie oder Siliziumkarbid-basierte

(SiC) Bausteine von

Semisouth oder Cree.

Good bye Bonddrähte

Semikron hat eine Verbindungstechnologie

für Leistungshalbleiter vorgestellt, die

bonddraht-, lot- und wärmeleitpastenfrei

ist. Die moderne SKiN-Technologie ersetzt

Bonddrähte durch eine flexible Folie sowie

Lötverbindungen und Wärmeleitpaste

durch Sinterverbindungen. So lässt sich eine

Verdoppelung der Stromdichte mit 3 A/

cm 2 erzielen – im Vergleich zur Standard-

Verbindungstechnik mit Bonddrähten, bei

denen die Stromdichte 1,5 A/cm 2 beträgt.

Das Volumen eines Umrichters wird dadurch

um 35 % reduziert. Einsatzbereiche:

Umrichter in Fahrzeugen und Windkraftanlagen.

So lässt sich zum Beispiel ein

3-MW-Windumrichter in einem Schaltschrank

unterbringen. Vorteil der SKiN-

Technologie: Die gesinterte Folie bindet

den Chip vollflächig an – im Gegensatz zu

Bonddrähten, die nur an den Kontaktstellen

verbunden werden. Aufgrund der hohen

Lastwechselfähigkeit ermöglicht die

Mit IR‘s Wide-Lead-Gehäuse lässt sich der Leitungswiderstand

reduzieren und der Strom erhöhen.

Verbindungstechnologie höhere Betriebstemperaturen,

die sich bei Materialien, wie

SiC und Galliumnitrid (GaN) ohne Kompromisse

optimal nutzen lassen.

Nachdem Mitsubishi Electric zur PCIM

2010 die vierte Generation der Super-Mini-DIPIPM

vorstellen konnte, warteten die

Japaner dieses Jahr mit der 5. Generation

für dreiphasige DC/AC-Umwandlung auf.

Einsatzfelder: Anwendungen im unteren

Leistungsbereich, wie Haushaltsgeräte und

kleinere Industrieantriebe. Die Module

sind für Nennströme von 5 bis 15 A bei einer

Nennspannung von 600 V ausgelegt

und setzen auf Mitsubishis moderne Full-

Gate-CSTBTTM-Technologie, die für weniger

Verluste sorgt. Auf Grund der Pin-

Kompatibilität und identischen Gehäusemaßen

von 38 mal 24 mm kann diese Serie

die frühere Super Mini-DIPIPM-Familie

der 4. Generation problemlos ersetzen.

Weitere Vorteile: Die IPM verfügen über

integrierte Bootstrap-Dioden sowie einen

Open Emitter-Aufbau auf der N-Seite. Darüber

hinaus sind Funktionen zum Schutz

vor Kurzschlüssen (SC), Unterschreiten

der Versorgungsspannung und Übertemperatur

implementiert; für den Fehlerfall

ist die Ausgabe eines entsprechenden Fehlersignals

vorgesehen.

Leistungshalbleiter im Fokus

Mit neuen Entwicklungen konnten auch

Leistungshalbleiterhersteller, wie International

Rectifier, Fairchild, Toshiba, Rohm,

Semisouth oder Cree aufwarten. IR hat einen

MOSFET für Automotive-Applikationen

mitgebracht, dessen Besonderheit im

modernen Wide-Lead-Gehäuse liegt. Damit

lässt sich nicht nur der Leitungswiderstand

im Vergleich zu herkömmlichen TO-

262-Gehäusen um 50 % reduzieren. Resultat:

Weniger Leitungsverluste und eine

niedrigere Erwärmung in den Zuleitungen.

Der Entwickler profitiert zudem von einem

30 % höheren Strom. Die Kalifornier haben

6 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

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Das komplette Stromversorgungsprogramm

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• Alle Werte im grafischen Display

• Flexible Ausgangsstufe

• Speicherbare Gerätekonfiguration

• Integrierte Sequenz-Funktion

• Innenwiderstandsregelung

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• Alle Werte im grafischen Display

• Flexible Ausgangsstufe

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IEEE / Ethernet / RS232 / USB /

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Serie PSI 800 R

• Leistungen 320W bis 1500W

• Spannungen 16V bis 360V DC

• Ströme 5A bis 60A

• μ-Prozessor gesteuert

• Einbaugehäuse

• Alle Werte im grafischen Display

• Flexible Ausgangsstufe

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IEEE / Ethernet / RS232 / USB /

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• Einbauversion und 19“-Einschub

• Alle Werte im grafischen Display

• Programmierbar für alle Lithium-Batterien

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Analog / CAN / Ethernet / RS232

USB / Profibus / Bedienersoftware

Batterieladegeräte

für alle aufladbaren Blei-Batterien

• Leistungen 160W bis 3000W

• Spannungen 12V bis 720V DC

• Ströme 5A bis 120A

• μ-Prozessor gesteuert

• Einbauversion und 19“-Einschub

• Programmierbar für alle Blei-Batterien

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Märkte + Technologien

Bild: Cree

Bild: Rohm Semiconductor Bild: SemiSouth

SiC-basierte Leistungs-MOSFETs für niedrige

Amperezahlen: die Z-FET-1200-V-Serie.

Für PFC-Schaltungen in Schaltnetzteilen und netzbetriebenen

Schaltungen vorgesehen: die Presto-MOS-Baureihe.

Schneller JFET mit niedrigem On-Widerstand

von 45 mOhm: der SJDP120R045.

die Bausteine für allgemeine THT-Anwendungen im Schwerlast-/

Hochleistungsbereich entwickelt, die einen niedrigen Einschaltwiderstand

(R DS(on)

) benötigen. Einsatzbereiche: elektrische Servolenkungen

oder Batterieschalter zum Einsatz in Kraftfahrzeugen mit

Verbrennungsmotor sowie in Mikro- und Vollhybrid-Autos.

Fairchild stellte einen 60-V-Power-Trench-MOSFET vor, mit

dem sich nach Herstelleraussagen kleine Stromversorgungen, eine

hohe Leistungsdichte und große Design-Effizienz realisieren lassen.

Der N-Kanal-Power-Trench-MOSFET FDMS86500L wurde

für DC-DC-Stromversorgungen, Motorsteuerungen, Hot-Swapund

Lastschaltanwendungen, aber auch für sekundärseitige synchrone

Gleichrichter von Servern konzipiert. Die in einem 5 mal 6

mm großen Power-56-Gehäuse untergebrachte Komponente erzielt

einen On-Widerstand von 2,5 mΩ bei V GS

= 10 V und I D

=25

Wir sind sehr zufrieden mit der

Anzahl und Qualität der Kontakte.

Bereits am Dienstag war der

Andrang sehr stark und fl aute auch bis

Messeende nicht ab:

Adalbert Ströhle , Director Sales Europa, Marketing

and Communication bei der Vacuumschmelze in

Hanau.

A, was in niedrigen Leitungsverlusten resultiert. Darüber hinaus

zeichnet sich der auf der Shielded-Gate-MOSFET-Technologie basierende

FDMS86500L durch sehr niedrige Schaltverluste (Q GD

14,6 nC typisch) aus. Weiterer Vorteil: hoher Gütefaktor, moderne

Body-Dioden-Technologie für eine sanfte Abschaltcharakteristik

sowie ein robustes MSL1-Gehäuse-Design.

DTMOS-III heißt die 600-V-Superjunction-MOSFET-Serie von

Toshiba, die die Japaner nach Nürnberg mitbrachten. Der Hersteller

schreibt es sich auf die Fahne, ein verbessertes Zusammenspiel

von Wirkungsgrad und EMV-Verhalten bei seinen Komponenten

erzielt zu haben durch eine ideale Kombination aus p/n-Säulen

und ebener MOS-Struktur. Dadurch ließ sich das C GD

/C DS

-Verhältnis

verbessern, was wiederum in einem besseren Schaltverhalten

resultiert. Zudem punkten die Bauelemente mit niedrigem On-

Widerstand und daraus folgend weniger Schaltverluste. Im Vergleich

zu der ersten Generation dieser MOSFETs ist der R DS(on)

nunmehr 22 Prozent niedriger. Endergebnis: Effiziente Stromversorgungen

mit niedrigem Rauschen.

Rohm Semiconductor hat seine für PFC-Schaltungen in Schaltnetzteilen

und netzbetriebenen Schaltungen vorgesehene MOS-

FET-Familie Presto-MOS ausgebaut. Die Bauelemente sind in diversen

Gehäusekonfigurationen für SMD- (CPT/D-PAK, LPT/

D2-PAK) und THT-Montage (z. B. TO3-PF) verfügbar. Vorteile:

kurze Sperrverzögerungszeiten (t rr

), hohe Schaltgeschwindigkeit,

hoher Wirkungsgrad und niedrige Verluste. Einsatzbereiche: integrierte

Wechselrichter, Beleuchtungen, Motortreiber, Solar-Batterien,

Power-Conditioner oder HF-Brückenschaltungen. Gestützt

auf eine ionenbasierte Produktionstechnologie und moderne

Hochspannungs-Prozesse, erzielt die Serie einen kleinen R DS(on)

,

einen niedrigen Q G

-Wert und eine hohe Schaltgeschwindigkeit,

was die Wechselrichter-Effizienz verbessert und den externen Bauteileaufwand

reduziert. Durch die integrierte Body-Diode mit

niedrigem t rr

-Wert ist eine externe Fast-Recovery-Diode überflüssig,

so dass nur wenig Leiterplattenfläche benötigt wird.

Siliziumkarbid einsetzen

Die Zeichen stehen pro SiC – aber JFET oder Mosfet Semisouth

setzt auf Ersteres und hatte mit dem SJDP120R045 einen

schnellen JFET (Normally-On) im Gepäck, der mit einem niedrigen

On-Widerstand von 45 mΩ bei 1200 V punktet. Der Baustein

ist für Applikationen, wie PV-Wechselrichter, Schaltnetzteile, Induktionserwärmung,

USVs, Windkraftanwendungen oder Motorsteuerungen

gedacht. Der R DS(on)

wird durch eine relativ kleine

Chipfläche möglich, die durch minimale Gatespannung und Eigenkapazität

effizienten HF-Betrieb ermöglicht. Neben dem positiven

Temperaturbeiwert, durch den sich parallel schalten lässt,

kann der JFET bis zu seiner Höchstbetriebstemperatur von 175 °C

reststromfrei und schnell schalten. Der Hersteller stellt die Komponente

auch ohne Gehäuse für die modulare Integration zur Verfügung.

Produktfamilie und Semisouth‘ SiC-Dioden überzeugten

auch Modulhersteller Vincotech – Partnerschaft inklusive.

Auf einen Blick

Energieeffizienz, Umweltbewusstsein

und Qualität

Fukushima hat Deutschland aufgerüttelt. Für die Energiewende spielt

die Leistungselektronik keine untergeordnete Rolle. Die PCIM zeigte

es deutlich, dass erneuerbare Energien, allen voran Windkraft und

Photovoltaik, sich zu den wichtigsten Einsatzbereichen für Leistungsbausteine

gemausert haben. Entscheidend dabei: Leistungshalbleiter,

Passive und Co. sollen in der Endapplikation für die höchstmögliche

Energieeffi zienz sorgen. Dabei spielt die Materialfrage der Bausteine

eine wichtige Rolle. Mit Siliziumkarbid und Galliumnitrid stehen zwei

Halbleitermaterialien in den Startlöchern, die hierbei ein Wörtchen

mitzureden haben.

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8 elektronik industrie 07 / 2011

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Märkte + Technologien

Bild: Toshiba

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22 Prozent niedriger ist der On-Widerstand der DTMOS-III-

MOSFETs, verglichen mit Toshibas ersten Generation.

Cree macht sich für die MOSFET-Variante stark. Nachdem der

Hersteller mit dem CMF20120D Anfang des Jahres bereits einen

SiC-basierten Leistungs-MOSFET in den Markt eingeführt hat,

stellte der Hersteller nun die Z-FET-1200-V-SiC-Familie für niedrige

Amperezahlen vor. Sie soll für erhebliche Energieersparnis bei

Solar, Stromversorgungs- und Antriebs-Applikationen im Bereich

von 3 bis 10 kW sorgen. Der Baustein ist bei seiner Betriebstemperatur

von 100 °C für 12 A und Sperrspannungen von 1200 V spezifiziert.

Bei 25 °C weist er einen R DS(on)

von 160 mΩ auf.

Im Vergleich zu Silizium-Schaltbausteinen mit ähnlichen Daten

bleibt der R DS(on)

der Komponente über den gesamten Betriebstemperaturbereich

hinweg unter 200 mΩ, was zu um bis zu 50 % niedrigeren

Schaltverlusten führt. Auch der Systemwirkungsgrad fällt

erheblich höher aus und sorgt für weniger Wärme. Zusammen mit

dem geringen Leckstrom von


Märkte + Technologien

Bild: AVX Bild: Magnetec Bild: VAC

Links: AVX knackte mit

TCJ-Tantalkondensatoren

die 100-V-Grenze

bei der Nennspannung.

Mitte: Sorgen für eine

Reduzierung von

Motorlagerströmen: Die

Ringbandkerne Cool

Blue von Magnetec.

Rechts: Verbessern die

Entstöreigenschaften

von SKDs: Ringbandkerne

aus nanokristallinem

Vitroperm von der VAC.

ren Produkte. Einsatzbereiche: Stromversorgungen für Notebooks,

Telekommunikationsgeräte oder LED-Fernseher. Besonderheit:

das Passieren der Grenze von 100 V. Der Hersteller konnte diesen

Baustein entwickeln, weil er nicht nur seine Verfahren zur Optimierung

der Kondensatorleistung, sondern auch die Zusammenarbeit

mit den Polymerzulieferern verbessern konnte. Vorteil: Leitfähige

Polymere verfügen über einen niedrigen ESR und hohe

Flammpunkte. Darüber hinaus kann aufgrund der Spannungsfestigkeit

von Polymerkondensatoren eine geringere Lastminderung

von 20 % angesetzt werden. Bis jetzt wurde die Betriebsspannung

von Tantal-Polymerkondensatoren jedoch durch die maximal realisierbare

Durchschlagspannung begrenzt. „Die neuen Entwicklungen

von AVX im Bereich der Polymertechnik sind genau auf

das Problem der begrenzten Betriebsspannung ausgerichtet“, betont

Martin Bárta, FAE Technical Marketing der Tantalum Devision

bei AVX in Lanškroun. „Wir gehen davon aus, dass wir zukünftig

Produkte mit noch höheren Nennspannungen realisieren können.“

Entwicklungsmuster sind ab Juli 2011 erhältlich.

Auf dem Stand der Vacuumschmelze ließen sich stromkompensierte

Entstördrosseln besichtigen, die mit Ringbandkernen aus

Infokasten

Junge Ingenieure braucht das Land!

Aus zahlreichen eingegangenen Einreichungen vergab die Jury, bestehend

aus den Konferenz-Direktoren, diesmal für folgende Beiträge

den Young Engineer Award:

■ Johannes Kolb , Karlsruher Institut für Technologie (KIT): „A novel

control scheme for low frequency operation of the Modular Multilevel

Converter”

■ Anna Mayer , Universität der Bundeswehr München : „Control concept

of the Modular High Frequency – Converter for vehicle applications”

■ Hitoshi Uemura , Mitsubishi Electric Corporation, „Optimized Design

Against Cosmic Ray Failure for HVIGBT Modules“

Der Best Paper Award 2011 ging an Sebastian Liebig von Liebherr-

Elektronik . Er setzte sich mit seiner Arbeit „Concept and prototyping

of an active mains fi lter for aerospace application“ gegenüber 200

Mitbewerbern durch.

dem nanokristallinen Magnetwerkstoff Vitroperm aufgebaut sind.

Das Kernmaterial vereint in einer Legierung Permeabilitätswerte

in einem Bereich von etwa 5000 bis über 150.000 sowie eine Sättigungsinduktion

von 1,2 T. Resultat: Die Materialeigenschaften sorgen

für ein um den Faktor 3 reduziertes Bauvolumen. Trotz hoher

Induktivitätswerte der Drosseln lassen sich die Windungszahlen

niedrig und der Kupferquerschnitt groß halten, was die Wicklungsverluste

minimiert und den Systemwirkungsgrad erhöht.

Nanokristalline Funkentstördrosseln überzeugen mit einem

breitbandigen Dämpfungsverhalten, das im niederfrequenten Bereich

durch die hohe Materialpermeabilität und im höherfrequenten

Bereich durch die niedrige Wicklungskapazität beschrieben

wird. Dadurch lässt sich der Aufwand an kapazitiven Entstörmaßnahmen

reduzieren oder sogar durch eine Filterstufenreduzierung

die Zahl der passiven Bauteile verringern. Die nanokristalline

stromkompensierte Funkentstördrossel-Familie UL1446 ist nach

der EN50178 ausgelegt und eignet sich für Netzbetrieb als auch für

hohe DC-Spannungen von über 1000 V. Applikationsfeld: EMV-

Filter auf der Netzseite von Solarwechselrichtern oder panelseitig

am Wechselrichtereingang.

Auch der Langenselbolder Hersteller Magnetec setzt auf nanokristalline

Werkstoffe. Zur PCIM ließen sich auf dem Messestand

Cool-Blue-Ringbandkerne aus Nanoperm besichtigen, die zum

Einsatz kommen, um schädliche Motorlagerspannungen/-ströme

bei Umrichter-Antriebssystemen mit hoher Leistung sowie hohen

Taktfrequenzen zu reduzieren. Mit einem gezielten Einsatz der

Komponenten lassen sich – neben minimierten Überspannungen

an den Motorklemmen – auch die durch parasitäre Ableitkapazitäten

des Motorkabels und des Motors verursachten asymmetrischen

Störströme erheblich unterdrücken. Dazu müssen lediglich die

Verbindungsleitungen im DC-Zwischenkreis oder am Umrichter-

Ausgang gemeinsam durch einen oder mehrere Cool-Blue-Kerne

mit geeigneter Geometrie geführt werden. Die Wirkung entspricht

der einer Gleichtakt-Drossel. Vorteile: lange Lebensdauer der eingesetzten

Motorlager, keine Ausfallzeiten und niedrige Kosten,

weil Anlagenstillstand und Wartung vermieden wird.

Fazit: Die PCIM platzt zwar noch nicht aus den Nähten, der Zuwachs

ist allerdings beachtlich. So war beispielsweise erstmals ein

chinesischer Gemeinschaftsstand zu betrachten. Die Themen

Energieeffizienz und Nachhaltigkeit standen aufgrund derzeitiger

politischer Energie- und Elektromobilitätsdiskussionen eindeutig

im Vordergrund. Spannend bleibt auch der Punkt, wie sich die Materialfrage

– SiC versus GaN – weiterentwickelt.


Die Autorin: Stefanie Eckardt, Redaktion all-electronics

und elektronikJOURNAL in Landsberg/Lech.

10 elektronik industrie 07 / 2011

www.elektronik-industrie.de

06_PCIM Nachbericht (eck).indd 10 30.06.2011 12:01:44


Märkte + Technologien

Polo 40G-Chip für 40 Gb/s Coherent-Netzwerke

Cloud Computing erfordert Bandbreite

Bild 1 (links):

Blockschaltbild

des Polo 40G

Chip mit

Sende- und

Empfangspfad.

Bild 2 (rechts):

Mit dem Polo 40G

Chip deckt

PMC-Sierra die

künftigen

Anforderungen

an Bandbreite in

optischen

Netzwerken ab.

Der zunehmende IP Traffic und die Anforderungen

des Cloud Computing bedingen

ein Upgrade des Weitverkehrsnetzes besonders

mit Lichtwellenleitern. Bei den bestehenden

40G- und 100G-Übertragungsraten

wird aber das optische Signal beeinträchtigt.

Mit Coherent-Netzwerken kann

diese Beeinträchtigung überwunden werden.

Der für Coherent-Netzwerke von

PMC-Sierra entwickelte Polo 40G-Chip

verdoppelt nun die Linecard-Portdichte,

verbessert die optische Leistung und bringt

25 Prozent mehr Reichweite in Metro-, Regional-

und Weitverkehrs-Netzwerken.

Durch die Anwendung der Coherent-

Netzwerktechnik ergeben sich große Ersparnisse

sowohl bei der Infrastruktur wie

auch bei den Betriebskosten. Dies durch

den Wegfall von DCF (Dispersion Compensated

Fibre) und DCM (Dispersion

Compensated Management), die sonst

beispielsweise alle 80 km installiert werden

müssten.

Im Betrieb kann auch eine beachtliche

Kostenersparnis erzielt werden, da die Betreiber

die Portdichte erhöhen (statt heutiger

Lösungen, die 2…3 Slots einnehmen,

wird nur noch ein Slot benötigt) und die

Leistungsaufnahme um bis zu 50 Prozent

senken können. Auch sinken die Kosten für

die Wartung durch den Wegfall von Komponenten.

Das Bild 1 zeigt das Blockdiagramm

des Polo 40G-Chips mit Sende- und

Empfangspfad. Der Empfangspfad wird gebildet

mit dem Serdes Framer Interface 5.12,

dem 40G Phy, dem OTN Framer nach

OTU3 und der Fehlerkorrektur (Swizzle

FEC Engine). Nach der 40G Polarization

Encode Unit folgt die Modulation Engine,

die schließlich die Daten und den Takt bereitstellt.

Im Sendepfad gelangen die Daten

zur 4x25GS/S ADC Engine, die die Daten

zur DSP Engine weitergibt, gefolgt vom 40G

Polarization Aligner mit nachfolgender FEC

und dem OTN Framer. Der Polo-Chip arbeitet

mit Cavity-Laser zusammen. (sb) n

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432ei0711

SenSationell Schnell.

BahnBrechend Stark.

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Oszilloskope neu definiert.

Erfahren Sie mehr über die neuen InfiniiVision 3000 X-

und 2000 X-Serien von Agilent unter www.datatec.de

DT_AZ_210x103_ElektronikIndustrie.indd 11_PMC-Sierra_432 (sb).indd 11 1 30.06.2011 04.05.11 12:04:06 09:22


Märkte + Technologien

Micro electronic vertreibt Plessey

Distributionsvertrag für D-A-CH

NI macht sich noch stärker

AWR und Phasemetrix gekauft

Bilder: Linear Technology/National Semiconductor

Der Baueteile-Distributor Micro electronic

und der englische Halbleiterhersteller Plessey

Semiconductors haben einen Distributionsvertrag

für Plessey-Produkte in der

Region D-A-CH geschlossen. „Die Plessey-

Produkte sind eine hervorragende Ergänzung

zu unserem bisherigen Produkt-Portfolio

und decken eine Vielzahl von Funktionen

und Eigenschaften ab, die unsere

Kunden erwarten,“ erklärt Horst Behr, Geschäftsführer

der micro electronic GmbH,

und ergänzt: „Vor allem garantiert uns die

Vereinbarung mit Plessey eine noch engere

Zusammenarbeit und die zuverlässige Ver-

Die Analog-IC-Welt hat zwei Champions verloren

Bob Pease und Jim Williams

Jim Williams, der langjährige Chef-Designer

der Linear Technology Corp., ist am 12.

Fast zeitgleich verstarben zwei der weltweit

bekanntesten Analog-IC-Entwickler: Jim Williams

(links) und Bob Pease.

Horst Behr (micro electronic) und rechts Dennis

Gross (Plessey) unterzeichneten den Vertrag.

sorgung unserer Kunden mit hochwertigen

und technologisch führenden Produkten

für die Fertigungs-, Kommunikations-,

Medizin- und Automobilindustrie sowie

viele weitere Anwendungsgebiete.“

infoDIREKT

546ei0711

Juni 2011 verstorben. Williams, der seine

Kariere beim MIT und dann bei National

Semiconductor startete, arbeitete fast drei

Jahrzehnten für Linear Technology, war ein

legendärer analoger Schaltungstechniker,

Designer, Problemlöser, Schriftsteller und

Mentor für viele Ingenieure. Nur wenige

Tage später, am 18. Juni, verunglückte sein

damaliger Kollege bei National Semiconductor,

der ebenfalls legendäre Design-Ingenieur

Bob Pease. Während seiner 33-jährigen

Tätigkeit bei National erhielt Bob

Pease 21 Patente und entwickelte mehr als

20 integrierte Schaltkreise.

Bild: Micro electronic

National Instruments hat die beiden US-Unternehmen

AWR (für 58 Mio. US-$) und

Phase Metrix (für 38 Mio. $) gekauft. Mit dem

Erwerb von Electronics Workbench, bekannt

unter anderem durch Multisim, begann der

Einstieg in die EDA-Welt, jetzt kommt mit

AWR ein Spezialist für Designs im HF- und

Mikrowellenbereich dazu. AWR ist zum Beispiel

Entwickler und Anbieter der EDA-Tools

Microwave Office (zum Entwurf von HF-ICs,

-Leiterplatten und -Modulen), dem Visual

System-Simulator zur Entwicklung von Kommunikationssystemen

und Analog Office für

das Design von Analog- und Hochfrequenz-

ICs. AWR wird mit dem Zusatz „A National

Instruments Company“ unter dem Dach von

National Instruments mit dem bestehenden

Management-Team (CEO Dane Collins und

dem als CTO fungierenden AWR-Gründer

Dr. Joe Pekarek) unter dem Namen AWR weiterarbeiten.

Auch die Phase Matrix, Inc. soll

unter eigenem Namen als „wholly owned NI

subsidiary“ mit den Phase Matrix Gründern

Pete Pragastis als General-Manager und Charanbir

Mahal als CTO bestehen bleiben. Mit

Phase Matrix konnte sich National Instruments

vor allem viele Spezialisten in der Entwicklung

von PXI Messtechnik-Hardware für

den HF- und Mikrowellenbereich sichern

und mit den Produkten in den Frequenzbereich

von 26,5 GHz und mehr vorstoßen.

infoDIREKT

549ei0711

Book-to-Bill-Ratio erreicht einen Wert von 0,95

Leiterplattenmarkt boomt unverändert

2,10

1,90

1,70

1,50

1,30

1,10

1,29 1,27

1,66

1,20

1,96

0,90

0,95 0,92

0,93 0,96 0,95

0,70

0,79

0,66

0,50

Mrz 10 Apr 10 Mai 10 Jun 10 Jul 10 Aug 10 Sep 10 Okt 10 Nov 10 Dez 10 Jan 11 Feb 11 Mrz 11

Das Book-to-Bill-Ratio liegt zwar unter pari, aber die Nachfrage ist immer

noch gut – insbesondere im Segment der Industrie-Elektronik.

Der Leiterplattenmarkt setzt seinen Aufschwung fort. Der März-

Umsatz schloss, laut ZVEI-Fachverband PCB and Electronic Systems,

11,6 % über dem des Februars ab und war 15 % höher als im

Vergleichsmonat des Vorjahres. Kumuliert erreichte das 1. Quartal

ein um 20 % höheres Umsatzvolumen als im Vorjahr. Viele Hersteller

arbeiten weiterhin an der Kapazitätsgrenze. Der Auftragseingang

war im Vergleich zum Februar um 18 % höher, verglichen

1,01

Bild: ZVEI

allerdings mit dem März des Vorjahres um 13,5 % niedriger. Auch

das 1. Quartal lag um 10 % unter dem Vergleichszeitraum. Trotzdem

ist der Auftragseingang in absoluten Zahlen im langjährigen

Mittel immer noch ein Rekordwert, da er in der vergangenen Dekade

nur zweimal übertroffen wurde.

Bei den Gegenüberstellungen zum Vorjahr muss berücksichtigt werden,

dass es Ende 2009/Anfang 2010 einen überraschend hohen Nachfrageschub

gab. Die vorausgegangene Verknappung von Bauteilen als

Reaktion auf Kapazitätsreduzierungen wegen der Finanzkrise, hatte

bei vielen Firmen zu Vorrats- und Doppelbuchungen geführt, um die

eigene Versorgung sicherzustellen. Die Bestellungen wurden später

verschoben und nur dem tatsächlichen Bedarf angepasst, so dass dies

nicht Ausdruck einer Trendwende ist. Das Book-to-Bill-Ratio erreicht

aufgrund dieser Zahlen einen Wert von 0,95. Die Mitarbeiterzahl stieg

wieder geringfügig an und liegt nun 9 % über dem März des Jahres

2010, gleichwohl noch 2 % unter dem März des Vorkrisenjahres 2008.

infoDIREKT

548ei0711

Toshib

12 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

12_Phoenix Testlab_415 (sb.indd 12 30.06.2011 12:06:54


Märkte + Technologien

Phoenix Testlab

Testlabor für Lithium-Ionen-Batterien eröffnet

Alle Bilder: Phoenix Testlab

Mit einem Festakt hat die 1994 gegründete

Phoenix Testlab GmbH mit Sitz in Blomberg

am 26. Mai 2011 ihr neues Batterielabor

eröffnet. Bereits 2006 hat Phoenix Testlab

erste Batterietests mit dem Kunden

Johnson Control/Saft durchgeführt und im

Jahr 2010 fiel der Entschluss ein komplettes

Batterielabor zu eröffnen.

In dem jetzt eingeweihten Labor mit einer

Grundfläche von etwa 950 Quadratmetern

können zentral alle thermisch-klimatischen

und korrosiven Tests durchgeführt

werden. Das Testspektrum umfasst Tests

der elektrischen Sicherheit und der EMV.

Außerdem umfasst die Dienstleistung die

Umweltsimulation. Das Spektrum der zu

testenden Lithium-Ionen-Systeme reicht

dabei von der Zelle über das Modul bis hin

zur großen EV-Batterie.

Die aus Sicherheitsgründen wegen Schadensmöglichkeit

auf Container verteilten

Bild 1: Aus sicherheitstechnischen Überlegungen wurde das Batterietestlabor auf Container verteilt.

Bild 2: Klimakammer mit 15 m 3 Fassungsvermögen

für den Temperaturtest auch großer Li-Ionen

Batteriemodule.

Prüfanlagen (Bild 1) wurden individuell an

die technischen Anforderungen der Kunden

des Prüfdienstleisters angepasst. Neben

den zum Teil erheblichen Volumenund

Gewichtsparametern der Prüflinge

sind auch die klimatischen und elektrischen

Testanforderungen zu berücksichtigen.

Leistungsfähige Aggregate ermöglichen

dynamische Zyklen vom Batteriemodul

bis zum großen Batteriesystem. Selbstverständlich

gehört auch die Temperierung

der Batterien zum Testportfolio (Bild 2).

Im Herzstück des Batterielabors, dem zentralen

Regelraum, laufen alle test- und sicherheitsrelevanten

Daten über CAN zusammen.

Von hier aus steuern und überwachen

die Batterieexperten des Prüfinstituts

kontinuierlich die mehrheitlich sehr

komplexen Tests.

Ein besonderes Augenmerk wurde auf die

umfassende sicherheitstechnische Ausstattung

des Batterielabors gelegt, beispielsweise

mit mehrfacher Sensorüberwachung und zusätzlicher

Videoüberwachung. Phoenix Testlab

hat seine langjährigen Erfahrungswerte

um die Erkenntnisse aus zahlreichen Gesprächen

mit seinen Kunden ergänzt und diese in

einem umfassenden Konzept konzentriert.

Die Mitwirkung bei der Gestaltung aktueller

prüftechnischer Anforderungen und

der Aufbau der entsprechenden labortechnischen

Lösungen im eigenen Haus war

Phoenix Testlab dabei immer besonders

wichtig. Dieser Philosophie folgend beschäftigt

man sich seit nunmehr fünf Jahren

mit dem Test von Lithium-Ionen-Batterien,

die im Fokus der aktuellen Entwicklungen

zur Elektrifizierung des automobilen

Antriebsstrangs stehen. Phoenix Testlab

hat diese Aktivitäten quasi von Anfang an

mit begleitet und damit auf seine Erfahrungen

beim Testen von Batterien aus der

Kraftwerks- und Bahntechnik aufgebaut.

Im nächsten Schritt wird ein leistungsstarker

Shaker und später im Jahr eine begehbare

Salznebelkammer in Betrieb genommen.

(sb) n

infoDIREKT

415ei0711

Toshiba ssd 216x85 Ger.qxd:Layout 1 9/5/11 16:19 Page 1

SOLID STATE DRIVES (SSD) VON TOSHIBA –

DIE IDEALE LÖSUNG FÜR MOBILE RECHNER

Rechner werden immer mobiler, deshalb benötigen Sie Bauteile, die schneller, leichter und energieeffizienter sind als

frühere Generationen.

SSDs von Toshiba nutzen führende NAND-Flash-Speichertechnologie und haben keine beweglichen Bauteile -

dadurch sind sie robust und stabil und bieten enorm hohe Lese, /Schreibgeschwindigkeiten. Ausgestattet mit

bewährten Schnittstellen und erhältlich in einer Vielzahl von Formfaktoren, sind SSDs die ideale Lösung für

Unterhaltungselektronik genauso wie für industrielle Applikationen.

Weitere Informationen zu unserem kompletten Angebot an SSDs unter

www.toshiba-components.com/ssd

12_Phoenix Testlab_415 (sb.indd 13 30.06.2011 12:06:57


Märkte + Technologien

Hohe Signalreinheit und minimaler Jitter für 100-GbE-Tests

36 GHz Oszilloskope mit bis zu 10 Kanälen

Bild: LeCroy

Der modulare Aufbau des LabMaster 9 Zi-A

ermöglicht eine kosteneffiziente Lösung und

ein leichtes Aufrüsten.

Wie im Mai bei der Vorstellung der Echtzeit-Oszlloskop-Serie

Labmaster 9 Zi-A

von LeCroy angekündigt, folgen jetzt weitere

neue Modelle: Die Labmaster 936 Zi-A

verfügen je nach Konfiguration über 36

GHz analoge Bandbreite auf 4 bis 10 Kanälen

bei jeweils 80 GS/s Abstastrate und maximal

768 M Punkten Analysespeicher pro

Kanal bzw. 20 GHz auf 8 bis 20 Kanälen.

Die Systemarchitektur trennt die Signalerfassungseinheit

des Oszilloskops von dem

Display und den Steuerungs- und Signal-

verarbeitungsfunktionen. Das Master-Modul

enthält das Display, die Steuerung und

CPU, die Slave-Module enthalten die Erfassungssysteme.

Da die zu messenden Signale

über Kabel in das Oszilloskop gelangen,

statt Tastköpfe oder einen differenziellen

Verstärker einzusetzen, wird das Rauschen

um 3 dB oder mehr reduziert und

damit die Signalreinheit des Messsystems

weiter erhöht.

infoDIREKT

545ei0711

Gewinner

Gewinner

Gewinner aus Ausgabe 4/2011

In der elektronik industrie 4-2011 hatten unsere Leser die Chance,

acht Adapterboards für Real-Time-Clock-Module, spendiert

von WDI AG, zu gewinnen.

Die glücklichen Gewinner sind:

■■ Ingo Barkus, Nikkiso Europe GmbH, Hannover

■■ Michael Raufeisen, E+H Conducta GmbH & Co. KG, Gerlingen

■■ Ralf Hahnloser, Grundfos Water Treatment GmbH, Pfinztal

■■ Dieter Lürick, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont

■■ Thomas Stäbler, Höntzsch GmbH, Waiblingen

■■ Klaus-Dieter Meyer, KDM Ingenieurbüro, Brombachtal

■■ Max Wilcke, Höptner KG, Friesenheim

■■ Regina Potempa, Schulze GmbH, Königsee

Die Gewinne wurden bereits versandt.

Herzlichen Glückwunsch!

Gewinner aus Ausgabe 12/2010

In der elektronik industrie 12-2010 hatten unsere Leser die

Chance drei MCB9BF500 Evaluationboards für die Fujitsu ARM

Cortex-M3 Mikrocontroller der MB9B500 Serie, gespendet von

Fujitsu, zu gewinnen.

Die glücklichen Gewinner sind:

■■ Valentin Kuhfuss, SEW-EURODRIVE

GmbH & Co. KG, Bruchsal

■■ Burkhard Macht, Dipl.-Ing., Bender

GmbH & Co. KG, Grünberg

■■ Alexander Kohler, Baumüller Nürnberg

GmbH, Nürnberg

Die Gewinne wurden bereits durch Fujitsu

selbst versandt.

Herzlichen Glückwunsch!

_EI_06_45423.indd 1

09.01.2007 17:52:00 U

scopes und mehr

Messtechnik

zum fairen Preis

Vishay Intertechnology

Firmengründer verstorben

Der Firmengründer und Executive Chairman

of the Board, Chief Technical Officer

und Chief Business Development Officer

von Vishay Intertechnology, Dr. Felix

Zandman ist im Alter von 84 Jahren verstorben.

Dr. Zandman gründete Vishay in

1962 und fungierte bis 2004 als Chief Executive

Officer, und von 1962 bis 1998 als

President. Von Beginn an zeichnete er als

Mitglied des Aufsichtsrats verantwortlich,

und seit 1989 als Executive Chairman of

the Board.

Im Einklang mit dem Nachfolgeplan des

Aufsichtsrats kündigte Vishay an, dass

Marc Zandman die Position als Executive

Chairman of the Board übernimmt. Zusätzlich

wird Marc Zandman als Chief

Business Development Officer fungieren.

Der Sohn von Dr. Zandman ist seit 1984

bei Vishay beschäftigt und bekleidete zahlreiche

Management-Positionen im Unter-

Der Vishay-Gründer

Dr. Felix Zandman

ist im Alter von 84

Jahren verstorben.

Er hat bis zu

seinem Tode aktiv

am Unternehmensgeschehen

teilgenommen.

nehmen, einschließlich Vice Chairman of

the Board, Chief Administration Officer

und President von Vishay Israel. Dr. Gerald

Paul, seit 2005 als President und Chief Executive

Officer von Vishay, und seit 1993 als

Director verantwortlich, wird die Geschäfte

von Vishay weiterhin als President und

CEO und Aufsichtsratsmitglied führen.

Zusätzlich wird er die Position des Chief

Technical Officers übernehmen.

Bild: Vishay

14 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

14_News (jj).indd 14 30.06.2011 12:08:19


Märkte + Technologien

austriamicrosystems

übernimmt TAOS

Erwerb bedeutet eine

komplementäre Erweiterung

Superior Solutions

for Industrial

Bild: austriamicrosystems

Blockschaltbild des AS5410 mit der Signalkonditionierung, den Sensorelementen

und den I/Os.

austriamicrosystems AG hat eine Vereinbarung mit Texas Advanced

Optoelectronic Solutions, Inc. (TAOS), mit Sitz in Plano, Texas

(USA), zum Erwerb von 100% der Anteile an TAOS abgeschlossen.

Der Abschluss der Transaktion wird innerhalb der nächsten Wochen

erwartet. TAOS ist ein etabliertes, weltweit anerkanntes Unternehmen

im Bereich Lichtsensortechnologie und ein globaler

Anbieter von Lichtsensor-Lösungen für die Märkte Consumer,

Computer, Industrie, Medizintechnik und Automotive. Mit seinen

Displaymanagement-Lösungen einschließlich Umgebungslicht-,

Annäherungs- und Farbsensoren ist TAOS als Sensorlieferant

zahlreicher weltweit tätiger Fortune 100-Hersteller von Smartphones,

Tablet-PCs, HDTV, Laptops/Notebooks und Desktop/All-inone-PCs

etabliert. John Heugle, CEO von austriamicrosystems:

„Der Erwerb von TAOS bedeutet eine komplementäre Erweiterung

unseres Angebots an innovativen Sensorlösungen für mobile

Geräte und einen erheblichen Ausbau unseres Consumer- & Communications-Geschäfts.

TAOS verfügt über eine starke Marktposition

weltweit. Die strategische Kombination von austriamicrosystems

und TAOS schafft einen bedeutenden Anbieter hochwertiger

Sensortechnik für die attraktiven Märkte Smartphones und Tablet-

PCs.“ Fast zeitgleich präsentierte austriamicrosystems anlässlich

eines Pressetages am 1.Juni und anschließend auf der Messe

Sensor+Test in Nürnberg den linearen Positionssensor AS5410,

das erste Produkt der weltweit ersten vollwertigen 3D-Hall-Plattform.

Diese 3D-Hallsensorlösung dient zur absoluten Positionsmessung

in Automotive- und Industrie-Anwendungen und bietet

Positionsdaten in höchster Auflösung. Der AS5410 ermöglicht eine

absolute Positionsbestimmung eines kleinen Magneten unmittelbar

nach Einschalten der Sensorlösung ohne vorherige Referenzfahrt

in der Applikation. Zudem bleibt der Messwert der Lösung

selbst bei störenden externen Magnetfeldern stabil. Dies wird

durch eine spezielle differenzielle Messmethodik mit mehreren

3D-Hall-Sensorelementen ermöglicht und ist weltweit einzigartig.

Durch Programmierung des internen EEPROMS können verschiedenste

Geometrien, wie z.B. Kurvenbewegungen, nichtlineare Skalen

in ein lineares Ausgangssignal konvertiert werden. (sb) n

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442ei0711

• Aluminum electrolytic capacitors with high

ripple current capability

• MKP film capacitors for DC link applications

• PFC products for energy saving and power quality

• X2 EMI capacitors up to 45 µF

• 2-chip piled type multilayer ceramic chip

capacitors for long service life

• EMC and sine-wave filters for currents up to 8 kA

• Ferrite materials with reduced power losses

• Low-profile SMT power inductors

• Common-mode chokes with high current capability

• Thermistors for inrush current limiting

• NTC thermistors for temperature measurement

and compensation

• PTC thermistors for overcurrent protection

• Miniaturized pressure sensors up to 25 bar

• Varistors for overvoltage protection

• SAW filters for advanced metering infrastructure

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www.elektronik-industrie.de

SPS / IPC / DRIVES • Nuremberg, Germany

November 22 to 24, 2011 • Hall 4, Stand 160

14_News (jj).indd 15 30.06.2011 12:08:22


Märkte + Technologien

Bild: AMA Service

Die Gewinner des Sensor Innovationspreis 2011 des AMA Fachverbandes für Sensorik e.V.

Sensor+Test 2011

Zufriedenheit auf breiter Front

Etwa 8000 Fachbesucher (plus 10 %) haben die Messe Sensor+Test 2011

in Nürnberg besucht und die drei Messetage zum Dialog mit den

insgesamt 577 Ausstellern (13 % mehr als im Vorjahr) genutzt. Ergänzent

zu unserer Berichterstattung in der elektronik instustrie 6-2011 haben wir

hier weitere Messe-Hightlights zusammengestellt. Autor: Hans Jaschinski

Bild: AMA Service

Auf mehr als 19.000 m² wurden auf der Sensor+Test 2011

neue Produkte und Entwicklungen präsentiert. Holger Bödeker

vom Veranstalter AMA Service GmbH zeigte sich am

Schlusstag sehr zufrieden: „Wir freuen uns darüber, dass die

Messe bei allen wichtigen Kennzahlen die Werte der letzten Jahre

deutlich überschritten hat.“

Der mit 10.000 Euro dotierte Sensor Innovationspreis des AMA

Fachverbandes für Sensorik e.V. ging am Eröffnungstag zu gleichen

Teilen an die nominierten Bewerber „HoloTop und HoloFlash, 3D-

Sensoren mit Mehrwellen-Holografie“, eine gemeinsame Entwicklung

des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik mit den Unternehmen

Breitmeier Messtechnik und Asentics, sowie an die „Innovative

magnetische, pflanzenbasierte ZIM Druckmesssonde“ der Firma

ZIM Plant Technology. Die nächste Sensor + Test findet vom 22.

bis 24. Mai 2012 wieder im Messezentrum Nürnberg statt. Zwei hochkarätige

Fachtagungen werden dann die Messe begleiten: Die 16.

GMA/ITG-Fachtagung „Sensoren und Messsysteme“ sowie das erstmals

in Deutschland stattfindende 14. International Meeting on Chemical

Sensors (IMCS). Nachfolgend einige weitere interessante Produkte

von der Messe.

Hallsensoren

Melexis hat die dritte Generation seiner programmierbaren linearen

Hallsensoren als SMD aus der Taufe gehoben und bricht damit mit

dem konventionellen SIP-Ansatz. Der MLX90288 verfügt über einen

ratiometrischen analogen Ausgang und der MLX90291 über einen

125 Hz PWM-Ausgang. Beide kommen als SOIC-8 SMD mit identischer

Pinbelegung. Der MLX90292 wird für höchst zuverlässige Anwendungen

gebaut und ist als redundantes Doppelchip-TSSOP-16

erhältlich. Dieser dritte Sensor – der MLX90292 – zeichnet unter Nut-

zung des schnellen und sicheren 2-drahtigen PSI-5-Protokolls ein digitales

Telegramm auf, das einen Temperatur-Output nahe der magnetischen

Flussdichte einschließt. Er verfügt zudem über einen

PWM-Modus mit 2 kHz. Alle Bauelemente sind als Muster und in

Produktionsmengen erhältlich, zusammen mit den passenden PTC-

04-Programmiertools. In den kommenden Monaten wird die Familie

durch drei weitere programmierbare Produkte erweitert: den

MLX91207 mit analogem Output und der besten Bandbreite seiner

Klasse für derzeitige Sensoranwendungen in einer optimierten SOIC-

8-Bauform; den MLX90290 in einer TSOT-3L-Bauform (analoger

Output); und den MLX90293 mit SENT-Outputprotokoll.

Position Sensor

TE Connectivity, vormals Tyco Electronics, verfügt über eine automobilkonforme

Plattformstrategie für Weg- und Winkelsensoren. Standardisierte

Bauformen und Produktionsprozesse ermöglichen kurzfristig

verfügbare und voll funktionsfähige Sensoren für Systemerprobungen

und auch für Kleinserien. Hervorzuheben ist der auf Hall-

Technik basierende Plattform-Wegsensor T40MC1 mit einem

Messbereich linear bis zu 40 mm. Die verwendete Hall-Technologie

arbeitet mit einem 3D-Messverfahren, wodurch eine deutliche Performanceverbesserung

zu bestehenden Hallsensoren erreicht wird.

Für den Herbst sind erste Muster eines ASIL B erfüllenden Positionssensors

für Versorgungsspannungen im Bereich 3,5...18 V, für 5 mm

kurze Magneten für den 30 mm Bereich, mit freier Orientierung zwischen

Sensor und Magnet, geplant. Auch bei diesen kurzen Magneten

wird eine Toleranz von nur 2 % erreicht. Eine System-Kalibrierung ist

nicht notwendig. Der Sensor hat drei programmierbare Ausgänge (2x

PWM + 1x Schalter oder 1x PWM + 1x Schalter), Temperaturbereich

-40...+150 °C.

16 elektronik industrie 07/2011

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16_Sensor+Test (jj).indd 16 30.06.2011 12:10:31


Märkte + Technologien

Das High-Speed-

CAN-Modul 9862

von National

Instruments für

die C-Serie.

Bild: National Instruments

und Kommunikation mit einer Busauslastung von 100 % – ohne dass

Frames verloren gehen. Wer am NI-Stand genau hinschaute, konnte

auch schon einen Blick auf die neue Diadem-Software Version 2011

werfen.

Bei A.S.T. besteht jetzt die Möglichkeit, jeden A.S.T.-Kraftaufnehmer

mit ATEX für explosionsgefährdete Umgebungen in unterschiedlichen

Klassen zu zertifizieren. Dadurch können Messaufnehmer in

Heb- und Förderanlagen in der Chemischen Industrie, Ölförderanlagen,

Krane und Transportsysteme im Kohleabbau, Mischanlagen und

Wägesysteme bei Staubumgebungen (also überall wo Material gemahlen

und zerkleinert wird) eingesetzt werden.


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507ei0711

Infrarot-MEMS-Temperatursensor

Texas Instruments ermöglicht mit einem passiven IR-MEMS-Temperatursensor

erstmalig die kontaktlose Temperaturmessung in mobilen

und platzbeschränkten Endgeräten. Der digitale Temperatursensor

TMP006 bietet die Möglichkeit, mithilfe der IR-Technologie eine genaue

Messung der Gehäusetemperatur vorzunehmen. Im Gegensatz

zur gängigen Methode, bei dem die Gehäusetemperatur basierend auf

der Systemtemperatur geschätzt wird. Der Sensor kann zudem für die

Temperaturmessung außerhalb des Geräts verwendet werden. Der

Single-Chip-Sensor mit den Abmessungen 1,6 x 1,6 mm 2 umfasst einen

On-Chip-MEMS-Thermopile-Sensor, Signal Conditioning, einen

16-Bit-Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler), einen lokalen Temperatursensor

und Spannungsreferenzen. Er stellt eine digitale Komplettlösung

für die kontaktlose Temperaturmessung dar, die um 95 %

kleiner als andere Thermopile-Sensoren ist. Der Ruhestrom beträgt

240 µA und im abgeschalteten Modus nur 1 µA. Die Temperatur kann

im Bereich -40...+125 °C mit einer Toleranz von ±0,5 °C am lokalen

Sensor und von ±1 °C am passiven IR-Sensor gemessen werden. Der

Sensor besitzt eine digitale I 2 C/SMBus-Schnittstelle.

Messtechnik

Die Messgeräte-Hersteller haben sich auf der Sensor+Test rar gemacht

und waren, wenn überhaupt, indirekt über Distributoren vertreten.

Wie immer dabei war National Instruments und präsentierte unter

anderem das High-Speed-CAN-Modul NI 9862 für die C-Serie. Für

NI Compact DAQ wird mit dem neuen Modul zum ersten Mal eine

CAN-Unterstützung ausgeführt. Es bietet kontinuierliche Übertragungsraten

von bis zu 1 Mbit/s und verfügt über ähnliche Vorteile wie

die NI-XNET-Schnittstellen für PCI und PXI – darunter hardwarebeschleunigter

Nachrichtenaustausch, integrierte Frame-Verarbeitung

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Programmierbare Logik

Coverstory

Flexible Motor-Steuerungen

mit FPGAs

Hohe Flexibilität und Performance mit effizientem

Design-Ablauf

Elektromotoren sind für einen großen Teil des Energieverbrauchs in Produktionsanlagen

verantwortlich. Daher ist der Einsatz von Motoren mit variablen Geschwindigkeiten

wünschenswert, um die Energieeffizienz zu verbessern. Allerdings erfordern diese

Motoren komplexere Regelungs-Algorithmen, für deren Implementierung FPGAs einige

Vorteile bieten.

Autor: Stefano Zammattio

In vielen Antriebssteuerungen werden bisher

Standard-Mikrocontroller oder DSPs für die

Bereitstellung der Verarbeitungsleistung und

der Regelschleifen genutzt. Damit kann die

Motorlast erfasst und das Drehmoment, die Geschwindigkeit

oder andere dynamische Parameter

geregelt werden. Allerdings haben MCUs und

DSPs Limitierungen in Bezug auf die Skalierbarkeit

und die Performance, wenn es um komplexe

Algorithmen geht. Außerdem müssen moderne

Motor-Controller für die Automatisierung netzwerkfähig

sein, wobei unterschiedlichste Standards

unterstützt werden sollten.

Bei neuen Motorantriebslösungen kommen

nun verstärkt FPGAs zum Einsatz, dank ihrer hohen

Flexibilität und Performance, aber auch im

Hinblick auf den effizienten Design-Flow. Allerdings

sind viele Entwickler von Motorsteuerungen

weder besonders vertraut mit DSP-Algorithmen

noch versierte RTL-Designer mit FPGAs.

Um diese Einschränkung zu überwinden, werden

Modell-basierte Design-Techniken wie Matlab/

Simulink eingesetzt. In Kombination mit Blockbasierten

Tools wie dem DSP Builder Advanced

Blockset von Altera können DSP-Entwickler in

der gewohnten Matlab-Umgebung arbeiten und

optimierten RTL-Code automatisch erzeugen.

Der DSP Builder sorgt dann für das Time-Sharing

von logischen Operatoren wie Multiplizierer

oder Addierer und unterstützt Gleit- und Festkomma-Arithmetik

direkt in Hardware.

Ein weiterer wichtiger Vorteil von FPGAs ist,

dass fast alle erforderlichen Funktionsblöcke für

eine Motorsteuerung integriert werden können,

da die Regelschleifen und das System-Management

parallel verarbeitet werden können. Embedded-Prozessoren

wie der Nios II (32-Bit-

RISC) übernehmen die Steuerung der I/Os, Filter-

und Schnittstellenfunktionen oder implementieren

ein deterministisches Industrial

Ethernet-Protokoll wie EtherCAT oder Profinet.

Darüber hinaus können die flexiblen DSP-Blöcke

in den FPGAs auch rechenintensive Algorithmen

wie feldorientierte Regelung (FOC) einfach und

effizient implementieren.

DSP-Algorithmen einfach implementieren

In Bezug auf die Performance bringen FPGAs

mehrere Vorteile mit sich: Dank der effizienten

Parallelverarbeitung der FPGA-Hardware und

der Skalierbarkeit auf komplexer Bausteine wird

ein hoher Durchsatz bzw. eine hohe Verarbeitungsleistung

gewährleistet. Potenzielle Hardware-Beschleunigung

für Aufgaben, die sonst in

Software ausgeführt werden, sowie das direkte

Interface zwischen den Steuerungs-Algorithmen

und der Peripherie (beispielsweise AD-Wandler,

PWM, Positions-Decodierer) sorgen für reduzierte

Latenzzeiten bei der Regelung. Außerdem

variieren die Latenzzeiten der Algorithmen nicht,

da in Hardware ausgeführt. Bei einer Software-

Implementierung können die Latenzzeiten

schwer vorhergesagt werden und zu Echtzeit-

Fehlern führen, wenn sie nicht entsprechend geregelt

sind. High-Level-Synthese mit Simulink

direkt nach der FPGA-Implementierung mit dem

DSP-Builder erfordert keine spezielle HDL-Expertise

vom Entwickler. Mit dem Folding-Feature

können Latenzzeit, Durchsatz und Ressourcen

bestmöglich aufeinander abgestimmt werden.

Die Unterstützung von Gleit- und Festkomma-

Arithmetik mit variabler Genauigkeit ermöglicht

optimierte Algorithmen.

Bestehenden C-Code einfach portieren

Entwickler können bereits bestehenden C-Code

einfach auf den Nios II-Prozessor und damit auf

das FPGA portieren. Der Code kann beispielsweise

dazu dienen, Engpässe zu beseitigen, wobei

rechenintensive oder Echtzeit-Aufgaben im System

vom FPGA erledigt werden, während der

Hauptprozessor frei wird für andere Aufgaben.

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Programmierbare Logik

Coverstory

Auf einen Blick

Tools erleichtern Entwicklungsprozess der

Motorsteuerung

Während Standard-Mikrocontroller und DSPs bei neuesten Motorsteuerungen

an ihre Grenzen kommen, bieten sich FPGAs als ideale

Lösung an. Sie bieten die Flexibilität alle erforderliche Funktionalität

auf einem Baustein zu integrieren. Außerdem verfügen sie über ausreichende

Performance, um mehrere Kanäle zu verarbeiten und hoch

präzise Gleitkomma-Implementierung zu unterstützen. Zugriff auf

Embedded-Prozessoren, Netzwerk- und Interface-IP ermöglicht eine

einfache und schnelle Systemintegration.

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Programmierbare Logik

Coverstory

Bild 1: Integrierte industrielle

Antriebssteuerung auf FPGA-Basis.

und der Abtastrate als Folding-Faktor

wider. Wenn Entwickler im DSP Builder

das Folding erlauben, dann haben mehrere

Datenpunkte Zugriff auf den gemeinsamen

Hardware-Block, was die

Ressourcen-Ausnutzung deutlich verbessert.

Man kann diese Funktionen entsprechend auslagern, indem man

entweder per Hand geschriebene und RTL-basierte kundenspezifische

Befehle nutzt oder DSP-Hardware-Beschleuniger mittels des

DSP Builder erzeugt.

Für komplett neue Designs, können Entwickler von Beginn an

Simulink nutzen, um das komplette System zu modellieren. Dafür

werden Blöcke verwendet, die zwischen Software, DSP-Hardware-

Beschleunigern oder kundenspezifischer RTL-IP aufgeteilt sein

können.

DSP Builder Advanced Blockset

Der DSP Builder Advanced Blockset fügt spezielle Simulink-Bibliotheken

in die Matlab-Design-Umgebung ein, die es Entwicklern ermöglichen,

DSP-Designs schnell und einfach zu implementieren.

Die Blockfunktionen basieren auf einer High-Level-Synthese-Technologie,

die die High-Level-Netzliste (ohne Timing) für die Pipeline-Hardware

des Ziel-FPGAs mit der erforderlichen Taktrate optimiert.

Der DSP Builder gibt die entsprechende Hardware als VHDL-

Beschreibung wider, mit Scripts, die in den Software-Flow von

Quartus II und in den Modelsim-Simulator integriert werden.

Ist die System-Taktrate größer als die Datenrate oder die Abtastrate,

dann kann beispielsweise ein Hardware-Block (zum Beispiel

ein Multiplizierer) eventuell mehrere Datenpunkte wieder aufarbeiten.

Der DSP Builder gibt das Verhältnis zwischen der Takt-

Eine typische Motor-Regelung als

Vergleichsbeispiel

Bei der feldorientierten Regelung (FOC)

muss der sinusförmige, dreiphasige Motorstrom

in Echtzeit geregelt werden. Die zur Regelung genutzte

Größe ist der Augenblickswert des Motorstroms, anhand dessen

Größe und Phasenlage zur Spannung alle erforderlichen Motorzustände,

wie Drehzahl, Schlupf oder Drehmoment aus dem Modell

ermittelt werden können. Bei diesem Verfahren wird die Amplitude

des Stromvektors bei 90 Grad in Bezug auf die Achse des magnetischen

Flusses des Rotormagneten („Quadrature-Strom“) genutzt,

um das Drehmoment zu regeln, während die „direkte“

Strom-Komponente (0 Grad) bei Null gehalten wird. Die Lösung

beinhaltet PI-Steuerschleifen für die Position und die Geschwindigkeit,

mit denen die Rotor-Geschwindigkeit und der Winkel geregelt

werden können. Die entsprechende Interface-IP, um das

entsprechende Design zu vervollständigen kann einfach mit dem

SOPC Builder Tool eingefügt werden.

Bei einem typischen FOC-Controller tastet die Software die Eingänge

mit 10 bis 100 kSample/s ab, während die FPGA-Taktrate bei

50 bis 100 MHz liegt. Bei 100 kSample/s muss eine neue Abtastung

innerhalb von weniger als 10 µs verarbeitet sein. Diese Latenzzeit

konstant und auf einem minimalen Wert zu halten, ist entscheidend

für die Performance des Regelungs-Algorithmus.

Der Algorithmus wird mit Simulink und Gleitkomma-Typen

einfacher Genauigkeit modelliert, um die erforderliche Performance

zu prüfen. Danach wird die Hardware erzeugt, um die VH-

DL-Netzliste für das entsprechende FPGA zu kreieren, mit einer

Bild 2: Implementierung

einer

feldorientierten

Regelung (FOC).

20 elektronik industrie 07/2011

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Programmierbare Logik

Coverstory

Bild 3: Vergleich der System-Ressourcen

und Latenzzeiten (mit und ohne Folding).

Bild 4: Vergleich Festkomma- und

Gleitkomma-Implementierung.

Ziel-Taktrate von 100 MHz. Die erreichte Latenzzeit wird direkt an

den DSP Builder übermittelt, zusammen mit einer Abschätzung

der erforderlichen Logik-Ressourcen. Um dann schließlich eine

genaue Ressourcen-Angabe zu bekommen, wird das Design mit

der Quartus II-Software compiliert.

Ein Design dieser Art kann auch mit Festkomma-DSP realisiert

werden, aber eine Gleitkomma-Implementierung bietet einige

Vorteile: Bei der Gleitkomma-Lösung werden ein arithmetischer

Überlauf und auch Skalierungs-Probleme vermieden. Außerdem

weist die Gleitkomma-Implementierung dank ihrer besseren numerischen

Stabilität eine ausgezeichnete Performance auf. Durch

den höheren Dynamikbereich ist auch eine schnellere Rückmeldung

auf die Regelschleife möglich. Die FPGAs und Tools von Altera

unterstützen sowohl Gleitkomma- als auch Festkomma-Lösungen.

Standardmäßig erzeugt der DSP Builder eine Designwiedergabe

mit kompletter Pipeline-Struktur, die neue Eingangswerte mit jedem

Taktzyklus akzeptieren kann. Entwickler können nun die Ergebnisse

für diese Konfiguration mit maximalem Durchsatz mit

einer Folder-Konfiguration vergleichen und so das Design optimieren.

Außerdem kann man für den gleichen Algorithmus einen

Vergleich zwischen einer Festkomma- und Gleitkomma-Implementierung

anstellen.

Die Ergebnisse zeigen wie durch Folding der Operator-Aufwand

deutlich verringert werden kann. Damit kann zum Beispiel ein

kleinerer Cyclone IV-Baustein eingesetzt werden, während die Latenzzeit

immer noch akzeptabel für den Algorithmus ist. Die Geschwindigkeit

der Regelschleife ergibt sich aus der Latenzzeit des

Algorithmus plus der Einschwingzeit. Bei 5 µs erreicht man 200.000

Regelschleifen oder PWM-Ausgangssignale je Sekunde - deutlich

innerhalb der Spezifikation.

Die Ergebnisse

Es zeigt sich, dass die Verwendung von Folding deutliche Vorteile

mit sich bringt. So wird einmal die Anzahl der erforderlichen Logikelemente

und Multiplizierer reduziert, was den Einsatz von

deutlich kleineren FPGAs ermöglicht. Auf der anderen Seite wird

die Latenzzeit nur moderat erhöht. Auch die Reduzierung des

Durchsatzes auf 1 MS/s ist kein Problem, da das immer noch 10

Mal schneller als die erforderlichen 100 kS/s für die feldorientierte

Regelung ist. Damit können demnach bis zu 10 FOC-Kanäle in

Echtzeit verarbeitet werden.

Während die Gleitkomma- und die 32-Bit-Festkomma-Implementierung

Logik-Ressourcen in ähnlicher Größenordnung benötigen,

ist die Latenzzeit für die Festkomma-Lösung nur halb so

lang. Ohne Folding besteht ein deutlich größerer Unterschied zwischen

dem Gleitkomma- und dem Festkomma-Ansatz. Reduziert

man die Genauigkeit auf 16 Bit, dann benötigt man aufgrund des

schmaleren Datenpfades weniger Ressourcen.

Fazit

Da viele Entwickler nicht unbedingt vertraut mit FPGA- oder

DSP-Applikationen sind, ist es wichtig Tools zur Verfügung zu

stellen, die die Design-Produktivität erhöhen und die Entwicklungszeiten

reduzieren. Dafür wurden von Altera Tools wie der

SOPC Builder oder der DSP Builder entwickelt, mit denen Entwickler

den konventionellen DSP-Entwicklungsprozess nutzen

können und somit schnell zu der gewünschten Motorsteuerung

kommen. (jj)

n

Der Autor: Stefano Zammattio ist Product Marketing Manager Altera Europe.

Bilder: Altera

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Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs

Komparatoren

Bild 1: Vereinfachtes

Schaltbild eines Micropower-Komparators.

Bild: Linear Technology

Der Komparator

Einfaches Bauteil - trotzdem viel zu beachten!

Obgleich sie einfache Bauteile darstellen, erfüllen Komparatoren eine fundamentale

Funktion: Zwischen zwei Spannungen (oder Strömen) bestimmen sie, welche die

(der) größere ist. Beim Einsatz sind zahlreiche Spezifikationen zu beachten, auf die hier

näher eingegangen wird.

Autoren: Siegfried W. Best, Bob Dobkin

Komparatoren sind vielseitige Bauelemente,

deren Funktion in unzähligen Geräten

oder Systemen benötigt werden. Die

Grundfunktion ist der Vergleich einer

Spannung mit einer stabilen Referenzspannung

oder einfach der Vergleich zweier Spannungen.

Verwendet wird diese Funktion als Spannungsumsetzer

(Level Shifter), als Fensterdiskriminator, zur

Taktrückgewinnung, zur Sinus-Rechteckwandlung,

zur Kopfhörererkennung in tragbaren Geräten, als

Radsensor in der Kfz-Elektronik im ABS, in Radarsystemen

und so weiter. Manch ein Entwickler ist

geneigt, einen Operationsverstärker als Komparator

zu verwenden. Das ist grundsätzlich möglich, es

gibt aber Unterschiede, die zu beachten sind.

Vergleich von OpAmp und Komparator

Beide haben von außen gesehen neben den beiden

Stromversorgungspins einen invertierenden Eingang,

einen nicht-invertierenden Eingang und ein

Ausgang. Im Inneren hören aber die Gemeinsamkeiten

auf. Zwar sehen die Eingangsstufen beider

Bauteile sehr identisch aus, am Ausgang wird es

aber komplexer. Einige OpAmps können die Funktion

eines Komparators übernehmen, haben sie

doch eine sehr hohe Verstärkung und gut balancierte

differentielle Eingänge. In der Praxis sind

aber bestimmte Spannungskomparatoren schneller

als Allzweck OpAmps, außerdem haben Komparatoren

zusätzliche Merkmale wie z.B. eine interne

präzise Spannungsreferenz, eine einstellbare Hysterese

und getaktete Eingänge. Warum man anstelle

eines OpAmps besser einen Komparator einsetzt,

darauf geht Bob Dobkin, CTO von Linear Technology,

am Ende dieses Beitrags ein.

Grundfunktionen von Komparator

Der Komparator ist ein 1-Bit-Analog-Digital-Wandler.

Wie bereits beschrieben hat er einen positiven

und einen negativen Eingang. Ist die Spannung am

positiven Eingang höher, geht der Ausgang in einen

bestimmten Zustand oder gibt ein entsprechendes

Signal aus. Je nach Ausgangskonfiguration (open

collector oder push-pull) entspricht die Spannung

am Ausgangspin dann der Kollektorspannung des

Bipolartransistor oder der Drainspannung eines

FETs, d.h. der Ausgangs wird niederohmig. Bei einer

push-pull Konfiguration d.h. Gegentaktstufe (komplementäre

NPN/PNP-Stufe), auch Totem-Pole genannt,

geht er in den hochohmigen Zustand.

Komparatorausgänge im Detail

Der Ausgang eines Komparators kennt nur zwei

Zustände, er beträgt etwa Null Volt oder ist in der

Höhe der Betriebsspannung. Bipolare Rail-to-Rail

Komparators haben einen gemeinsamen Emitterausgang

mit einem kleinen Spannungsabfall zwischen

der Ausgangsspannung und jeder Railspannung,

dieser entspricht der Emitter-Kollektorspannung

eines Transistors in Sättigung. Bei kleinen


Bild: Falko Matte - Fotolia

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Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs

Komparatoren

Auf einen Blick

Was der Entwickler beachten muss

Komparatoren vergleichen Eingangsspannungen und geben am Ausgang

ein entsprechendes Signal aus, das dann weiterverarbeitet wird.

Dabei sind für den Einsatz in der jeweiligen Applikation die einzelnen

Stufen und Parameter des Komparators zu beachten: die verschiedenen

Eingangsstufen und Ausgangskonfi gurationen, die Verzögerunszeit,

das Rauschen und den Jitter. Wir zeigen auch unter welchen

Bedingungen ein OpAmp oder ein Komparator die richtige Wahl ist.

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Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs

Komparatoren

Ausgangsströmen ist die Ausgangsspannung eines CMOS Rail-to-

Rail Komparator näher an der Railspannung als bei den bipolaren

Gegenstücken. Die Masse der Komparatoren bietet generell glichfrei

oder glitcharme TTL/CMOS-kompatible-Ausgänge.

Ein Kriterium bei der Auswahl eines Komparator ist die Zeit, die

der Ausgang benötigt um seinen Status zu ändern, wenn ein Signal

am Eingang angelegt wird. Diese Zeitspanne ist die Verzögerungszeit

im Bauteil und schließt die Anstiegs- und Abfallzeit der Ausgangstreiber

nicht ein. Ein sehr schneller Komparator wie beispielsweise

MAX961 oder MAX9010-MAX9013 von Maxim hat eine Verzögerungszeit

von 4,5 ns oder 5 ns und eine Anstiegszeit 2,3 ns und 3 ns.

Zu beachten sind auch die verschiedenen Effekte, die die Verzögerungszeit

beeinflussen. Diese sind die Temperatur, die Lastkapazität

und die Eingangsspannung, die über der Schaltschwelle liegt (input

overdrive). Die Verzögerungszeit wird bezeichnet mit tPD- für den

invertierenden Eingang und t PD+

für den nichtinvertierenden Eingang.

Die Differenz zwischen t PD+

und t PDnennt

man Skew (Zeitversatz).

Ein weiterer Effekt auf die Verzögerungszeit ergibt sich aus der

Versorgungsspannung. Schnelle Komparatoren verfügen über mit

Latch versehene Ausgänge, die den Ausgangsstatus in einem bekannten

Zustand halten, bis die Setup-and-hold Zeit der digitalen Eingänge,

die versorgt werden, erfüllt ist. Hat die Digitalschaltung das Komparatorausgangssignal

gelesen, kann über den Latchpin die Komparatorfunktion

erneut aktiviert werden und dem nächsten Eingangssignal

folgen. Schnelle Komparatoren verarbeiten ECL

(emittercoupled- logic) Spannungspegel von beispielsweise -5 bis 0 V.

PECL (positive-emitter-coupled-logic) Ausgänge bieten den selben

Spannungsswing aber bei 0 bis 5 V. Auch gibt es Komparatoren mit

Fünf Fragen an Bob Dobkin, Linear Technology Corporation

Komparator oder

Operationsverstärker

Fünf Fragen an Bob Dobkin, Mitgründer, Chief Technology Officer und Vice

President Engineering der Linear Technology Corporation.

Bob Doblin ist Mitbegründer der Firma und seit über 30 Jahren Entwickler

von hochleistungsfähigen Analog-ICs. Er hat viele Industrie-Standard-

Schaltkreise kreiert und verfügt über über 50 Patente zu diesem Thema.

Bild: Linear Technology

Bob Dobkin: „Man sollte einen Komparator einsetzen, wenn

Geschwindigkeit und die Verbindung zur Logik wichtige Faktoren

sind. Man sollte einen OPV verwenden, wenn die Geschwindigkeit

nicht so wichtig ist und weitere Randbedingungen beachtet werden.“

Warum sollten Entwickler Komparatoren einsetzen

anstatt Operationsverstärker

Komparatoren sind speziell dafür entwickelt, sowohl

mit kleinen als auch großen differenziellen

Eingangsspannungen zu arbeiten. Außerdem sind

sie dafür ausgelegt, schnell zu sein, und aus Sicht

eines Entwicklers ist es umso besser, je schneller

man den Komparator machen kann. Üblicherweise

hat ein Komparator einen Ausgang, der speziell

dafür geeignet ist, direkt mit unterschiedlichen

Logikschaltungen verbunden zu werden. Diese

Funktionen und Architekturen sind jedoch nicht

immer die besten für unterschiedliche Applikationen.

Ein Operationsverstärker (OPV) dagegen ist

langsam; er hat eine Frequenzkompensation, die

eine Verzögerung im Komparator verursacht.

OPVs können über dem Eingang Rückkoppeldioden

(back-to-back diodes) haben, was es ausschließt,

große differenzielle Spannungen zu verwenden.

Wenn man einen OPV verwendet, gibt es mehrere

Dinge zu beachten. Während die Frequenzkompensation

den OPV langsam machen kann, kann

diese unerheblich sein, wenn man eine Funktion

hat, die nicht schnell sein muss, wie z.B. die

Stromversorgung oder Batteriespannungen. Der

OPV, da frequenzkompensiert, wird beim Übergang

nicht oszillieren. Im Gegensatz zum Komparator,

der ein sehr hohes Verstärkungsbandbreitenprodukt

hat, kann mit einigen zehn Picofarad,

die vom Ausgang in den Eingang zurück gekoppelt

werden, schwingen. Auch hat der OPV einen

großen Ausgangshub, was besser sein kann,

wenn der Ausgang bestimmte analoge Funktionen

ansteuert.

Man sollte also einen Komparator einsetzen,

wenn Geschwindigkeit und die Verbindung zur

Logik wichtige Faktoren sind. Man sollte einen

OPV verwenden, wenn die Geschwindigkeit nicht

so wichtig ist und die Chance besteht, dass der

Ausgang auf den Eingang des OPVs koppelt und

die Schaltung schwingt. Bei einem OPV muss

man jedoch sorgfältig darauf achten, sicher zu

stellen, dass er mit einer großen differenziellen

Spannung arbeitet, wenn er als Komparator verwendet

wird.

Was sollte ein Entwickler bezüglich der Betriebsspannung

(Nennspannung) beachten

Natürlich müssen die Betriebsspannungen des

Komparators mit den Spannungen der Ein- und

Ausgänge übereinstimmen. Viele Komparatorty-

pen können Eingänge haben, die mit Funktionen

verbunden sind, die außerhalb des Systems liegen.

Wenn dies der Fall ist, sollte man einen Komparator

wählen, der Eingänge besitzt, die gut gegen

Überspannungen und ESD geschützt sind.

Einige Komparatoren haben Eingänge, die über

der Versorgungsspannung oder unterhalb der

Masse arbeiten. Wenn die Spannungen höher als

die Komparator-Nennspannung ist, sollten geeignete

Schutzmaßnahmen, wie ein den Strom begrenzender

Widerstand und Klemmdioden benutzt

werden, um eine Zerstörung zu verhindern. Der

Ausgang des Komparators sollte an die Last angepasst

sein, die er betreibt. Relais benötigen beispielsweise

Spannungsunterdrückungsdioden,

um große Spannungsspitzen beim Ausschalten zu

unterdrücken. Diese Probleme sind zwar Extremfälle,

aber sie treten ziemlich häufig auf und müssen

berücksichtigt werden, wenn man den Komparator

auswählt.

Was sollte ein Entwickler bezüglich Geschwindigkeit,

Laufzeitverzögerung, Toggle-

Rate und Verlustleistung beachten

Nach meiner Erfahrung ist die Geschwindigkeit

eines Komparators die am häufigsten missver-

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Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs

Komparatoren

RSPECL (reduced-swing- PECL) Ausgängen. Einige schnelle Komparatoren

haben LVDS (low voltage- differential-signaling) Ausgänge

mit zwei Ausgängen für die symmetrischen Signalübertragung,

deren Differenz der Spannungen für den Logikzustand ausschlaggebend

ist. Der Spannungshub beträgt 300 mV um die absolute Spannung

von 1,2 V (Common-Mode Spannung). Diese Ausgänge können

direkt mit LVDS-Eingängen von Digitalschaltungen verbunden

werden.

Komparatoreingänge im Detail

Was sind die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Eingangsarten

(NPN-Eingang, Rail-to-Rail) im Detail Hierzu Bob Dobkin,

der am Ende dieses Beitrag zusätzlich einige wesentliche Fragen

zum Thema Komparatoren beantwortet:


standene Spezifikation. Komparatoren werden

beispielsweise bezüglich der Geschwindigkeit mit

einer 5 mV Überspannung bei einem 100-mV

-Schritt spezifiziert. Dies ist ein guter Weg, die

Grundgeschwindigkeit eines Komparators zu betrachten.

Der 100-Millivolt-Eingang stellt sicher,

dass jede Stufe im Komparator bis auf ihre interne

Grenze getrieben wird, so dass es keinen Geschwindigkeitsunterschied

zwischen 100, 200

oder 500 mV geben sollte. Dann wird das Eingangssignal

mit den 100 mV abgestuft und treibt

den Komparatoreingang 5 mV in die andere Richtung.

Diese 5 mV sind verglichen mit den 100

Millivolt eine sehr kleine treibende Kraft. Damit

der Komparator also schnell wird, muss er aus

seiner Sättigung von 100 mV kommen und dann

mit diesen 5 mV Überschwingen auf das andere

Spannungsextrem übergehen. Diese Geschwindigkeitsangabe

ist deshalb ein guter Indikator für

Geschwindigkeit und Laufzeitverzögerung des

Komparators.

Eine weitere Kenngröße eines Komparators ist die

Toggle-Rate, die angibt, wie schnell der Komparatorausgang

bei einem Rechtecksignal mit niedrigem

Pegel am Eingang vor und zurück schaltet.

Üblicherweise wird die Toggle-Rate bei 50 oder

100 mV am Eingang gemessen. Dies ist ein guter

Indikator für die Geschwindigkeit bei Applikationen

wie dem generieren einer Rechteckspannung

aus einem Sinussignal. Bei jedem Komparator

stehen die Geschwindigkeit und Verlustleistung in

engem Zusammenhang. Unterschiedliche Designs

wie auch unterschiedliche Herstellungsprozesse

haben verschiedene Verlustleistung. Ein

schneller Fertigungsprozess für kleine Spannungen

benötigt bei der gleichen Reaktionszeit weniger

Leistung, als ein langsamerer Hochspannungsprozess.

Deshalb sollte man, wenn man die

Verlustleistung gering halten will, den Komparator

auswählen, der mit der kleinsten Spannung auf

dem schnellsten Fertigungsprozess läuft.

Was muss ein Entwickler bezüglich des Rauschens

beachten

Rauschen gibt es bei jedem Komparator. Grundsätzlich

ist ein Komparator ein Breitbandverstärker

mit Klemmung, um die Laufzeitverzögerungen

minimal zu halten, wenn der Ausgang in die eine

oder andere Richtung in Sättigung geht. Wenn der

Komparator in der Mitte dieses Bereichs arbeitet,

dann verstärkt er das Rauschen der Eingangsstufe

und auch der anderen Stufen in einem Breitbandverstärker

mit hoher Verstärkungsbandbreite.

Angenommen, der Komparator oszilliert nicht,

wenn der Ausgang von einem Zustand in den anderen

übergeht, wird der Mittenbereich des Übergangs

sehr verrauscht sein. Dieses Rauschen

kann wie Mehrfach-Übergänge zu den Logikschaltungen

wirken, die der Komparator treibt.

Wenn dies ein Problem darstellt, sollte man eine

Hysterese einfügen, so dass das Schalten von einem

zum anderen Zustand eine größere Änderung

des Eingangspegels erfordert, als dies das

Rauschen des Komparators hervorruft. Komparatoren

mit bipolaren Transistoreingängen zeigen

ein geringeres Frequenzrauschen als MOS-Bausteine.

Wenn die Signalpegel nahe an den

Rauschpegeln des Komparators liegen, ist es eine

gute Idee, einen zusätzlichen Verstärker vor dem

Komparator zu benutzen, um das Rauschen unter

Kontrolle zu halten.

Was sind die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen

Komparatorausgänge (Offener

Kollektor, Latched-Ausgang, ECL-Pegel, LVDS)

Differenzielle Ausgänge, ob nun LVDS oder ECL,

besitzen eine gewisse Sperre für unerwünschte

Rückkopplungen vom Ausgang zum Eingang und

sind deswegen weniger anfällig für das Oszillieren.

Differenzielle Ausgänge können auch ohne

Abschwächung des Signals abgeschlossene Kabel

treiben.

Ein offener Kollektorausgang eignet sich gut für

analoge aber auch digitale Schnittstellen. Diese

Ausgänge haben üblicherweise einen Pull-up-Widerstand

oder eine Stromquelle und können hohe

Spannungen treiben – manchmal weit über der

Versorgungsspannung. Die meisten offenen Kollektorausgänge

können auch hohe Ströme für

Bausteine wir LEDs und Relais treiben. Ein unsymmetrischer

Ausgang zeigt die Tendenz in den

Eingang zurück zu koppeln und Schwingungen zu

generieren. Ein „Strobe-latched-Ausgang“ kann

die Rückkopplung in den Eingang minimieren.

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Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs

Komparatoren

Bild: National Semiconductor

Bild: Linear Technology Bild: Linear Technology

Bild 2: Komparatoren werden als Einfach-, Zweifach- und Mehrfachvarianten

angeboten. Der LMV7231 ist ein 6fach Komparator, der sich u.a. so gut in

Batteriemanagementsystemen zur Zellenüberwachung einsetzen lässt.

Die unterschiedlichen Eingänge haben unterschiedliche Limitierungen

des Eingangssignals. Die Emitter-basierte Sperrschicht eines

NPN bricht zwischen 5 und 7 Volt durch. Dies begrenzt das differenzielle

Eingangssignal für den Komparator auf diese Spannungen. Für

höhere differenzielle Eingangsspannungen gibt es Strukturen, die

PNP-Transistoren verwenden, die bis zu 30 Volt verkraften ohne beschädigt

zu werden. CMOS-Eingangsstufen haben die gleichen Einschränkungen

wo zu große Spannungen eines differenziellen Eingangs

einen Durchbruch des Gateoxids hervorrufen. Viele dieser

Bausteine haben einen gewissen Schutz vor Durchbruch an den Eingängen,

es ist jedoch besser, das Design innerhalb der Limitierungen

des Komparators zu entwickeln. Es wurden auch neue Komparatoren

entwickelt, um als Teil eines Niederspannungssystems mit einer

3- oder 5-Volt-Stromversorgung zu arbeiten. Diese Komparatoren

sind üblicherweise nicht für große differenzielle Spannungen ausgelegt,

da die Emitter-Basis oder der Gateoxid-Durchbruch ausreichend

für alles innerhalb der Versorgungsspannung sind.

Ein erweiterter Eingangsbereich wird erzielt, so Bob Dopkin

weiter, wenn man Rail-to-Rail-Komparatoren einsetzt. Diese Komparatoren

arbeiten von Masse bis zur positiven Versorgungsspannung

und können das Schaltungsdesign vereinfachen. Das einzige

Problem das auftritt, ist, dass verschiedene Transistoren auf unterschiedlichen

Pegeln fühlen. Die Übergangsregion zwischen dem

Niederspannungseingang und einem Eingang höherer Spannung

schaltet einem Satz von Eingangstransistoren aus und einen zweiten

ein, was in einer Änderung des Offsets abhängig vom Eingang

des Komparators resultiert. Diese Offset-Änderung ist ein zusätzlicher

Fehler, der am Eingang beachtet werden muss, wenn man den

Betriebsbereich des Komparators betrachtet.

Bild 3 oben: Applikation eines Komparators zur Überstromanzeige.

Bild 4 unten: Applikation eines Komparators zur Ladungs/Entladungskontrolle

an einem Akku für 3 bis 44V.

Jitter von Komparatoren

In einigen Applikationen werden schnelle Komparatoren verwendet,

um aus Sinussignalen Rechteck-Taktimpulse zu formen. Da

der Ausgangsjitter des Komparators den Taktjitter bestimmt, ist es

wichtig, dessen Jitterspezifikationen zu kennen, um den Taktjitter

zu berechnen. Generell beschreibt der Jitter die Zeitfehler eines

Systems, dabei unterscheidet man zwei Jittertypen: Dem deterministischen

Jitter und dem Random Jitter.

Deterministischer Jitter ist definiert als Jitter mit nicht Gausscher

Dichte-Verteilung, er ist zeitlich begrenzt und hat spezielle

Ursachen: Duty-cycle Distortion (durch Zeitdifferenz zwischen

ansteigender und fallender Flanke), EMI, Übersprechen sowie

Masseprobleme und solche durch den Einfluss der Spannungsversorgung.

Deterministischer Jitter wird durch den Spitze-zu-Spitze

Wert beschrieben. Random Jitter ist definiert als Jitter mit Gausscher

Dichte-Verteilung, die Amplitude ist zeitlich nicht begrenzt,

der Wert wird als Effektivwert angegeben. Hauptquelle für Random

Jitter ist thermisches Rauschen (weißes Rauschen) innerhalb

von System-Komponenten. In einem Komparator zum Beispiel,

hängt die Slewrate vom thermischen Rauschen ab und erzeugt

Zeitfehler am Ausgang. Die Summe aus deterministischem und

Random Jitter ist der Gesamt-Jitter, der durch einen Spitze-zu-

Spitze Wert ausgedrückt wird. Konvertiert man den Random Jitter

Effektivwert in einen Spitze-zu-Spitze Wert, kommt man zur Bit-

Error Rate (BER).


Die Autoren: Bob Dobkin CTO und Vice President bei

Linear Technology und Siegfried W. Best, Redaktion

elektronik industrie.

26 elektronik industrie 07 / 2011

www.elektronik-industrie.de

22_Komperatoren_421 (sb).indd 26 30.06.2011 12:17:58


Mixed Signal/Prozessoren

Software

Bild: Edmund Preiss

C++ Advanced

Developer Conference

Wiederbelebung eines erfolgreichen

Konzepts in Deutschland

Edmund Preiss, Manager Business Development der Intel Softwareentwicklungswerkzeuge,

berichtet von der C++ Konferenz in Prien am Chiemsee.

Nach mehreren Jahren in einem Quasi-Tiefschlaf hat die Trainingsorganisation

PPEDV den Schritt gewagt und das Konzept einer deutschen

C++ Konferenz wiederbelebt. Am 5.und 6. Mai fand in Prien

am Chiemsee die C++ Advanced Developer Conference (ADC) statt,

die sich ausschliesslich dem Thema C/ C++ und nativer Programmierung

widmete. Ziel war es, den etwa 100 Teilnehmern eine Informationsplattform

anzubieten, auf der ihnen neun kompetente Präsentatoren

über neueste Entwicklungen und Standardisierungstendenzen im

C++ Umfeld berichten konnten. Einer der beiden Keynotesprecher

war Boris Jabes, der das Microsoft C++ Entwicklungsteam leitet. Er

verdeutlichte, dass die native C++ Programmiersprache bei Microsoft

vor allem bei der parallelen Programmierung wieder an Bedeutung

gewonnen habe.

Daneben gab Aaron Coday, der bei Intel in EMEA für die Entwicklerunterstützung

im Visual Computing Verantwortung trägt, in seiner

Keynote einen Hardware-fokussierten Vortrag über die neueste Intel

Core Architektur der zweiten Generation (Sandybridge). Er zeigte,

wie AVX, neue Turbomodi, ein auf Hardware basierender Videotranscoder

und integrierte Grafik geeignet sind, noch leistungsfähigere

Applikationen hervorzubringen.

Michael Wong, der unter anderem als Mitarbeiter von IBM im C++

Standardisierungsgremium sitzt, nutzte seinen Vortrag, um offiziell

den C++0x Standard mit seinen neuen Eigenschaften (Unterstützung

für Parallelität und ROMable Devices inklusive von range-based for,

auto inferences, decltype, constexpr, uniform initializer lists und

lambdas) bekanntzugeben. Dieser C++ Standard wird derzeit unter

dem Namen C++11 gehandelt, falls er nicht doch noch wegen letzter

möglicher Verzögerungen im Standardisierungsverfahren in C++12

umgetauft werden könnte. Weitere Vortrage behandelten die Thematiken

Parallelprogrammierung und Parallelsierungskonzepte, Im Zusammenhang

mit einer Podiumsdiskussion während einer Schiffsfahrt

auf dem Chiemsee kam seitens der Teilnehmer zum Ausdruck,

dass das Event als sehr positiv beurteilt wurde.

Es bleibt zu hoffen, dass der positive Rücklauf auch im nächsten

Jahr wieder zu einer weiteren C++ Konferenz für den deutschsprachigen

Raum führt.(sb)

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Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs

MCU mit Display-Treiber

Smartcard-Batterielaufzeit

von über 8 Jahre

16-Bit-Mikrocontroller mit integriertem EPD-Treiber

Der S1C17F57 ist ein 16-Bit-Mikrocontroller von Epson der speziell für den Einsatz in Smartcards mit E-Ink

EPD-Displays konzipiert wurde. Der eingebaute EPD-Treiber kann bis zu 64 Segmente eines passiven EPDs

mit zusätzlichen 2 Top- und 2 Backplane-Ausgängen ansteuern.

Autor: Naveen Srinivasan

Durch die hohe Integrationsdichte des Mikrocontrollers

S1C17F57 können die Kosten von Smartcards mit EPD-

Displays (electrophoretic display device oder auch Electronic

Paper) weiter reduziert werden. Ein spezielles Power-Management

stellt dabei die Funktionen in allen Einsatzbereichen

sicher. Durch den integrierten EPD-Treiber, der in der Lage

ist Spannungen bis zu 15 V auszugeben, sowie dem eingebauten

Wellenform-Generator werden keine weiteren externen aktiven

Komponenten benötigt, um ein passives, E-Ink-basierendes Panel

zu treiben. Der ebenso enthaltene Temperatursensor hilft dabei,

die geeignete Wellenform gemäß der gemessenen Temperatur auszuwählen

und somit die Displayqualität zu optimieren. Dieser

kann zusätzlich zum Feinabgleich des integrierten 32-kHz-Oszillators

genutzt werden; damit können zeitbasierende OTP-Karten

eine höhere Genauigkeit erzielen.

Durch den effizienten DC/DC-Wandler sowie den sehr geringen

Stromverbrauch im Powerdown-Modus ist der Mikrocontroller

besonders für Smartcard-Applikationen geeignet. Typische Stromverbrauchswerte

liegen bei 120 nA im Sleep-, 200 nA im aktiven

RTC-Modus (Real Time Clock) und Datenerhaltung im RAM-

Bereich, 500 nA im Halt-Mode bei laufendem 32 kHz Clock sowie

12 µA im normalen Betrieb bei 32 kHz. Wie im Bild 1 gezeigt, kann

damit eine Smartcard unter der Annahme einer 24 mAh Batterie,

3 Jahre Lagerhaltung, 30 Aktivierungen pro Tag mehr als 8 Jahre

betrieben werden.

Um die Anzahl der zu treibenden EPD-Segmente zu erhöhen

kann der Mikrocontroller optional mit einem separatem EPD-

Treiber zum Beispiel dem S1D14F51 mit maximal 256 Segmentausgängen

kaskadiert werden, damit können bis zu 320 EPD-Seg-

Bild: Epson Semiconductor

Bild 2: Um die Evaluierung des 16-Bit-Mikrocontrollers

S1C17F57 zu erleichtern bietet Epson auch ein geeignetes

Demo/Entwicklungs-Kit samt E-Ink-Display an.

mente angesteuert werden. Dies ermöglicht Displays mit bis zu 45

7-Segment-Buchstaben oder beispielsweise 22 alphanumerische

14-Segment-Darstellungen auf einem E-Ink-Display.

Die MCU S1C17F57

Der Mikrocontroller S1C17F57 enthält 32 KByte Flash sowie 2

KByte RAM. Es steht eine große Auswahl an Oszillator-Optionen

bereit: 32 kHz Oszillator mit externem Quarz, integrierter 32 kHz

Oszillator, maximal 4,3 MHz Keramik-Oszillator sowie einen inte-

Einheit Eventbasierende OTP Zeitbasierende OTP

Betriebsstrom @ 2 MHz Ipp mA 1 1

Display-Update Strom Ipu µA 57 57

Pulslänge für Berechnung tpp ms 100 100

Pulslänge für Display-Update tpu ms 500 500

Zusätzlicher Konstantstrom Ic nA 85 170

Sekunden/Tag s 86400 86400

Updates/Tag nd 1/Tag 15 15

Durchschnittsstrom nA 107 192

Batteriekapazität bc mAh 10 10

Lagerstrom (Schlafstrom) nA 85 170

Lagerzeit st Jahre 1 1

Effektive Batteriekapazität mAh 9,26 8,51

Betriebszeit Zeit Jahre 9,85 5,05

Bild 1: Berechnung der

Batterielebensdauer einer

OTP-Karte auf der Basis

der 16-Bit-MCU S1C17F57

von Epson.

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timing-p


Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs

MCU mit Display-Treiber

grierten, per Software selektierbaren Oszillator (2 MHz/1

MHz/500 kHz). Zusätzlich ist eine Hardware-basierende RTC

samt Kompensation von Zeitfehlern aufgrund schwankender

Oszillatorfrequenzen integriert. Der justierbare Bereich liegt

zwischen -15/32768 und +16/32768 s. Der eingebaute 16x16

Multiplizierer sowie der 16x16+32 Multiplizier + Addier-

Block benötigt nur 1 Clock-Zyklus und gewährleistet somit in

Kombination mit dem Epson RISC-Core C17 (1 Befehl pro

Takt-Zyklus) höchste Performance.

Peripheriefunktionen

Wie die anderen sehr leistungsfähigen S1C17 16-bit-MCUs

von Epson wartet auch der S1C17F57 mit nützlichen Peripheriefunktionen

auf. Diese sind zum Beispiel ein R/F (Resistance

to Frequency) Analog-Konverter zur Messung von

Temperatur und Feuchtigkeit), 2 Kanäle zur direkten Temperaturmessung,

SVD (Supply Voltage Detection), serielle Interfaces

wie SPI, UART (IrDA 1.0-kompatibel) oder I 2 C Master

& Slave. (jj)


Der Autor: Naveen Srinivasan ist Mitarbeiter von Epson Semiconductor .

Auf einen Blick

Verlustleistungsarmer Mikrocontroller für

Smartcards

Der Mikrocontroller S1C17F57 ist in den verschiedensten Gehäusevarianten

wie beispielsweise TQFP15-128, QFP15-128,

Die mit Aluminium-Pads und auch als Die mit Goldbumps verfügbar.

Der Version mit Goldbumps besitzt lediglich eine Dicke

von 200 µm und ist damit gut für COF (Chip-on-Flex) und ACFbasierende

Anwendungen für Smartcards geeignet.

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Stromversorgungen

Regler-ICs

Für modernes

Power-Management

Regler-ICs mit integrierten FETs

für Ströme bis 10 A

Mit den Power-Management-Produkten der Baureihe Eco Speed

erfüllt Semtech alle Anforderungen von POL-Applikationen (Point

of Load). Dabei werden sowohl ökologisch als auch ökonomisch

neue Maßstäbe gesetzt. Die integrierten FETs können mit

Strömen bis 10 A arbeiten.

Autor: Michael Fink

Die Power-Management-ICs der Eco-Speed-Familie basieren

auf der AOT-Technologie (Adaptive On Time) von

Semtech, die zunächst in Notebooks und Industrie-PCs

eingesetzt wurden und mit der man dort sehr gute Erfolge

erzielt hat. Die schnelle Ausregelung von Transienten und der hohe

Wirkungsgrad über einen weiten Eingangsspannungs- und Lastbereich

sind die besonderen Eigenschaften dieser Technologie. Das

Adaptive-On-Time-Regelverfahren ist eine Weiterentwicklung des

COT-Prinzips (Constant On Time). Mit AOT hat Semtech eine

Technik entwickelt, die ähnlich wie die digitale Regelung eine stabile

Regelung über einen weiten Eingangsspannungsbereich und einen

weiten Ausgangslastbereich bietet. Diese Eigenschaft ist bei COT und

AOT grundsätzlich gegeben, da das Regelglied nicht auf Verstärkern

sondern auf Komparatoren basiert. Durch den Einsatz der Kompara-

Bild 2: Wirkungsgrad, abhängig von Last und Ausgangsspannung (links unten).

Bild 3: Einschwingverhalten bei Übergang vom Power-Safe- auf den

Lastmodus (links oben).

Bild 4: Einschwingverhalten vom Last- in den Power-Safe-Modus (rechts oben).

Auf einen Blick

Erwartungen erfüllen

Die Power-Managment-ICs der Baureihe Eco Speed erfüllen die Erwartungen

des Anwenders bezüglich Flexibilität und Konfi gurierbarkeit. Alle wichtigen

Parameter sind extern einstellbar und die Bausteine mit integrierten

FETs sind in vier unterschiedlichen Leistungsklassen bis 10 A abgestuft.

Für größere Lastströme ist der Controller auch ohne FETs erhältlich.

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Stromversorgungen

Regler-ICs

Epson Microcontroller

Unsere Flexibilität

= Ihr Produkt-Vorsprung

Bild 1: Die unterschiedlichen Power-Management-Regelungsverfahren im Vergleich.

toren ist zum einen die Regelzeit um Faktor 4

bis 5 schneller und man benötigt keine Kompensation,

wie sie bei Reglern mit Spannungs-

und Stromregelverfahren nötig sind.

Somit fallen bei COT und AOT die Kompensationsberechnungen

zweiter oder erster

Ordnung weg.

Vorteile der Adaptive On Time-Technik

Der Vorteil von AOT gegenüber COT ist,

dass die Frequenzschwankungen auf typisch

±15 % reduziert wurden, somit ist die

Frequenzabweichung mit der von über

Strom und Spannung geregelten Schaltreglern

vergleichbar. Bei AOT wird die Einschaltzeit

(Adaptive On Time) des oberen

FETs über einen externen Widerstand und

ein integriertes Zeitglied fest eingestellt, die

Ausschaltzeit ist somit nur noch vom Laststrom

abhängig. Das gesamte Design wird

für eine nominale Last ausgelegt. Ändert

sich das Lastmoment, so ändert sich auch

kurzzeitig die Schaltfrequenz. Durch diese

lastabhängige Frequenzänderung ist der

Regler in der Lage, Transienten sehr schnell

zu regeln und aus diesem Grund reduzieren

sich die Ausgangskapazitäten und die

Gesamtkosten der Schaltung sind geringer.

Der zweite Vorteil von AOT ist der automatische

Power-Safe-Modus. Die Ausschaltzeit

ist lastabhängig und bewirkt eine

proportionale Änderung der Schaltfrequenz.

Mit kleiner werdender Last wird

auch die Frequenz kleiner, somit werden

automatisch die Schaltverluste kleiner und

der Wirkungsgrad steigt. Das AOT-Regelverfahren

erreicht auch bei kleinen Lasten

einen relativ hohen Wirkungsgrad.

Ähnliche Wirkungsgrade werden auch

bei höheren Taktfrequenzen erreicht. An

der Kurve in Bild 2 kann man auch sehr

schön erkennen, dass die Eco-Speed-Familie

- hier am Beispiel des SC417 – auch bei

großem Umsetzungsverhältnis (mehr als

10) Wirkungsgrade zwischen 85 % und 90

% erreicht. Natürlich kann man auch den

Wirkungsgrad durch gezielte Auswahl der

externen Komponenten noch weiter optimieren.

Der Ultrasonic Power Safe Mode begrenzt

die untere Frequenz auf 25 kHz und

vermeidet, dass die Schaltimpulse im hörbaren

Bereich liegen. Es gibt aber auch

Bausteine, bei denen die untere Frequenzbegrenzung

vom Anwender individuell

einstellbar ist (Bilder 3 und 4).

Virtueller ESR

Ähnlich wie bei Reglern mit Hystereseoder

Ripple-Modus, wird die Ausgangsspannung

über die Spannungsschwankung

am Ausgang gemessen. Da bei AOT die

On-Time (Einschaltzeit des oberen FETs)

vorgewählt ist, werden nur die negativen

Werte der Welligkeit der nominalen Ausgangsspannung

geregelt. COT- und AOT-

Regler sind quasi halbe Hysterese-Modus-

Regler. Die Welligkeit entsteht im Wesentlichen

durch den ESR (serieller Ersatzwiderstand)

der Ausgangskapazitäten. Somit

kann man bei dieser Technologie die gewünschte

Welligkeit der Ausgangsspannung

auswählen. Nun fragt man sich berechtigter

Weise, was passiert beim Einsatz

von keramischen Kondensatoren, die von

Haus aus einen kleinen ESR haben. Schaltet

man mehrere davon parallel, dann wird

der ESR nochmals kleiner. Semtech hat

hierfür den so genannten „virtuellen ESR“

entwickelt, eine einfache Methode, um

den sicheren Einsatz von keramischen

Kondensatoren zu gewährleisten.

Smart-Drive-Funktion

Zusätzlich haben Eco-Speed-Bausteine die

Smart-Drive-Funktion integriert. Sie unterdrückt

Störungen, die durch das schnelle

Einschalten der FETs auftreten (Bilder 5

und 6). Häufig werden solche Effekte durch

Gate-Widerstände oder durch so genannte

Snapper (Filterschaltung zwischen Phase

und Masse) gedämpft. Diese schaltungstechnischen

Lösungen sind in der Regel

mit höheren Verlusten behaftet. Smart-

Drive gibt eine langsam ansteigende Gate-

Spannung solange vor, bis ein definierter

Spannungspegel an der Phase anliegt, dann

wird die volle Gate-Spannung angelegt. Da-

Epson hat den Anspruch, besonders

praxisgerechte Lösungen für Ihre

Herausforderungen zu finden.

Dies zeigt sich bei unseren Microcontrollern

durch maximale Flexibilität im gesamten

Einsatzspektrum.

Voraussetzung für Ihren

Produkt-Vorsprung:

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Applikationen durch eine umfassende

Microcontroller-Produktfamilie

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höchste Displayauflösung bei mimimalem

Energieverbrauch

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Gehäuseformen und Varianten für jede

Design-Anforderung

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Stromversorgungen

Regler-ICs

Bilder: Semtech

Bild 5: Beispiel für „normale“ FET-Schaltvorgänge.

Bild 6: FET-Schaltvorgänge mit Smart-Drive.

mit hat man quasi ein gedämpftes Schalten des FETs ohne große

Verluste einzufahren.

Die Eigenschaften von Smart-Drive sind für das gesamte System

von Bedeutung. Im System werden dadurch die elektromagnetischen

Abstrahlungen reduziert.

14 Bausteine

Die Eco-Speed-Familie umfasst derzeit 14 Bausteine, die man in

unterschiedliche Kategorien einteilen kann (siehe Bild auf der

ersten Seite). Einmal gibt es Bausteine für reine 5-V-Applikationen,

das sind die SC17x-Regler, die es mit verschiedenen Stromstärken

von 1 bis 4 A gibt. Dann die Varianten von 3 bis 24 V bzw.

28 V und Strömen von 3 A bis 10 A, die durch die Regler SC403

bis 417 bzw. SC424/427 abgedeckt werden.

Für größere Leistungen stehen die Controller SC418/19/93, die

mit externen FETs arbeiten und somit die höchste Flexibilität bieten,

zur Verfügung. Mit diesen Controllern kann man sehr viel höhere

Ströme abdecken, dabei aber auch die besten Wirkungsgrade

erreichen.

Der SC493 ist dabei eine Besonderheit, da dieser Baustein über

I 2 C programmiert und überwacht werden kann. Dabei war es

Semtech wichtig, dass die Regelung nach wie vor analog ist, man

aber die Eigenschaften wie Ausgangsspannung, Strombegrenzung,

R-78C_420x80_0311_Layout 1 6/16/2011 11:18 AM Page 1

Anlaufverzögerung und Anlaufverhalten digital einstellen kann.

Zusätzlich kann das System den Status des Bausteins abfragen,

zum Beispiel ob er in Regelung ist oder nicht, ob es Störungen, wie

Überstrom oder zu niedrige Eingangsspannung gibt, oder wie

hoch die Betriebstemperatur ist.

Ausblick

Diese quasi „kombinierte“ Analog-Digital-Technologie liegt bei

Semtech im Fokus und es werden in nächster Zeit weitere Produkte

hinzukommen. Der Anwender kann hier auf ein Produktspektrum

zugreifen, das für viele verschiedene Applikationen einsetzbar ist

und immer auf der gleichen Technologie basiert, die den neuesten

Anforderungen entspricht und das Power-Management-Design wesentlich

vereinfacht. Natürlich gibt es von Semtech auch eine umfangreiche

Unterstützung beim Design. Angefangen beim Online-

Design-Tool CSIM, mit dem man einen ersten Schaltplan erstellen

und das prinzipielle Verhalten simulieren kann. Des Weiteren gibt es

verschiedene Anwendungsbeispiele zu denen Schaltpläne, Testprotokolle

und die BOM sowie Evaluation-Boards gehören, mit denen

man die Bauteile in einer realen Umgebung testen kann. (jj) n

Der Autor: Michael Fink ist Mitarbeiter der Semtech Germany GmbH

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Stromversorgungen

Batterien/Akkus

Mobile Energie

Trends im Markt für Batterien, Akkus und Ladetechnik

Duracell hat ein neues Alkali-Batterie-Portfolio entwickelt, mit

dem die Ansprüche der verschiedenen Konsumentengruppen

noch besser bedient werden können. Zu dem Portfolio gehören die

Premiumbatterie Duracell Ultra Power, der Klassiker Duracell Plus

sowie das neue Einstiegsmodell Simply Duracell.

Duracell Ultra Power ist die leistungsstärkste Alkali-Batterie und

hält entscheidend länger in Geräten mit hohem Energiebedarf. Sie ist

mit der Powercheck-Technologie ausgestattet, die den Ladezustand

der Batterie über zwei Kontaktpunkte anhand einer Farbskala sichtbar

macht. Der Konsument kann sich also jederzeit über den Ladezustand

der Batterie informieren. Als Neuheit wurde Einstiegsprodukt Simply

Duracell eingeführt, es bietet zum günstigen Preis den Start in die

Duracell-Markenqualität.

Mit Duracell myGrid wurde eine innovative Ladestation mit Konduktionstechnologie

entwickelt, die Schluss mit Kabel- und Steckerchaos

macht. Das Drop-and-Go-Ladepad lädt kabellos bis zu vier

Geräte gleichzeitig auf. Dazu können beispielsweise Mobiltelefone

und Musikplayer an beliebiger Stelle auf der rund 17 cm x 15 cm großen

Fläche des Pads platziert werden. Duracell myGrid ist kompatibel

mit vielen Geräten von Apple, BlackBerry, Nokia und Motorola sowie

allen Handys, Smartphones und MP3-Playern, die über einen Mikrooder

Mini-USB-Ladeanschluss verfügen. Auch das Produktportfolio

für den wachsenden Akku-Markt wird von Duracell kontinuierlich

weiterentwickelt. Zur neuesten Akkutechnologie gehören Duracell

Stay Charged Akkus (ehemals ActiveCharged), die sofort einsetzbar

und für Geräte mit hohem Energiebedarf geeignet sind. Diese Akkus

haben eine äußerst geringe Selbstentladung und verfügen selbst nach

einem Jahr noch über 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität. Im Standard-Bereich

sind die NiMH-Akkus geeignet für Fotokameras, aber

auch für alltägliche technische Geräte wie Wecker, Radio oder Spielzeug.

Die kraftvolle Premium-Variante Supreme ist besonders für digitale

Kameras und für Geräte mit hohem Energieverbrauch konzipiert.

Im Bereich der Batterien für professionelle Anwender setzt Duracell

weiterhin auf das Procell-Sortiment.

Duracell Professional steht für engagierten Service in Zusammenarbeit

mit den professionellen Kunden und Nutzern in Europa. Er

bietet Präsenz in zehn europäischen Ländern, Betreuung von länderübergreifenden

Kunden, sowie den Zugriff auf die Kompetenz des

Duracell-Technikzentrums.

Auch bei Batterien für professionelle und industrielle Anwendungen

geht ein Trend in Richtung „Green“ und Nachhaltigkeit. Neben

der Premium-Leistung und Qualität der Duracell-Batterien, wird

auch im Profi-Segment dieser Zusatznutzen zusammen mit einem

hervorragenden Service immer wichtiger.

Der Markt für mobile Energie wird weiter wachsen. Duracell arbeitet

hier mit einem Produktportfolio, welches bereits deutlich über die

klassische Batterie hinaus entwickelt wurde. Weitere Entwicklungen

werden das Ziel verfolgen, die Bedürfnisse von Konsumenten und

professionellen Anwendern noch besser und umfassender zu befriedigen.

Auch neue Verordnungen wie die EU-Batterierichtlinie sorgen

für einen Wandel. Duracell informiert und berät dazu die Entwickler

und Partner in Unternehmen und Industrie über die Gesetzeslage.

Energieeffiziente und nachhaltige Produkte werden am Markt weiter

an Bedeutung gewinnen. Das Thema Nachhaltigkeit ist bereits seit

Jahren wichtiger Teil von der Unternehmensphilosophie und Strategie

bei Duracell und Procter & Gamble. Daher sieht man dort von

der Herstellung über die Verpackung bis hin zur Entsorgung die

Nachhaltigkeitsziele und deren Umsetzung als eine gemeinsame Basis

für zukünftige Lösungen zu „mobiler Energie“. (jj)

n

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Bild: Duracell

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Stromversorgungen

Opto-Triacs

Bild 1: Schaltzeichen (a) und vereinfachter Aufbau (b) eines Wechselstromschalters.

Wechselstromschalter

Steuerung per Opto-Triac

Wechselstromschalter sind Halbleiterbausteine, die zur Steuerung von

Verbrauchern dienen, die direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen

sind. Somit kann der Bezugspunkt beim Ansteuern des Wechselstromschalters

auf dem Potenzial der Netzspannung liegen. Die galvanische

Trennung der Ansteuereinheit und die Frage, wie sie sich im Fall eines

Wechselstromschalters implementieren lässt stehen im Mittelpunkt des

Beitrages. Autoren: L. Gonthier, J.-M. Simonnet, A. Passal

Ist eine galvanische Trennung zwischen Mikrocontroller und

Wechselstromschalter erforderlich Der Bezugspunkt für das

Ansteuern eines Wechselstromschalters kann Verbindung zur

Netzspannung haben. Wenn also ein Mikrocontroller (MCU)

den Wechselstromschalter direkt ansteuert, hat auch dieser eine

direkte Verbindung zum Netzpotenzial. Man war in der Vergangenheit

der Auffassung, dass eine direkte Verbindung zwischen

MCU und Stromnetz vermieden werden muss, da sie die Störimmunität

des jeweiligen Geräts beeinträchtigt. Im Laufe der Jahre

konnte jedoch nachgewiesen werden, dass eine solche Anordnung

durchaus gute Störimmunitäts-Eigenschaften vorweisen kann und

dass der Anschluss eines Mikrocontrollers an einen stabilen, nicht

potenzialfreien Bezugspunkt günstig für die Störsicherheit ist.

Eine Betriebsisolation wird benötigt, wenn der Bezugspunkt der

Steuerungsschaltung nicht identisch mit dem Bezugspunkt des

Wechselstromschalters ist. Dies ist u.a. bei neuen Geräten der Fall,

in denen ein Umrichter zur Ansteuerung eines Drei-Phasen-Motors

dient und der Mikrocontroller an den Gleichstromkreis angeschlossen

ist, während der Wechselstromschalter mit dem Wechselstromnetz

verbunden ist. Hier wird ein Pegelumsetzer für die

Kommunikation zwischen MCU und Wechselstromschalter benötigt.

Es ist üblich, für diese Aufgabe einen Opto-Triac zu verwenden,

doch funktioniert ein solches Bauelement nicht einwandfrei

bei der Vollwellen-Ansteuerung von Wechselstromschaltern.

Opto-Triac zum Ansteuern eines Wechselstromschalters

Die heute angebotenen Wechselstromschalter basieren auf den

verschiedensten Technologien und Designs. Am bekanntesten

sind Standard-Triacs, Snubberless-Triacs sowie die Anfang der

1990er Jahre vorgestellten Wechselstromschalter.

Um einen Triac oder einen Wechselstromschalter einzuschalten,

muss ein Gate-Strom zwischen dem Gate (G) und dem Anschluss

A1 (bei einem Triac) bzw. zwischen Gate und COM-Anschluss

(bei einem Wechselstromschalter) fließen. Bei einem Triac spielt

die Richtung des Stroms keine Rolle, was den beiden antiparallel

geschalteten Dioden zwischen G und A1 zu verdanken ist.

In seinem inneren Aufbau unterscheidet sich ein Wechselstromschalter

von einem Triac, denn das Gate ist hier der Emitter eines

NPN-Bipolartransistors. Es ist deshalb nur eine PN-Sperrschicht

(implementiert durch P1 und N1 im Bild 1) vorhanden, sodass der

Strom ausschließlich aus dem Gate heraus, aber nicht in das Gate

hinein fließen kann.

Um einen Triac galvanisch isoliert anzusteuern, setzt man in der

Regel einen Opto-Triac in Serienschaltung mit den Anschlüssen

A2 und G des Triacs ein. Zusätzlich wird ein Widerstand in Reihe

geschaltet, um die Stromstärke für das Gate zu reduzieren. Gezündet

wird der Baustein durch einen positiven Gate-Strom, wenn die

am Triac liegende Spannung unmittelbar vor dem Einschalten positiv

ist, bzw. durch einen negativen Strom im umgekehrten Fall.

Eine solche Lösung eignet sich für alle Triacs. Die Zündung des

Triacs erfolgt dabei in den Quadranten Q1 und Q3.

Da Wechselstromschalter ausschließlich von Strömen mit negativem

Vorzeichen gezündet werden können, steuert ein Opto-Triac

den Wechselstromschalter nur bei negativer Netzspannung an. Der

Verbraucher erhält deshalb immer nur während jeder zweiten Halbwelle

Strom, was für die meisten Anwendungen nicht sinnvoll ist.

34 elektronik industrie 07/2011

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Stromversorgungen

Opto-Triacs

Allerdings gibt es inzwischen neuere Applikationen, in denen dieses

Verhalten gewünscht ist. – beispielsweise bestimmte Pumpen in Kaffeemaschinen,

die über eine eingebaute Diode verfügen, oder Elektromagnete

für die Türverriegelung von Waschmaschinen.

Hier kommt deshalb ein Wechselstromschalter, angesteuert

durch einen Opto-Triac, durchaus in Frage. Dabei muss lediglich

beachtet werden, dass die Potenzialdifferenz zwischen G und COM

nicht größer als 10 V sein darf, um die G-COM-Sperrschicht nicht

zu zerstören. Zwei Lösungen bieten sich an, um das Anlegen der

positiven Halbwelle der Netzspannung bei eingeschaltetem Opto-

Triac zu verhindern:

■ Blockieren der positiven Spannung mithilfe einer Hochspannungs-Diode

in Reihe mit dem Opto-Triac (Bild 2).

■ Verwendung einer Niederspannungs-Diode parallel zur COM-

G-Sperrschicht (Bild 3) als Bypass für die hohe positive Spannung.

Anzumerken ist, dass im ersten Fall der Opto-Triac und die ➔

Auf einen Blick

Galvanische Trennung per Opto-Triac

Wechselstromschalter dienen der Steuerung von Verbrauchern, die

direkt an das Wechselstromnetz angeschlossen sind. Der Artikel widmet

sich der Notwendigkeit einer galvanischen Trennung der Ansteuereinheit

und der Frage, wie sich diese im besonderen Fall eines

Wechselstromschalters implementieren lässt.

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Stromversorgungen

Opto-Triacs

Bild 2: Lösung für die Halbwellen-Ansteuerung eines Wechselstromschalters

mit Seriendiode.

Bild 4: Schaltplan für die Vollwellen-Ansteuerung eines Wechselstromschalters

per Opto-Triac.

Bild 3: Lösung für die Halbwellen-Ansteuerung eines Wechselstromschalters

mit Paralleldiode.

Diode durch einen in Sperrrichtung gepolten Opto-Thyristor, dessen

Anode mit dem Gate des Wechselstromschalters verbunden

ist, ersetzt werden sollten.

Vollwellen-Ansteuerung mit Opto-Triac

In Hausgeräte-Anwendungen müssen die meisten Verbraucher im

Vollwellen-Modus angesteuert werden. Eine Anpassung der soeben

angeführten Schaltungen mit dem Ziel, das Zünden des

Wechselstromschalters bei beiden Halbwellen zu gewährleisten,

wird verworfen. Die Lösung besteht vielmehr darin, einen Niederspannungs-Kondensator

hinzuzufügen, der am Beginn der positiven

Halbwelle einen Strom in das Gate fließen lässt. In dem Schaltplan

zu dieser Lösung sind zwei Niederspannungs-Dioden zu erkennen

(Bild 4). Das Funktionsprinzip geht aus Bild 5 hervor:

1. Der Opto-Triac schaltet ein und lädt den Kondensator C auf V GT

(ca. 0,7 V) auf. Die COM-G-Sperrschicht wird dadurch leitend,

und der Wechselstromschalter wird durch einen negativen Gate-

Strom gezündet.

2. Der Wechselstromschalter bleibt bis zum nächsten Nulldurchgang

eingeschaltet. Die G-COM-Spannung wird wegen des leitenden

Wechselstromschalters auf 0,7 V gehalten, und C bleibt geladen.

3. Mit zunehmender Stromstärke im Wechselstromschalter steigt

auch V G-COM

an, sodass von C ein negativer Strom kommt, der den

Wechselstromschalter für die folgende Halbwelle einschaltet.

In dieser Lösung bleibt der Wechselstromschalter am Beginn einer

jeden Halbwelle so lange abgeschaltet, wie es für das erneute

Aufladen des Kondensators C erforderlich ist. Der Wechselstromschalter

schaltet ein, sobald die an ihm liegende Spannung einen

Wert von ungefähr 10 V erreicht. Starke leitungsgebundene Störungen

sind durch dieses Verhalten nicht zu befürchten, denn der

aus dem Netz entnommene Strom ist wegen des nach dem Nulldurchgang

in den Kondensator fließenden Ladestroms nach wie

vor weitgehend sinusförmig. (jj)

n

Die Autoren: Laurent Gonthier, Jean-Michel Simonnet und Antoine Passal

sind Mitarbeiter von STMicroelectronics.

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NEWS

Bild 5: Diagramm zur Funktionsweise der Schaltung aus Bild 4.

Bilder: ST Microelectronics

36 elektronik industrie 07/2011

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Stromversorgungen

Mess-Tipp

Welligkeitsmessung an Netzteilen

Hochfrequente Impulsspitzen eliminieren

Die Welligkeit am Ausgang eines Netzteils sollte

nicht mit einer langen Masseleitung gemessen

werden, wie man sie an Oszilloskopen normalerweise

vorfindet, denn in diese Leitung können

Impulsspitzen einstreuen, die im Ausgangssignal

selbst eigentlich gar nicht vorhanden sind. Dies

lässt sich einfach nachweisen, indem man die

Anschlussleitungen des Oszilloskops nach dem

Verbinden mit dem Netzteil bewegt. Man sieht

dann deutlich, wie die Störungen durch das Bewegen

der Masseleitung abwechselnd stärker und

schwächer werden (Bild 1).

Für das Messen der Welligkeit verzichtet man

besser ganz auf die Masseleitung. An der Spitze

des Tastkopfs ist der Abstand zwischen Plus und

Masse sehr klein. Man verbindet die Tastkopfspitze

stattdessen mit einer Steckbuchse, wie man

sie überall erwerben kann. Der mittlere Anschluss

der Buchse wird nun mit dem Ausgang

des Netzteils verlötet, während man den anderen

Anschluss über einen oberflächenmontierbaren

Mehrschicht-Keramikkondensator von 0,1 µF

mit Masse verbindet. Das Oszilloskop wird nun

auf eine obere Grenzfrequenz von 5 MHz eingestellt.

Zum Messen der Welligkeit führt man die

Tastkopfspitze in die Buchse ein. Das ganze sollte

aussehen wie in Bild 2. Auf diese Weise erhält

man eine akzeptable Welligkeitsmessung ohne

störende Impulsspitzen.

Ein Mehrschicht-Keramikkondensator mit einer

Kapazität von 0,1 µF wird auf der Rückseite

der Leiterplatte mit den beiden Leitungen verbunden.

Gemeinsam mit der Steckbuchse filtert

dieser Kondensator all jene hochfrequenten Anteile

aus, die beim Messen der Welligkeit vorkommen

können. Elektrolyt , Papier und Kunststofffolienkondensatoren

sind für die Entkopplung

bei hohen Frequenzen nicht besonders gut

geeignet. Der Grund hierfür ist, dass diese Kondensatoren

im Prinzip aus zwei Metallfolien mit

einer dazwischenliegenden dielektrischen

Schicht bestehen, die zusammen zu einer Rolle

aufgewickelt werden. Eine solche Struktur besitzt

eine beträchtliche Eigeninduktivität und

Bild 1: Oszilloskop-Tastkopfspitze mit Masse-Leitung.

Bild 3: Für die Messung wurde ein 0,1 µF Kondensator

eingesetzt, um Impulsspitzen zu beseitigen.

wirkt bei Frequenzen über einigen Megahertz

weniger wie ein Kondensator, sondern mehr wie

eine Induktivität.

Im vorliegenden Fall wurde deshalb ein Mehrschicht-Keramikkondensator

mit einer Kapazität

von 0,1 µF benutzt, um jegliche hochfrequenten

Impulsspitzen zu eliminieren (Bild 3). Man kann

auf diese Weise die tatsächliche Welligkeit mit

der Schaltfrequenz messen, ohne dass die Messung

durch hochfrequente Impulsspitzen verfälscht

wird. (jj)

n

Der Autor: John LoGiudice, STMicroelectronics.

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Bild 2: Aufbau für das Messen der Welligkeit am

Ausgang eines Netzteils.

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Stromversorgungen

Mess-Tipp

ESR-Anforderungen für

stabile Spannungsregler

Auf einfache Weise ermittelt

Viele Entwicklungsingenieure haben immer wieder Probleme mit der Stabilität

von Linearreglern im Feld. Abhilfe schafft die Bestimmung des ESR des

Ausgangskondensators. Autoren: Steve M. Sandler, Bernhard Baumgartner

und Florian Hämmerle

Da von Herstellerseite normalerweise nur wenige Informationen

über die Regelstabilität von Linearreglern veröffentlicht

werden, ist es nicht weiter verwunderlich, dass Entwickler

sich vor Problemen in diesem Zusammenhang sehen.

Bei den meisten Linearreglern bestimmt der ESR (Serienwiderstand,

engl. Equivalent Series Resistance) des Ausgangskondensators

die Nullstelle des Regelkreises, welche den Regler stabilisiert. Die

Datenblätter der Regler bieten meist nur wenige Informationen darüber,

wie die Ausgangskapazität und der ESR des Ausgangskondensators

als externe Parameter die Regelstabilität beeinflussen.

In diesem Artikel wird eine einfache Methode vorgestellt, wie

basierend auf einer einzigen, einfachen Messung, der zur Erreichung

einer bestimmten Phasenreserve benötigte ESR für beliebige

Ausgangskondensatoren ermittelt werden kann.

Allgemeines über Linearregler

Für die meisten Linearregler, unabhängig von der Reglertopologie,

liefert die Ausgangsimpedanz des Reglers alle notwendigen Informationen,

um den benötigten ESR zur Erzielung einer bestimmten

Phasenreserve zu bestimmen.

Die meisten am Markt verfügbaren Linearregler sind auch ohne

angeschlossenen Ausgangskondensator im Leerlauf grundsätzlich

stabil. Daher ist es möglich, die Ausgangsimpedanz des Reglers als

Funktion über die Frequenz ohne angeschlossenen Ausgangskondensator

zu messen. Das Ergebnis der Impedanzmessung kann in

drei markante Bereiche eingeteilt werden:

■ 1) Bei Gleichspannung und bei niedrigen Frequenzen ist die

Ausgangsimpedanz ein reeller Widerstand, welcher durch die

Lastregelung des Reglers und den Referenzspannungsteiler definiert

wird.

■ 2) Im zweiten Bereich ist die Ausgangsimpedanz induktiv, wobei

die Induktivität vom Laststrom und der Reglerbandbreite abhängt.

■ 3) Im dritten Bereich kann die Ausgangsimpedanz, abhängig

von der Art des Reglers, wieder rein reell werden.

Da die beschriebene Methode zur Ermittlung des benötigten

ESR auf der Ausgangsimpedanz beruht, ist der erste Schritt die

breitbandige Messung der Ausgangsimpedanz. Die Messungen für

diesen Beitrag wurden mit dem vektoriellen Netzwerkanalysator

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Stromversorgungen

Mess-Tipp

Bild: darknightsky - Fotolia

Auf einen Blick

Der ESR bringt`s

Durch eine einzige, einfache Messung mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator

ist es möglich den für eine gewünschte Phasenreserve

benötigten ESR des Ausgangskondensators eines Linearreglers zu

bestimmen. Durch die Erfüllung der ESR Anforderungen beim niedrigsten

auftretenden Laststrom wird ein stabiler Betrieb des Reglers

auch bei höheren Lastströmen sichergestellt.

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420ei0711

Bode 100 und dem Picotest J2111A Strominjektor durchgeführt.

Die Auswahl dieser beiden Geräte erfolgte aufgrund ihrer hohen

Messbandbreite sowie der direkten Messmöglichkeit von Phasenreserve

und effektiver Güte in Abhängigkeit von der Ausgangsimpedanz.

Die Messungen sollten beim geringsten zu erwartenden

Laststrom gemacht werden, da hier normalerweise die geringste

Phasenreserve auftritt. Es ist sogar so, dass der minimale Laststrom

oft die Grenzen der erreichbaren Reglerleistung definiert.

Messung der Ausgangsimpedanz

Bild 1 zeigt den für die Messung der Ausgangsimpedanz verwendeten

Messaufbau. Als Messobjekt dient ein Regler LM317, welcher

sich auf dem VRTS Demoboard der Firma Picotest befindet.

Die Ausgangsimpedanz des LM317 Spannungsreglers wurde bei

Lastströmen von 25 und 50 mA ermittelt. Das in Bild 2 dargestellte

Ergebnis der Messung zeigt deutlich die drei genannten Bereiche

und bestätigt die Abhängigkeit der Impedanz vom Laststrom. Zusätzlich

zum Laststrom ist die Ausgangsimpedanz auch von der

Ausgangsspannung und der internen Kompensation des Reglers

abhängig. Aus diesem Grund kommt man für verschiedene Regler

zu unterschiedlichen Ergebnissen.

Bild 3 zeigt das Ersatzschaltbild des Reglers mit angeschlossenem

Ausgangskondensator, bestehend aus der Kapazität C OUT

und

dem äquivalenten Serienwiderstand ESR. Die Ausgangsinduktivität

LO ist laststromabhängig. RS und RP können ebenfalls laststromabhängig

sein.

Die Induktivität LO kann im induktiven (ansteigenden) Bereich

der Kurve an einem beliebigen Punkt mittels folgender Formel ermittelt

werden. Für die Berechnung wurde der Widerstandswert

bei 40 kHz der im aktuellen Fall 1 Ohm entspricht gewählt.

Die Werte für RS und RP können direkt aus der Messkurve entnommen

werden. Aus dem niederfrequenten Bereich erhalten wir

für RS 120 mOhm und aus dem hochfrequenten Bereich für RP 10

Ohm. Ein Großteil des Widerstandes RS stammt vom Kontaktwiderstand

der Verbindungen zum Messobjekt.


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Stromversorgungen

Mess-Tipp

Bild 3: Reglerersatzschaltbild mit angeschlossenem Ausgangskondensator.

Bild 1: Messaufbau zur Messung

der Ausgangsimpedanz.

Die Ableitung der Anforderungen an den ESR wird hier nicht im

Detail betrachtet. Der benötigte ESR kann direkt aus den Ersatzschaltbildkomponenten

sowie der gewählten Ausgangskapazität

C OUT

und der angestrebten Phasenreserve PM mittels der untenstehenden

Formel berechnet werden.

Weiters kann die Regelbandbreite aus der äquivalenten Induktivität

LO und der Ausgangskapazität COUT berechnet werden. Ein

praktisches Beispiel zur ESR-Berechnung: Betreibt man den LM317

mit einer Ausgangsspannung von 3,3 V und einem Laststrom von

25 mA, können die Werte für LO, RP und RS wie gezeigt aus der

Kurve in Abbildung 2 ermittelt werden. Weiter wird ein 22 µF Kondensator

als Ausgangskapazität COUT gewählt.

Bei einer angestrebten Phasenreserve von 38 Grad ergibt sich ein

erforderlicher ESR von 139 mOhm.

Die zu erwartende Regelbandbreite des Reglers kann aus der äquivalenten

Induktivität LO und der Ausgangskapazität C OUT

über die

bekannte Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von Induktivität

und Kapazität ermittelt werden.

Formel 4

Für die praktische Überprüfung der Ergebnisse wurde ein Tantal-

Kondensator von 22 µF ausgewählt und mit dem Bode100 von

Omicron Lab und dem zugehörigen Impedanzmessadapter B-

SMC vermessen. Diese Messung wird in einer detailierten Applikationsschrift

beschrieben, welche unter http://www.omicron-lab.

com/application-notes/capacitor-esr-measurement.html frei erhältlich

ist.

Aus der in Bild 4 gezeigten Impedanzkurve kann eine Kapazität

von 22 µF und ein ESR von 121 mOhm bei der erwarteten Bandbreite

von 16 kHz abgelesen werden. Zu diesem ESR müssen noch

die Kontaktwiderstände der Steckverbindung des verwendeten

VRTS Demoboards hinzuaddiert werden, so dass insgesamt von

einem ESR von circa 140 mOhm ausgegangen werden kann.

Bild 2: LM317

Ausgangsimpedanz in

Ohm für 25 mA und 50

mA Laststrom.

40 elektronik industrie 07 / 2011

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Stromversorgungen

Mess-Tipp

Bilder: Omicron Lab

Messung der Phasenreserve

Schließlich wird das OMICRON Lab Bode 100 und der Picotest

J2111A Strominjektor eingesetzt, um durch eine nicht invasive

Messung der Phasenreserve das Ergebnis zu verifizieren. Bei der in

Bild 5 dargestellten Messung wird über die festgestellte Ausgangsimpedanzanhebung

im Bereich der Durchtrittsfrequenz die Phasenreserve

und Regelbandbreite der Schaltung ermittelt. Die theoretischen

Grundlagen hierzu sind in einer frei verfügbaren Applikationsschrift

unter http://www.omicron-lab.com/application-notes/non-invasive-stability.html

im Detail beschrieben. Das Ergebnis

zeigt eine Regelbandbreite von 16,4 kHz und eine Phasenreserve

von circa 38°.

Schlussbemerkung

Die nichtinvasive Messung der Phasenreserve mit dem vektoriellen

Netzwerkanalysator Bode 100 und dem Picotest J2111A Strominjektor

ermöglicht die Beurteilung der Reglerstabilität auch

für Regler bei denen kein Zugriff auf die Regelschleife besteht.

Eine Verbesserung der Regelstabilität kann einen signifikanten

positiven Einfluss auf die Systemleistung des Reglers haben. Dies

äußert sich meist in einer niedrigeren Ausgangsimpedanz, einem

optimierten Verhalten bei dynamischen Laständerungen sowie

einer verbesserten PSRR und Rückflussdämpfung des Reglers.

(sb)


Bild 4: Impedanzkurve

des verwendeten

22 µF Tantalkondensators.

Bild 5: Nichtinvasive

Bestimmung der

Phasenreserve und

Regelbandbreite.

Rundum

energieeffi zient

Effizientes Energiemanagement ist eine der

großen Herausforderungen der Zukunft, der

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Neuentwicklungen stellt. Unsere Komponenten

spielen heute in den Bereichen Energiegewinnung,

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Einsatz in Photovoltaikanlagen

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Bauform und hohes Energiesparpotenzial

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Director Picotest, Bernhard Baumgartner

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elektronik industrie 07 / 2011 41

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Stromversorgungen

Netzteil-ICs

Bild 1: Wird die

Stand-by-Elektronik

durch ein

eigenes Netzteil

versorgt und die

Motorsteuerung

vom Netz getrennt,

sinkt der Stromverbrauch

der

Anlage um rund

90 %.

Bilder: Recom Electronic

Energiewende und was nun

Kleine Stand-by-Netzteile bieten enorme Sparpotenziale

Es genügt nicht, den Stecker zu ziehen, wenn wir in Urlaub fahren oder Glühbirnen

gegen LEDs zu tauschen. Wir müssen unsere Heim- und Büroelektronik gezielt durch

sparsame Produkte ersetzen, die einen besseren Wirkungsgrad haben und im Schlafmodus

extrem sparsam sind. Bei der Versorgung von Stand-by-Schaltungen spielen

modulare Kleinstnetzteile von Recom mit Leerlaufverlusten um 100 mW eine ganz

wichtige Rolle.

Autor: Reinhard Zimmermann

Fukushima hat in Deutschland einen „Nuklearschock“

ausgelöst, der letztlich ähnliche Folgen

haben wird wie der Ölschock vor knapp

40 Jahren. Wie damals werden wir angesichts

steigender Preise sehr daran interessiert sein, alle erdenklichen

Sparpotenziale zu nutzen. Und die sind

immens. Schätzungen des Öko-Instituts Freiburg zufolge

ließe sich durch den Einsatz energiesparender

Produkte im privaten Bereich der Stromverbrauch um

bis zu 60 % reduzieren. Weitere 20 % können durch

energiebewusstes Verhalten eingespart werden.

Energieverschwendung im Dienste der

Bequemlichkeit

Beim Einschalten einer Glühbirne bekommen wir inzwischen

Gewissensbisse. Dagegen ist die Energieverschwendung

durch „Stand-by-Betrieb“ weitgehend

unbeachtet geblieben. Nur wenige Verbraucher

sind sich im Klaren darüber, welch hoher Anteil ihrer

Stromrechnung allein der Bequemlichkeit geschuldet

ist. Nehmen wir beispielsweise die Steuerung eines

Garagentors oder einer Jalousie. Beide sind nur wenige

Minuten pro Tag aktiv - aber rund um die Uhr in

Bereitschaft. Für den Antrieb ist einiges an Leistung

erforderlich – je nach Größe 200 W oder auch mehr.

Würden sie manuell geschaltet, wäre ihre Auswirkung

auf die Stromrechnung ohne jede Bedeutung. Da sie

aber über Fernbedienung oder Sensoren gesteuert

werden, ist zusätzliche Elektronik erforderlich, die

rund um die Uhr in Bereitschaft bleiben muss. In den

Prospekten finden sich bislang nur Angaben über die

Leistungsstärke des Antriebs oder die Zeit, die während

dem Öffnen oder Schließen verstreicht. Über

den Strombedarf im Schlafmodus findet sich zumindest

bei älteren Systemen nichts. Dabei ist dieser für

den Energiebedarf des Systems weit entscheidender

als die reine Motorleistung, da diese nur in maximal

0,5 % der Zeit abgerufen wird. Bis vor kurzem war es

die Regel, die Stand-by-Elektronik aus dem Hauptnetzteil

zu speisen und dieses dafür permanent am

Netz zu halten. Da solche Netzteile für hohe Leistung

ausgelegt sind und im Leerlauf einen extrem schlechten

Wirkungsgrad haben, wird auf diese Weise rund

10 Mal mehr Energie verschwendet, als für die Versorgung

der Stand-by-Elektronik erforderlich wäre.

Aktuell schlägt sich diese Technik mit rund 50 € jährlich

auf unserer Stromrechnung nieder, obwohl wir

mit 5 € dieselbe Bequemlichkeit kaufen könnten. ➔

42 elektronik industrie 07/2011

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Stromversorgungen

Netzteil-ICs

Auf einen Blick

Kleinstnetzteile mit geringen Leerlaufverlusten

Während die Welt nach Fukushima überraschend schnell zur Tagesordnung

übergegangen ist, hatte das politische Nachbeben in Deutschland

weit reichenden Konsequenzen für die Energieversorgung. Wer heute

den schnellen Ausstieg aus der Kernenergie fordert, muss bereit sein,

die Einsparpotenziale konsequent zu nutzen. Bei der Versorgung von

Stand-by-Schaltungen spielen modulare Kleinstnetzteile von Recom mit

Leerlaufverlusten um 100 mW eine ganz wichtige Rolle.

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Stromversorgungen

Netzteil-ICs

Bild 4: Der 1-W-AC/DC-Wandler

RAC01 von Recom

verbraucht im Leerlauf

nur 30 mW und damit

um Faktor 16 weniger

als in der EuP-Richtlinie

spezifiziert! Auch das

6-W-Modul liegt mit 250

mW noch deutlich unter den

Vorgaben.

Bild 2: Standby-Netzteile der neuesten Recom-Generation glänzen mit niedrigen

Leerlaufleistungen bis 30 mW.

Bild 3: Ab 2013 dürfen in Europa maximal 500 mW für Standby- und

Scheinaus-Betrieb verbraucht werden.

Sparsamkeit wird zum Verkaufsargument

Aber die Zeiten ändern sich, Sparsamkeit wird zum Verkaufsargument.

Schon locken Prospekte neuer Modelle mit Hinweisen wie:

„Energieverbrauch weniger als 2 W im Schlafmodus“. Eine Verbesserung

um bis zu rund 90 % wird dadurch erzielt, dass Stand-by-Elektronik

und Sensorik aus einem eigenen Netzmodul versorgt werden,

dessen Leistung nur den Bedarf der Stand-by-Schaltung deckt. Hauptnetzteil

und Motorelektronik werden über ein Relais vom Netz getrennt

– ganz so, als würde man manuell Ein/Aus schalten (Bild 1).

Beispiele dieser Art gibt es zahlreich. Auch ältere HiFi-Geräte fallen

in diese Kategorie. Das Netzteil des Hauptverstärkers ist üppig dimensioniert,

damit die Bässe gut kommen. Da eine geringe Restwelligkeit

ausschlaggebend ist für den Hörgenuss, kommen ausschließlich linear

geregelte Netzteile zum Einsatz, deren Wirkungsgrad generell

schlecht ist. Wird die Anlage über die Fernbedienung abgeschaltet,

bleibt auch hier das Hauptnetzteil am Netz, um den Stand-by-Kreis

versorgen zu können. Bei Anlagen, die vor 2010 auf den Markt kamen,

dürften 10 bis 20 W die Regel sein. Spartipp: Manuell abschalten

oder eine neue Anlage kaufen.

Denn auch hier führt das neue Konzept zum Ziel: Die Stand-by-

Elektronik über ein eigenes kleines Netzteil versorgen und das Hauptnetzteil

mittels Relais abschalten. Der Hörgenuss wird durch das kleine

Schaltnetzteil nicht getrübt, da es nur im Schlafmodus aktiv ist.

Kleine Netzmodule gibt es von Recom in sehr enger Staffelung von

1, 2, 3 und 6 Watt (Bild 2), damit sie je nach Applikation immer im

Bereich ihrer Nennleistung und damit bei maximalem Wirkungsgrad

betrieben werden können. Die Mehrkosten für diesen Aufwand haben

sich für den Endverbraucher oft schon innerhalb weniger Monate

oder Jahre amortisiert.

Scheinaus: Die Menge macht’s

Wer mit kritischem Blick durch Haus oder Büro geht, findet unzählige

Steckernetzteile, die permanent Strom verbrauchen, ohne

wirklich „in Betrieb“ zu sein. Solche Steckernetzteile haben eines gemeinsam

– sie sind nicht abschaltbar und über ihren Leerlaufverbrauch

findet sich nichts im Datenblatt des Gerätes, das sie versorgen

sollen. Zwar sind es meist nur Leistungen von wenigen Watt, aber 30

solcher Netzteile in Haus und Büro summieren sich schnell auf einen

Gesamtverbrauch von 100 W und mehr. Denn die Menge macht’s...!

Die Anfang 2010 in Kraft getretenen EU-Rahmenrichtlinie EuP

(Energy-using Products) wirkt der Energieverschwendung auch in

diesem Bereich massiv entgegen. Sie gilt für Produkte, die in hohen

Stückzahlen verkauft werden – von der elektrischen Zahnbürste bis

zum Monitor. Dürfen Geräte im Scheinaus-Betrieb aktuell noch bis

zu 1 W verbrauchen, halbiert sich dieser Wert ab Januar 2013 auf 500

mW (Bild 3). Interessant: Auch Hersteller von Produkten, die in kleineren

Stückzahlen produziert werden und nicht unter die EuP-Richtlinie

fallen, setzten auf die neue Technik. Denn wenn der König Kunde

auf Energiespar-Sterne schaut, kann man aus Imagegründen nicht

darauf verzichten.

Kleine Leistung – hohe Lebenserwartung

Gab es noch vor wenigen Jahren kaum AC/DC-Netzmodule mit kleiner

Leistung, so ist inzwischen eine richtige Marktnische entstanden.

Mit den Leistungsklassen 1 W, 2 W, 3 W und 6 W ergänzt Recom die

bislang verfügbaren 4- und 5-W-Module so, dass für jede denkbare

Anwendung immer die effizienteste Lösung verfügbar ist. Mit einer

minimalen Leerlaufleistung von 30 mW für den 1-W-Wandler geht es

dabei längst nicht mehr um die Einhaltung von Richtlinien, sondern

um maximal mögliche Energieeffizienz.

Der neuen AC/DC-Module sind für viele Jahre Dauerbetrieb konzipiert.

Für die beiden Kleinen – den RAC01 bzw. RAC02 wird eine

MTBF nach MIL-HDBK-217F von mehr als 1 Mio. Stunden spezifiziert

(Bild 4). Alle Modelle sind bis 3,75 kV AC /1 Minute isoliert,

kurzschlussfest sowie gegen Überspannung und Überlast geschützt.

Die Umgebungstemperatur darf ohne Derating bis +85 °C (RAC01)

betragen. Als europäischer Hersteller mit globaler Ausrichtung verwendet

Recom nur hochwertige Komponenten und gibt auf alle

Wandler 3 Jahre Gewährleistung. Neben Leistungsverbrauch und Zuverlässigkeit

hat das Thema Elektromagnetische Verträglichkeit einen

hohen Stellenwert im Home- und Büro-Bereich. Schließlich will man

sich neben der neu aufflammenden Elektrosmog-Debatte rund ums

Handy keine neuen Störquellen ins Haus holen. Netzteile im Home-

Bereich unterliegen der strengen Class B-Norm nach EN 55022/55024,

die eine um 10 dBµV geringere Störstrahlung vorgibt, als die im industriellen

Bereich zulässige Class A.

Recom hat seine RAC-Familie serienmäßig mit Class B-Filtern ausgestattet.

Störungen werden so unmittelbar an der Quelle beseitigt,

sodass die Bauteile im Vergleich zu externen Filtern kleiner dimensioniert

werden können. Dies hat wiederum eine positive Auswirkung

auf den Leistungsverbrauch im Leerlaufbetrieb. (jj)

n

Der Autor: Dipl.-Ing. Reinhard Zimmermann ist Produkt Marketing Manager

bei der Recom Electronic GmbH.

44 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

42_Recom (jj).indd 44 30.06.2011 12:39:03


Stromversorgungen

Neue Produkte

Hohe Zuverlässigkeit und hoher Wirkungsgrad

1+1-redundantes Netzteil

Bild: Bicker Elektronik

Bild: XP Power

Bild: MTM Power

Bicker Elektronik hat das 1+1-redundante,

1 HE hohe 19“-Netzteil

R1S2-5300V4H mit einer Ausgangsleistung

von 300 W ausgestattet.

Fällt ein Netzteileinschub

aus, übernimmt der andere ohne

Kostenoptimiert für die Grossserie

150 W Open Frame-Netzteile

Die Netzteil-Serie VFT von XP Power

mit Einfachausgang haben

Abmessungen von 3“ x 5“ und

Bauhöhe 1,4”. Sie liefern 100 W,

mit Lüfter bis 150 W, arbeiten im

AC/DC- und DC/DC-Module bis 200 W

Absolut wasserdicht

Ob Spritzwasser, Kondenswasser

oder unter Wasser – MTM Power-

Module sind absolut wasserdicht.

Das Verfahren des thermoselektiven

Vakuumvergusses ermöglicht

den störungsfreien Einsatz mit

Eingangsspannungen 90...264 V

Unterbrechung die volle Last. Eigenschaften

sind: temperaturgeregelte

Lüfter, MTBF 196.000 h, Abmessungen

230 x 176 x 41,8 mm 3 ,

Wirkungsgrad 84 %, PFC, Eingang

90...264 V/47...63 Hz, Überlastund

Überspannungsschutz. Im

Kurzschlussfall erfolgt die Abschaltung

sämtlicher Ausgänge. Verfügbare

Ausgangsspannungen sind:

+3,3, +5, +12 V und -12 V, sowie

Standby-Ausgang mit +5 V, der mit

bis zu 2,5 A belastet werden kann.

infoDIREKT

Weitbereichseingang von 90...264

V AC, verfügen über aktive PFC

und liefern die Ausgangsspannungen

+5, +12, +15, + 24 oder

+48 V DC. Als Leerlaufleistungsaufnahme

sind weniger als 0,5 W

sowie modellabhängige, durchschnittliche

Wirkungsgrade von

83...90 % angegeben. Ein Zusatzausgang

mit 12 V DC bzw. 5 V DC

bei dem 5 V DC-Modell zur Lüfterversorgung

ist Standard. Die Geräte

verfügen über Überspannungs-,

Überlast-, Kurzschlussschutz

sowie Senseanschlüsse.

infoDIREKT

531ei0711

AC und 100...353 V DC. Die Modulserie

PM-IP67A hat Singleund

Dual-Ausgangsspannungen

von 5, 12, 15, 24, 36, 48, ±12,

±24, ±48 und 12/24 V DC. Sie

sind für den weltweiten Einsatz

unter extremen Umgebungsbedingungen

wie Staub und Feuchtigkeit

konzipiert. Die Module haben

Dauerausgangsleistungen

von 50, 75, 100 oder 200 W, sind

leerlauf- und kurzschlussfest und

arbeiten im Temperaturbereich

von -25 bis +70 °C.

infoDIREKT

530ei0711

532ei0711

Produkt des Jahres

Power Multilayer Induktivität WE-PMI

• Platz 1 bei der Leserwahl der ELEKTRONIK im Bereich passive Bauelemente

• Strombelastbarkeit bis 2,4 A

• RDC-Werte kleiner 0,2 Ω

• Für DC/DC-Converter mit hohen Schaltfrequenzen

• Entwickelt für mobile tragbare Endgeräte

• Ab Lager verfügbar

• Kostenlose Muster

www.we-online.de

Unverstärkte Pad Typen

SBC-5 grau 5 W/mK

SBC-3 grau 3 W/mK

SBC rosa 1,5 W/mK

Weiche, gelartige Pads mit einer

Shorehärte von 2 - 10° - beidseitig

haftend

Stärken 0,5 bis 5,0 mm

Glasgewebe Deckfolie Pads

SB-V0-7 7 W/mK

SB-V0-3 3 W/mK

SB-V0YF 1,3 W/mK

SB-V0

1,3 W/mK

Glasgewebe Deckfolie und weiche,

gelförmige Unterseite.

Shorehärte 2 - 20°. Einseitig haftend bis

klebend. Stärken 0,5 bis 5,0 mm

Silicon-Glasgewebe Folie

SB-HIS-4 4 W/mK

SB-HIS-2 2 W/mK

SB-HIS

1 W/mK

Dünne glatte Folie, auch einseitig

klebend.

Stärken 0,23 und 0,30 mm

www.elektronik-industrie.de

elektronik industrie 07/2011

45

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Stromversorgungen

AC-Quellen

Zwei starke Typen

Wie man sich am besten für eine lineare oder

eine getaktete AC-Leistungsquelle entscheidet

Bei der Suche nach einer AC-Leistungsquelle für Test- und Versuchszwecke

stößt der Anwender bei der Auswahl eines geeigneten Geräts

sehr bald auf die Fragestellung: „linear oder getaktet“ Es ist beileibe

nicht so, dass linear geregelte Geräte nicht mehr „aktuell“ wären,

beide Technologien haben vielmehr ihre spezifische „Daseinsberechtigung“.


Autor: Joachim Tatje

Erfolgsentscheidende Betriebseigenschaften

von AC-Leistungsquellen

sind die Frequenz, der Strom und

die Regelung. Andere Auswahlkriterien

sind Baugröße, Gewicht, Betriebstemperatur

und der Preis. Für viele einfache

Anwendungen können sowohl lineare als

auch getaktete Geräte befriedigende Ergebnisse

liefern. Im Falle anspruchsvollerer

Anwendungen wird nur eine der beiden

Technologien die Ansprüche des Betreibers

wirklich erfüllen.

Mitchel Orr, Vertriebs-Spezialist des kalifornischen

Herstellers Pacific Power Source,

PPS, hat einen Leitfaden zur Auswahl

des best geeigneten Gerätes zusammengestellt.

Er weiß, warum er diese Tipps gibt,

denn sein Unternehmen bietet parallel zwei

umfangreiche Geräteserien an, die ASXund

AMX-Serie. Die eine basiert auf getakteter,

die andere auf linearer Technologie.

„Die Auswahl einer AC-Leistungsquelle

sollte sich auf mehr als die drei Katalogvariablen

Spannung, Frequenz und Leistung

stützen. Die Auswahl eines Gerätes aufgrund

unzureichender Spezifikationen

birgt immer ein Risiko. So kann die Nichtbeachtung

der wirklichen Anforderungen

zu Enttäuschungen bei der Produktleistung,

den Testergebnissen oder bei dem Anwender

führen“, warnt Orr.

Linear geregelt oder getaktet

In seinem Leitfaden erläutert Orr die

Grundprinzipien der AC-AC-Leistungswandlung

und gibt einen Überblick über

den Aufbau von linear geregelten und getakteten

Geräten. Linear geregelte Geräte

weisen eine hohe Frequenz auf und werden

mit hohen Scheitelfaktoren ohne Ausgangsverzerrung

fertig. Die Ausgangsimpedanz

ist in einem weiten Bereich steuerbar (optional).

Allerdings produzieren lineare Geräte

aufgrund des geringen Wirkungsgrades

der Verstärker mehr Wärme. Auch sind sie

aufgrund der höheren Anzahl von Komponenten

voluminöser und haben ein höheres

Gewicht als getaktete Geräte.

Getaktete Geräte wiederum haben die

Fähigkeit, vollen Strom über den ganzen

Spannungsbereich ohne Leistungseinbußen

zu liefern, auch bei Lasten mit hoher

Blindleistung. Bei der Frequenz und der aktiven

Ausgangsimpedanz-Steuerung müssen

sie gegenüber den linearen Geräten zurückstecken.

Die Möglichkeiten zur Generierung

komplexer Wellenformen sind bei

den „Linearen“ besser. Bei Gewicht, Baugröße

und Wärmeentwicklung haben die „Getakteten“

eindeutig die Nase vorn.

Bild 1: Allgemein übliche

AC-AC-Wandlung.

Bild 2: Funktion einer linearen

AC-AC-Leistungsquelle.

Bilder: Pacific Power Source/Schulz-Electronic

Bild 3: Funktion einer getakteten

AC-AC-Leistungsquelle.

46 elektronik industrie 07/2011

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46_Schulz_505 (jj).indd 46 04.07.2011 16:30:16


Stromversorgungen

AC-Quellen

Rui Vale de Sousa - Fotolia

Man sollte die individuellen Rahmenbedingungen

der Betriebsbedingungen gut

kennen, um entscheiden zu können, ob der

lineare oder der getaktete Betrieb das bessere

Ergebnis bringt. Ist beispielsweise eine

schnelle Sprungantwort oder ein hoher

Scheitelfaktor gefragt Welche Anforderungen

werden an die Ausgangsimpedanz gestellt

und muss die AC-Quelle Lasten mit

hoher Blindleistung speisen Zu den Herausforderungen

an das gesuchte Gerät gehören

auch nichtlineares Verhalten der Last und

evtl. Rückspeisung von Leistung in das Gerät.

Größe und Gewicht sind mitunter auch limitierende

Faktoren bei der Auswahl. Natürlich

geht es auch darum, welche der beiden Technologien

die kostengünstigere ist.

Für mittlere Ansprüche sind getaktete Geräte

die kostengünstigsten. Für absolut hohe

Ansprüche im mittleren Leistungssegment

eignen sich allerdings lineare Geräte besser.

In seinem Leitfaden geht Orr detailliert auf

die verschiedenen Leistungsmerkmale ein

und gibt Tipps für die Auswahl.

Produktmerkmale

PPS-Geräte werden in Deutschland, Österreich

und der Schweiz von Schulz-Electronic

vertrieben. Die AMX-Serie bietet lineare,

leistungsstarke AC-Leistungsquellen, die die

Leistungsbereiche von 500 VA bis 12 kVA

mit Standardmodellen und als Option bis zu

30 kVA abdecken. Zur ASX-Serie gehören

getaktete AC-Leistungsquellen im Leistungsbereich

von 1,5 kVA bis 12 kVA. Beide

Produktreihen umfassen sowohl Einphasenals

auch Dreiphasen-Modelle. (jj) n

Der Autor: Dipl.-Ing. Joachim Tatje, ViATiCO

Agentur für Technik + Marketing, Bruchsal.

infoDIREKT

505ei0711

Bild 4: Typische Vorgabe

für AC-Tests, editiert am

Waveform-Editor.

Anwendung Linear Getaktet

Automatische Tests von DC-Netzteilen

x

Automatische Tests von synchronen 400 Hz Systemen x

Tests von Störungen in F&E Versorgungsnetzen

x

Test von Stromzählern

x

Test von Störungen des Stromnetzes

x

Fertigungskontrolle (Frequenzumwandlung)

x

Test von Sicherungsautomaten

x

Sicherheitstests

x

Test von Haushaltsgeräten und Burn-in

x

Test der Motorleistung und Sicherheitstests

x

Anmerkung: in bestimmten Einzelsituationen mag auch der anderer Typ besser geeignet sein

Tabelle 1: Eine

Auswahl typischer

Anwendungen für

AC-Leistungsquellen.

www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 07/2011 47

46_Schulz_505 (jj).indd 47 04.07.2011 16:30:40


Neue Produkte

In MID-Technologie

Präziser Strömungssensor

Design-Kit für digital geregelte DC/DC-Wandler

Stromversorgungsarchitekturen untersuchen

Der thermische Membran-Strömungssensor

von 2E mechatronic

zur Messung kleinster Differenzdrücke

fällt sehr klein aus. Durch

den Einsatz der innovativen MID-

Technologie konnte eine deutliche

Bauraumreduzierung erreicht

Mit Litzen von vorn verschraubbar

M8-Flanschsteckverbinder

Franz Binder bietet nun bei Litzenverdrahtung

im Gerät auch die

Möglichkeit die M8-Flanschsteckverbinder

von innen durch die

Gehäuse zu positionieren und von

vorn zu verschrauben. Die 3-, 4-

und 6-poligen vergossenen

Drehzahlregler für Lüfter und Lüftereinheiten

Temperaturabhängig Lüfterdrehzahlen regeln

Für die optimale Regelung der

Luftmenge im Elektronikschrank

hat Schroff nun seinen Drehzahlregler

für alle Lüfter und Lüftereinheiten

optimiert. Durch die

Lüfterdrehzahl-Regelung wird die

Luftmenge für die Kühlung von

Komponenten immer auf die momentanen

Kühlungsanforderungen

abgestimmt. Der Drehzahlregler

arbeitet temperaturabhängig

und ist für AC-Ventilatoren

bzw. AC-Lüftereinheiten bis 300

W geeignet. Optional können über

den potentialfreien Kontakt auch

DC-Lüfter (PWM-Signal) geregelt

Bild: 2E mechatronic

Bild: Franz Binder

werden. Die fluidischen Anschlüsse

sind ebenfalls im MID integriert

und die elektrische Kontaktierung

zwischen Chip und MID erfolgt

durch Drahtbonden. Durch die in

den Siliziumchip integrierten Fluidikkanäle

wird eine hohe Präzision

erreicht. Durch die Ausführung

als SMD kann der komplette Sensor

mit Standard-SMT-Automaten

bestückt werden. Der Sensor

wurde in Zusammenarbeit mit

dem HSG-IMIT, der MMA AG und

der Firma Gruner AG entwickelt.

infoDIREKT

Flanschstecker und -dosen in

vernickelten Messinggehäusen

sind mit Schlüsselflächen versehen,

die eine Verdrehsicherung

gewährleisten. Der O-Ring als

Dichtung des Kundengehäuses ist

montiert, eine Sechskantmutter

beigelegt. Die Litzenlänge beträgt

200 mm, auf Anfrage auch längere

Versionen. An den 3- und 4-poligen

Flanschsteckern sind sowohl

Gegenstücke als Kabeldosen

in M8- und Snap-In-Technik anschließbar.

infoDIREKT

441ei0711

543ei0711

werden. Der Arbeitsbereich liegt

zwischen 90 und 264 V. Der 120 x

70 x 25 mm 3 große Regler lässt

sich auf eine DIN-Schiene montieren

und ist einfach bedien- und

programmierbar. Der Temperaturfühler

wird an der wärmekritischsten

Stelle im Schrank platziert.

Zwei Sekunden nach dem

Einschalten des Reglers läuft der

angeschlossene Lüfter kurzzeitig

auf 100 %, danach wird der Lüfter

temperaturabhängig gesteuert.

Im Temperaturbereich 20...60 °C

wird der Lüfter je nach Sollwert-

Abweichung zwischen 30 % und

Enhanced Performance, Energy

Management und End-User Value

sind die drei wichtigsten Entwicklungsziele

des 3E-Angebots digital

geregelter DC/DC-Wandler von

Ericsson. Die Produktreihe umfasst

zwei Intermediate-Bus-Wandler,

die bis zu 240 bzw. 396 W Leistung

für dazugehörige 3E Point-of-Load-

(POL-)Regler bereitstellen, die jeweils

12 bis 40 A Strom liefern. Eine

zweite Generation des Design-Kits

3E Gold Edition hat nun zusätzliche

Funktionen und vereinfacht die Implementierung

in PMBus-Systeme.

Es umfasst zwei Boards mit einem

oder zwei Intermediate-Bus-Wandler

und bis zu sechs POL-Reglern.

So lassen sich beispielsweise die

Wandler BMR453 und 454 zusammen

mit den POL-Reglern BMR462

(12 A), 463 (20 A) und 464 (40 A)

kombinieren. Die Boards lassen

sich unabhängig voneinander oder

zusammengeschaltet als PMBusgesteuertes

Stromversorgungssys-

tem betreiben. Das Design-Kit enthält

einen USB-zu-PMBus-Adapter.

Beim Einschalten scannt die Software

den PMBus, um festzustellen

welche Einrichtungen vorhanden

sind. Dann werden kontinuierlich

alle Betriebsparameter eines jeden

Wandlers gelesen und angezeigt –

die Ein- und Ausgangsspannungen,

der Ausgangsstrom und die On-

Chip-Temperatur – und das in Intervallen,

die vom Anwender einstellbar

sind. Das Device-Monitor-

Fenster stellt diese Daten für ausgewählte

Wandler dar, sobald es

aufgerufen wird. Das System-Monitor-Fenster

verfolgt den Status

aller Wandler, die mit dem PMBus

verbunden sind. Besonders nützlich

für die Fehlersuche ist das PMBus

Transaction Log, das einen zeitgestempelten

Datenaustausch über

den Bus aufzeichnet und darstellt,

solange die Software läuft.

infoDIREKT

544ei0711

100 % drehzahlgeregelt. Bei einem

Defekt des Temperaturfühlers

läuft der Lüfter zur Sicherheit

automatisch auf maximaler Drehzahl.

Der Drehzahlregler hat einen

potentialfreien Ausgang für den

Alarm. Dieser kann direkt genutzt,

auf DC-Lüfter-Betrieb umgestellt

oder einer Fernanzeige angeschlossen

werden. Als Fernanzeige

eignet sich der Thermostat mit

Digitalanzeige 60715-132 bzw.

-133, der je nach Anwendungsfall

dann auch als Schaltrelais eingesetzt

werden kann.

infoDIREKT

542ei0711

Bild: Schroff Bild: Ericsson

48 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

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es sind die

kleinen dinge,

die die welt

beschleunigen

Der MicroSpeed Highspeed Steckverbinder von ERNI.

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Quarze/Oszillatoren

MEMS

Präzise im Takt

MEMS-basierende Oszillatoren

Bislang waren es vor allem die geringe Größe, die

hohe Zuverlässigkeit und die vergleichsweise

günstige Herstellung, die für MEMS-Oszillatoren

sprachen. Doch inzwischen haben diese Bauteile

gegenüber Quarz-basierenden Oszillatoren auch in

puncto Phasenrauschen und Jitterverhalten kräftig

aufgeholt. Neuer Zündstoff für die Diskussion

Quarz-versus MEMS-Oszillatoren.

Autoren: Robert Sheriden, Heribert Thammert

Alle Bilder: SiTime

Wie gut sich Mikroelektromechanische Systeme (MEMS)

und moderne Elektronik ergänzen können, belegen

nicht nur Sensorapplikationen wie zum Beispiel Beschleunigungsmesser,

Gyroskope und Mikrophone.

Auch im Bereich MEMS-basierter Taktgeber wurden in letzten

fünf Jahren Riesenfortschritte erzielt. So ermöglichen innovative

Fertigungsverfahren wie SiTimes MEMS FirstTM Prozess inzwischen,

dass höchst stabile und überaus zuverlässige, mit Hilfe von

Standard-Silizium-Herstellungsprozessen gefertigte MEMS-Oszillatoren

ganz ohne den bei Quarzresonatoren üblichen hermetischen

Verschluss und ohne keramisches Gehäuse auskommen.

Die Verwendung standardisierter Kunststoffgehäuse hat unter

anderem natürlich massive Kosteneinsparungen zur Folge. Und

Bild 1: Typische Verwendung eines Encore-VCMO in einer Taktgenerator-/

Jitter Cleaner-Applikation.

auch in puncto Widerstandfähigkeit müssen MEMS-Oszillatoren

keinen Vergleich mit Quarzoszillatoren zu scheuen. So konnte in

entsprechenden Tests nachgewiesen werden, dass sie Beschleunigungen

von bis zu 50.000 G, Vibrationen von 70 Grms, Drücke von

600 Bar und Temperaturen von -112 bis +110°C ohne Schaden

überstehen.

Ein weiteres Argument für MEMS-Oszillatoren, das immer stärker

zum Tragen kommt: Oszillatoren benötigen generell einen CMOS-

Schaltkreis, der das elektrische Taktsignal aus der mechanischen

Schwingung des Resonators generiert. Unternehmen wie SiTime,

die anders als die meisten Hersteller von Quarz-basierten Oszillatoren

über ein profundes eigenes Analog-CMOS-Know-how verfügen,

nutzen diese Tatsache zunehmend, um den Taktgeber mit

zusätzlichen nützlichen Funktionen auszustatten. Beispiele hierfür

sind symmetrische Signalausgänge, Spread-Spektrum, bis zu

±1,600 ppm Ziehspannung (VCXO), Frequenzselektion, oder eine

SoftDriveTM-Funktion, welche die Programmierung des Ausgangsleistungssignalpegel

ermöglicht. Doch alles der Reihe nach.

Werfen wir noch einmal einen Blick auf die grundlegende Architektur

und Konstruktion MEMS-basierender Oszillatoren.

Architektur und Aufbau MEMS-basierender Oszillatoren

Der für die Aufrechterhaltung der Schwingung notwendige Versorgungsschaltkreis

ist auf einem separaten CMOS-Chip (Bild 1)

untergebracht. Bei der Montage werden der CMOS-Chip und der

MEMS-Resonator auf einem Trägerstreifen, dem sogenannten

Leadframe, übereinander gestapelt und anschließend über Drahtanschlüsse

miteinander verbunden. Nach dem Eingießen des fertig

verdrahteten Bauteils in ein Kunststoffgehäuse erfolgt die Vereinzelung,

der Test und die Kalibrierung der fertigen Bauteile (Bild

2).

50 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

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Quarze/Oszillatoren

MEMS

Bild 2: Architektur eines MEMSbasierenden

Oszillators.

Bild 3: Typische Anwendung eines Encore VCMO in

einer synchronisierten Netzwerkapplikation.

Der für die Resonatorschwingung notwendige Versorgungsschaltkreis

sorgt in Verbindung mit dem Mikroelektromechanischen

System für eine stabile, der mechanischen Resonanzfrequenz

des MEMS-Resonators entsprechende Schwingung von typisch 5

oder 120 MHz.

Etwaige, temperaturbedingte Abweichungen im MEMS-Resonator

werden mit Hilfe eines Temperatursensor in Verbindung mit

der Frequenzsteuerung kompensiert. Auf diesem Weg lässt sich

derzeit eine Genauigkeit der Ausgangsfrequenz von bis zu ±10ppm

im XO und bis zu ±1ppm im TCXO für den gesamten spezifizierten

Arbeitstemperaturbereich von -40 bis +85°C erzielen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil gegenüber Quarzoszillatoren: Der

Grundtonbereich eines Quarzes liegt typischer Weise in einem Bereich

kleiner 50 MHz. Oberhalb von 50 MHz setzen Quarzhersteller

auf andere Technologien wie SAW Resonatoren oder Obertonquarze.

Beide Möglichkeiten beinhalten aber Leistungs- und Stabilitätseinbußen.

Ferner zeigen sich unter Umständen Probleme

beim Anschwingverhalten. MEMS-Oszillatoren hingegen nutzen

die PLL-Technologie, eine bewährte Technik, die in allen Formen

von analogen und digitalen Schaltkreisen Anwendung findet. Mit

einer leistungsstarken On-Chip-PLL lässt sich auf einfache Art

und Weise jede beliebige Frequenz innerhalb des Arbeitsbereiches

der jeweiligen Baugruppe generieren, und dies mit einer Genauigkeit

bis auf die sechste Dezimalstelle.

Insbesondere bei höheren Frequenzen können MEMS-basierende

Oszillatoren hier klar punkten. Zudem können in eine PLL weitere

zusätzliche Funktionen wie z.B. eine Spannungssteuerung für

den Feinabgleich der Frequenz oder Spread Spectrum für die EMI-

Reduktion integriert werden. Dies ermöglicht eine einfache und

damit kostengünstige Realisierung spezieller Taktgeber für besondere

Anwendungsbereiche, beispielsweise spannungsgesteuerte

MEMS-Oszillatoren (VCMO) oder Spread-Spectrum MEMS Oszillatoren

(SSMO). Über eine im Ausgang der PLL integrierte programmierbare

Verstärkerstufe kann zudem eine individuelle Anpassung

des Ausgangssignalpegels vorgenommen werden. Dadurch

lassen sich nicht nur höhere Lasten treiben und EMI-Störungen

reduzieren, ein weiterer positiver Effekt ist eine

ausgezeichnete Ausgangssignalform. Einziger Schwachpunkt ➔

Auf einen Blick

MEMS-Oszillatoren sind etabliert

In punkto Phasenrauschen erzielen MEMS-Oszillatoren derzeit die

von Kunden und Normen gestellten Anforderungen zumindest für den

Großteil der kommerziellen Anforderungen. Bei allen anderen technischen

Werten erweisen sich MEMS-Oszillatoren quarzbasierten XOs,

VCXO oder TCXOs allerdings inzwischen auch als absolut ebenbürtig.

Teilweise werden die Quarz-Oszillatoren typischen Werten sogar um

ein Vielfaches übertroffen, wie die Beispiele Ziehbereich und dessen

Linearität zeigen.

infoDIREKT www.all-electronics.de

422ei0711

_06DRZ_TOELLNER_3 Netzgeräte 86x29 3_as_gepr.pdf;S: 1;Format:(86.00 x 29.00 mm);03. Nov 2010 12:28:00

Netzgeräte

Labor-

Leistungs-

Arbiträrwww.TOELLNER.de

www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 07 / 2011 51

50_MSC_422 (sb).indd 51 30.06.2011 13:18:47


Quarze/Oszillatoren

MEMS

sisstationen, >10 Gps-Protokollen oder Hochgeschwindigkeits-

DAC/ADC für den HF-Bereich einhalten zu können, bieten eine

Vielzahl von Herstellern Taktgenerator-ICs mit multiplen Ausgängen

an. Um die Jitterwerte abzusenken und die geforderten Spezifikationswerte

einhalten zu können, benötigen diese ICs zusätzlich

einen externen, rauscharmen VCXO. Der Encore basierende VC-

MO liegt mit 0,6 p srms

Zufallsphasenjitter weit unter den von solchen

Applikationen geforderten Jitter- und Phasenrauschwerten.

Bild 1 zeigt eine typische Anwendung, in der ein Encore-VCMO

den Referenztakt für solche Taktgeneratoren liefert.

Bild 4: Kunststoffverpackte

MEMS-Oszillatoren.

Schlussbemerkung

Was das Phasenrauschen angeht ist das letzte Wort noch längst

nicht gesprochen, wie die Phasenrauschwerte neuester Schaltungskonzepte,

die sich im Vorserienstatus befinden, zeigen. Bei Werten

von bis zu -164 dBc bei 10 kHz und einer Trägerfrequenz von 20

MHz ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis die MEMS-Technologie

auch in eine der größten Quarz-Domänen, den Bereich der

3G/4G-Netzwerke, vordringt. (sb)

n

Die Autoren: Robert Sheridan ist Manager Customer Engineering

bei SiTime, Heribert Thammert (Bild) ist Key Account Manager

bei der MSC Vertriebs GmbH.

von MEMS-Oszillatoren ist die dem Silizium eigene Temperatur-

Varianz. Aus diesem Grund beinhalten alle MEMS-basierenden

Silizium-Oszillatorlösungen Temperatursensoren und Kompensationsnetzwerke.

Die Leistungsfähigkeit von MEMS-Oszillatoren hat sich parallel

zur allgemeinen Entwicklung der Halbleiterindustrie in den letzten

Jahren rasant weiterentwickelt. Ein signifikantes Beispiel hierfür

ist SiTimes eine erst kürzlich vorgestellte Encore-Plattform, mit

der Stabilität und Jitter um 20 bis 30 dB verbessert werden konnten

(Tabelle 2). Mit der Encore-MEMS-Timing-Plattform realisierte

Oszillatoren überzeugen neben einer guten Frequenzstabilität von

±0,5 ppm und durch 650 fs integrierten RMS Zufallsphasenjitter,

gemessen im Bereich von 12 kHz bis 20 MHz. Bei Einsatz der

FibreChannel 8,5-GBit/s-Jittermaske gemäß ANSII FC-PI-4 beträgt

der integrierte RMS Zufallsphasenjitter gerade einmal 200 fs.

MEMS-basierte VCXOs in synchronisierten Netzwerkapplikationen

Dank der wegweisenden Encore-Plattform erschließt sich MEMS-

Oszillatoren inzwischen eine Vielzahl neuer anspruchsvoller Telekommunikations-

und Industrieapplikationen. In Bild 3 beispielsweise

wird ein Voltage Controlled MEMS Oscillator (VCMO) verwendet,

um in einer synchronisierten Netzwerkapplikation das

regenerierte Taktsignal mit dem Primärtakt zu synchronisieren.

Der große Ziehbereich von bis zu ± 1.600 ppm ermöglicht esr, bereits

in der Entwicklungsphase einen Feinabgleich des Endproduktes

durchzuführen. Zudem zeichnet sich ein Encore-VCMO durch

eine extrem geringe Linearitätsschwankung von < 1 % aus. Der gegenüber

vergleichbaren Quarz-VCXOs zirka 10fach bessere Wert

schlägt sich nicht nur in einer höheren Leistungsfähigkeit, sondern

auch in einer einfacheren Handhabung des Gesamtsystems nieder.

VCMOs als Referenz für einen Taktgenerator oder Jitter

Cleaner

Um die mannigfaltigen Takt- und Jitteranforderungen anspruchsvoller

Applikationen wie zum Beispiel drahtlosen Repeatern, Ba-

Parameter SAW-Oszillatoren MEMS-Oszillatoren

Frequenzbereich > 50 MHz 1 bis 800 MHz

Frequenzstabilität 25 ppm, 50 ppm@ 0/70 ºC 15ppm@ -40 /+85 ºC

10ppm@ 0/+75 ºC

2.5 ppm@ -40/+85 ºC

(Encore>)

Gehäusegröße nur 5032 und 7050

verfügbar

2520 und 3225, 5032

und 7050 auf Wunsch

verfügbar

Energieverbrauch typ. >30mA typ. >20mA

1,8 V nur begrenzt verfügbar standardmäßig verfügbar

Alterung typ. ±3ppm/a typ. 1%

Tabelle 1: Vergleich von SAW- und MEMS-Oszillatoren (oben).

Tabelle 2: Technische Merkmale der MEMS-Oszillatoren (unten).

52 elektronik industrie 07/2011

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Quarze/Oszillatoren

Neue Produkte

Bild: Geyer Electronic

Jetzt bereits ab 10,0 MHz

KX-7 – der zuverlässige Miniaturquarz von Geyer

Unter der Modellbezeichnung KX-7

bietet Geyer Electronic einen verlässlichen

Miniaturquarz an. Bei

Abmessungen von nur 3,2 x 2,5 x

0,8 mm ist dieses Bauteil jetzt bereits

ab einer Frequenz von 10,0

MHz erhältlich und deckt nun den

breiten Frequenzbereich 10,0 bis

60,0 MHz ab. Der Miniaturquarz

eignet sich besonders für Anwen-

Schock- und vibrationsfester Quarzoszillator

Arbeitet von -55 bis +230 °C

dungen in den Bereichen Telekom,

Blue tooth und generell Wireless

Communications aus. Der KX-7 ist

in den Frequenztoleranzen von

+-10 bis +-50 ppm bei +25° C

lieferbar. Die Lastkapazität kann

kundenspezifisch in einem weiten

Bereich von 8 pF bis 16 pF festgelegt

werden. Regulärer Temperaturbereich

ist –20...+70° C. Dieser

Quarz wird auch für erweiterte

Temperaturbereiche -40°...+85° C

für den Automobilbereich gefertigt.

Wie alle Quarz- und Oszillator-

Bauteile von Geyer Electronic ist

auch dieser Quarz RoHS-konform

und bleifrei lötbar nach J-Std-020.

infoDIREKT

433ei0711

Die kleinsten weltweit

SAW-Oszillatoren 100 bis 700 MHz

Die SAW Oszillatoren der Serie

EG-2121/2102CB von Epson Toyocom

(Vertrieb: Rutronik) sind

mit den Abmessungen von nur

5,0 mm x 3,2 mm x 1,4 mm

nach Angabe der Firma die

kleinsten ihrer Art weltweit. Verglichen

mit der Vorgängergeneration

benötigen die Bausteine

mit Differentialausgabe eine um

50 Prozent reduzierte Grundfläche.

Dabei bieten sie höhere

Frequenzen bei besserer Stabili-

Breiter Ziehbereich und mehr

VCXO auf MEMS-Basis

Bild: Epson Toyocom

tät. Um die Nachfrage nach kleineren

Produkten zu erfüllen, hat

Epson die Größe seiner SAW Resonatoren

reduziert und die

Schaltkreise der Oszillatoren

verkleinert. Die Bausteine der

neuen EG-2121/2102CB Serie

schwingen mit einer Grundfrequenz

von 100 MHz bis 700

MHz. Sie unterstützen die Ausgabe

von 2,5 V und 3,3 V LVDS

und LV-PECL mit 50 Prozent weniger

Stromverbrauch als die

Vorgänger. Zudem zeichnen sie

sich durch hohe Störunempfindlichkeit

und Stabilität aus. Der

Phasenjitter wird mit 0,5 ps bei

einer Frequenztoleranz von ± 50

x 10 -6 angegeben. Der Resonator

ist resistent gegen Ausfälle.

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434ei0711

Ein extrem weiter Betriebstemperaturbereich

von - 55 bis +230 °C

zeichnet den ab sofort bei MSC

verfügbaren Quarzoszillator PX-

570 von Vectron International aus.

Der bis zu 1000 g schock- und bis

zu 20 grms vibrationsfeste Quarzoszillator

PX-570 arbeitet im

Standardfrequenzbereich zwischen

32 kHz und 40 MHz über den gesamten

Betriebstemperaturbereich

hinweg mit ±100 ppm Frequenzstabilität.

Durch das keramische,

nur 8 x 8,5 x 2,9 mm3 große

RoHS-konforme 6-Pin-HTCC-Gehäuse

(Gull-Wing, Bild rechts oder

Durchkontaktierung, Bild links)

werden thermische Spannungen

zwischen Gehäuse und Leiterplatte

ausgeglichen. Der spezielle, zu

Quarzresonatoren kompatible,

Montageaufbau prädestiniert den

Quarzoszillator PX-570 für den

Einsatz in militärischen, industriellen

oder sonstigen Applikationen

in besonders rauer Umgebung.

Datenblätter und Muster des

Quarzoszillators sind auf Anfrage

über frequency-vectron@msc-ge.

com erhältlich.

infoDIREKT

Bilder: Vectron International

435ei0711

Der von CompoTEK vertretene

Marktführer für MEMS-basierte

Timing-Lösungen – SiTime – hat

mit der SiT380x-Serie ein Produkt

mit sehr guten Eigenschaften vorgestellt.

Angeboten werden der

SiT3808 für 1 bis 80 MHz und der

SiT3809 für 80 bis 220 MHz. Die

Frequenz der Oszillatoren lässt

bis auf sechs Stellen genau definieren

und bieten einen sehr breiten

Pulling-Range von +/-1.600

ppm. Die Produkte sind in Baugrößen

von 3,2 x 2,5 mm bis 7,0 x

5,0 mm verfügbar und können

mit 1,8, 2,5 oder 3,3 V betrieben

werden. Bei einem Temperaturbereich

von -40 bis +85°C ist eine

Stabilität von +/-10 ppm möglich.

Des weiteren zeichnen sich

die VCXOs durch eine unver-

Bild: SiTime

gleichbare Robustheit gegen

Schock, Vibrations- und Temperaturänderungen

aus. Wie alle programmierbaren

MEMS-Oszillatioren

von SiTime ist die SiT380x-

Serie sehr kurzfristig verfügbar.

Muster stehen ab sofort innerhalb

von 3 Arbeitstagen, Produktionsstückzahlen

innerhalb von drei

Wochen zur Verfügung.

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Quarze/Oszillatoren

Neue Produkte

Jitterarm und preiswert

XO/VCXOs: Frequenzflexible Timing-Lösung bis 250 MHz

Silicon Laboratories stellt eine Familie von

Quarz-Oszillatoren und VCXOs vor, die den Jitter,

die Systemkosten und die Designkomplexität

in einer Vielzahl hochleistungsfähiger und

kostensensitiver Anwendungen bis 250 MHz

minimieren. Die Si51x XO/VCXO-Familie stellt

die branchenweit beste Frequenzflexibilität für

Netzwerkanwendungen, Kommunikation, Storage,

Server, Embedded Computing und Rundfunk-Video-Systeme

bereit – genauso wie für

FPGA-, Serializer/Deserializer (SerDes)- und

Mehrfach-Takt-Anwendungen. Die Oszillatoren

der Si51x-Reihe enthalten die branchenweit

ersten I2C-programmierbaren Low-Jitter

XOs und die ersten Dual-Frequenz XO/VCXOs

in platzsparenden 3,2 mm x 5 mm Gehäusen.

Die Bausteine dienen auch zum Austausch von

Festfrequenz-XOs und SAW-Oszillatoren (Surface

Acoustic Wave) und bieten eine hohe Frequenzflexibilität

und Störspannungsunterdrückung.

Mit nur 0,8 ps effektivem Jitter über

den gesamten Frequenzbereich bieten die

Si51x XO/VCXOs einen 2,5-mal geringeren Jitter

als herkömmliche, werkseitig programmierte

Oszillatoren. Die Si51x XO/VCXOs Platzierung links

ba-

sieren auf Silicon Labs patentierter DSPLL-

Technologie, mit der sich jede Frequenz von

100 kHz bis 250 MHz mit 26 ppt (parts per trillion)

Auflösung generieren lässt. Im Gegensatz

zu herkömmlichen Quarz- und SAW-Oszillatoren,

die für jede Frequenz einen eigenen

Quarz- oder SAW-Resonator erfordern, vereinen

die Si51x-Bausteine einen DSPLL-Takt-IC

mit einem einzigen Niederfrequenz-Quarz.

Spezifische Bauteilkonfigurationen lassen sich

während des Ausgangstests programmieren.

Silicon Labs Si512/3 Dual-Frequenz-XOs eignen

sich als Ersatz zweier diskreter XOs und

eines Multiplexers in Netzwerk-, Rundfunk-Video-

und anderen Anwendungen, die Mehrfach-Takt-SerDes-Bausteine

und FPGAs verwenden.

Der I 2 C-programmierbare XO Si514

dient als Ersatz von Taktgeneratoren, die einen

externen Quarz zur lokalen Taktgenerierung

erfordern. Damit vereinfacht sich das Design

und ein genauerer, zuverlässiger Takt wird bereitgestellt,

da der interne Quarz des Si514 eine

höhere Stabilität garantiert. Der Si514 eignet

sich auch als Ersatz von DDS-Takt-ICs und

digitalen PLLs, die einen DAC und einen VCXO

zur Taktsynchronisation verwenden. . Die Si51x

XO/VCXOs unterstützen verschiedene Spannungen

(1,8; 2,5 und 3,3 V) und Ausgangsformate

(LVPECL, LVDS, CMOS und HCSL).

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437ei0711

Bild: Silicon Laboratories

Winzige Taktmodule

Energieverbrauch von Mikrosystemen senken

Riesige Auswahl an

Quarzen und Oszillatoren:

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Quarze und

Oszillatoren

Ziel des EU-Projekts „Go4Time“, an dem unter

anderem das Fraunhofer IZM beteiligt ist, ist

die Verwirklichung von miniaturisierten Taktmodulen,

die ICs mit Resonatoren in einem

Bauteil kombinieren. Die frequenzeinstellbaren,

hybriden Mikrosysteme sollen einen Energieverbrauch

im Bereich von einigen Mikrowatt

aufweisen und damit herkömmlichen

Quarz-basierten Lösungen weit überlegen

sein. Diese Taktgeber werden über eine scharfe

Frequenzstabilität verfügen und in der Lage

sein, Temperaturschwankungen zu kompensieren.

Daher kommen sie für ein breites Einsatzspektrum,

etwa für industrielle Anwendun-

Bild: Fraunhofer IZM

gen in Wireless-Kommunikationssystemen

(GSM, Bluetooth, WSN) oder in Massenkonsumgütern

der Unterhaltungs- und Haushaltselektronik

infrage. Im Rahmen des Projektes

bringt das IZM seine Expertise in der Prozessentwicklung

und Fertigungstechnik beziehungweise

Industrialisierungsfähigkeit auf

Prototypebene, vom Wafer-Design bis zur

Montage von mikroelektronischen Systemen

ein. Am Fraunhofer IZM werden mit der so genannten

TSV-Technologie (Through Silicon Via,

d.h. elektrische Verbindung aus Metall durch

ein Silizium-Substrat) mit sehr hohen Aspekt-

Verhältnissen realisiert. Hierdurch lassen sich

die Bestandteile der Taktmodule dreidimensional

übereinander stapeln und extrem miniaturisieren.

Das IZM kombiniert diese Technologie

außerdem mit einem Waferdünnungsverfahren,

um die Dimensionen weiter zu reduzieren.

Darüber hinaus ist das Fraunhofer IZM für das

Wafer Level Packaging der im Projekt entwickelten

Si-basierten MEMS verantwortlich.

Das unter Vakuum durchgeführte Wafer-to-

Wafer-Packaging soll schließlich die Verkapselung

der Hybrid-Resonatoren mit hohem Q-

Faktor durch Lotringe erfolgen.

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Quarze/Oszillatoren

Neue Produkte

Fanout-Buffer

Minimaler Jitter und Zeitversatz

Die Fanout-Buffer der PL133-Familie

von Phase Link (Vertrieb:

Petermann-Technik) vereinen extrem

niedrigen additiven Jitter

und Skew mit geringem Platzbedarf

und niedrigstem Stromverbrauch.

Die PL133-Buffer dienen

zur Taktverteilung in vielfältigen

Applikationen wie zum Beispiel

Handhelds, mobilen Consumer-

Produkten und Kommunikationssystemen.

Zur Familie gehören

Buffer mit 2, 3, 4 und 6 Ausgängen.

Alle Fanout-Buffer dieser

Reihe arbeiten mit Spannungen

zwischen 1,62 bis 3,63 V und puffern

Signale im Frequenzbereich

zwischen 1 MHz und 150 MHz.

Die Buffer PL133-67 (6 Ausgänge

mit OE Control) und PL133-47 (4

Ausgänge) akzeptieren sogar Eingangssignale

von DC bis 150

MHz. Während alle Bausteine dieser

Reihe Eingangssignale im LV-

CMOS-Pegel verarbeiten, ist der

PL133-27 zusätzlich für sinusförmige

Eingangstakte konzipiert.

Nur 5 mm x 3,2 mm Gehäusefläche

Hochstabiler TCXO-Quarzoszillator

Eine hohe Stabilität von 100 ppb

und ein exzellentes Close-In-

Phasenrauschen zeichnen den

neuen, in einem Keramikgehäuse

mit gerade einmal 5 x 3,2

mm 2 Grundfläche untergebrachten

TCXO VT-803 von Vectron International

(Vertrieb: MSC) aus.

Bei Ausgangsfrequenzen von 10

bis 52 MHz und einer Alterung

von weniger als 0,5 ppm/Jahr

beträgt das Phasengrundrauschen

159 dBc/Hz bei 1 MHz Offset.

Im Temperaturbereich zwischen

-10 und +70 °C ist eine

Temperaturstabilität von ±100

ppb gewährleistet, zwischen -40

und +85 °C sind es ±200 ppb.

Am Eingang arbeitet der temperaturgeregelte

Quarzoszillator

wahlweise mit einer Spannung

von 2,8, 3,0, 3,3 oder 5,0 V, während

am Ausgang entweder ein

amplitudenbegrenztes Sinussignal

oder CMOS-Signalpegel zur

Verfügung stehen. In der Vergan-

Bild: Vectron International/MSC Bild: Phase Link/Petermann-Technik

Ein besonderes Augenmerk hat

Phase Link auf die Minimierung

des additiven Jitters gelegt. Dieses

entsteht beim Durchlauf eines

Signals durch den Buffer. Durch

ein spezielles Design beträgt der

additive Jitter für die Ausführungen

PL133-67 und PL133-47 maximal

60 fs. Die Buffer-Familie ist

in verschiedensten miniaturisierten

SMD-Gehäusen erhältlich und

steht auch im erweiterten industriellen

Temperaturbereich von

-40 bis +85 °C zur Verfügung.

infoDIREKT

genheit mussten sich Entwickler

zwischen einem TCXO mit großer

Grundfläche und hoher Stabilität

oder einem XO/VCXO mit kleiner

Grundfläche und geringer Stabilität

entscheiden. Der VT-803 bereitet

diesem Dilemma ein Ende,

indem er eine hohe Stabilität mit

geringer Alterung und niedrigem

Phasenrauschen in einem kleinen

Gehäuse vereint. Typische

Applikationen des RoHS6-konformen

Bausteins sind Femtozellen

und tragbare HF-Geräte.

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55_PB.indd 55 30.06.2011 13:22:45


Embedded

Boards

Wenn Low Power

gefragt ist

CompactPCI Zentraleinheit

ist sparsam

Bei dem breiten Angebot an CompactPCI-Boards fällt

die Auswahl schwer. Wenn es auf geringste Leistungsaufnahme

ankommt ist die CompactPCI Zentraleinheit

PC2-Limbo die richtige Wahl. Autor: Bernd Kleeberg

Seit der Unternehmensgründung 1972 blickt EKF Elektronik

GmbH, ein bekannter deutscher Hersteller von Boardprodukten

auf Basis CompactPCI, auf eine beinahe 40jährige

Unternehmensgeschichte zurück. In den Anfangsjahren

noch als EKF Messtechnik GmbH, bestimmten Laborprodukte

wie Sinusgeneratoren und Widerstandsdekaden das Produktspektrum.

Ab 1980 tritt EKF mit einem breiten Angebot an Boards im

Europakartenformat auf. Anfangs auf Basis Eurobus, ab 1985

VMEbus und heute mit einem umfangreichen Portfolio für CompactPCI-Technologie.

Zu den Alleinstellungsmerkmalen bei EKF

zählt unter anderem der Einsatz der stromsparendsten Atom-Prozessoren

und das Sideboard Konzept.

EKFs Sideboard Konzept

Dieses Konzept sieht vor, dass Basis CPU-Baugruppen im Format

3U/4TE über Onboard-Interfaces mit weiteren Mezzanine Modulen

und/oder vollformatigen Sideboards (3U/4TE) zu einer eigenständigen

Funktionseinheit (Bundle) im Format 3U/8TE oder

3U/12TE verbunden werden können (Bild 2). Die so genannten

Bundles stellen komplett autarke Rechnereinheiten dar, die neben

Massenspeicher unterschiedliche I/O-Funktionen anbieten und

dafür keinerlei Backplane-Kommunikation benötigen. Realisiert

man die Anforderungen eines Projektes vollständig innerhalb eines

Bundles, so kann eine cPCI Backplane entfallen, da lediglich

eine Spannungsversorgung des Bundles erforderlich ist.

Die CompactPCI-Zentraleinheit PC2-Limbo

Bestückt mit einem Prozessor der Intel Atom E6xx Serie, zeichnet

sich die CompactPCI-Zentraleinheit PC2-Limbo (Bild 1) durch einen

geringen Stromverbrauch aus. Abhängig von der Ausführung

benötigt der Prozessor lediglich 3 W, das komplette Board weniger

als 10 W. Das ist verglichen zu den Boardprodukten des Mitbewerbs,

die oft bis zum dreifachen benötigen, ein besonderes Merkmal

der Host-CPU-Karte Limbo. Die E6xx-Serie umfasst Prozessoren

von 0,6 GHz bis 1,6 GHz Taktrate, optional spezifiziert für den

industriellen Temperaturbereich (-40°C…+85°C). Die 4TE Frontplatte

enthält je zwei Gigabit Ethernet und USB-Buchsen. Für den

Anschluss an einen Monitor steht ein DVI-Ausgang zur Verfügung;

wahlweise kann aber auch der klassische VGA Connector bestückt

werden. Selbstverständlich wurde das Sideboard-Konzept auch in

vollem Umfang für PC2-Limbo umgesetzt. Der PC2-Limbo verfügt

über bis zu 2 GB aufgelötetes RAM für erhöhte Anforderungen.

Ein CFast-Sockel ermöglicht den Einsatz eines SATA basierenden

Flash-Speichermoduls (SSD) als Massenspeicher für das Betriebssystem.

Der zusätzliche MicroSD-Kartenhalter eignet sich für industrielle

microSDHC Flash Karten (Speed Class 6, bis 32 GB).

Unter Beibehaltung der 4TE Bauhöhe des PC2-Limbo ist ein zusätzliches

Mezzanine-Speichermodul wie das C42-SATA (1,8-Zoll

microSATA Solid State Drive) oder C47-MSATA (Dual mSATA

mit RAID Option) aufsteckbar.

CompactPCI PlusIO

CompactPCI PlusIO (PICMG 2.30) definiert den neuen ergänzenden

CompactPCI Standard für die Daten Ein- und Ausgabe über

den Steckverbinder J2, dessen Belegung in der Spezifikation im Detail

beschrieben ist. Verschiedene serielle Schnittstellen des PC2-

Limbo (PCI Express, SATA, Gigabit Ethernet und USB) stehen dadurch

auf der Backplane zur Verfügung, wahlweise zur Nutzung

durch ein so genanntes ‚Rear I/O Transition Module‘, oder für

CompactPCI Serial Kartensteckplätze in einem hybriden System.

CompactPCI Serial

CompactPCI Serial (PICMG CPCI-S.0) beschreibt, aufbauend auf

dem CompactPCI-Formfaktor, die Nutzung der seriellen Interfaces

PCI Express, SATA, Gigabit Ethernet und USB 2/3 über die

Backplane. Die PlusIO Spezifikation eröffnet vor allem weitrei-

56 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

56_EKF (__).indd 56 30.06.2011 13:23:27


Embedded

Boards

Bild 1 links: Weniger als 10Watt nimmt die mit

Intel Atom E6xx Prozessoren bestückte

CompactPCI Zentraleinheit PC2-Limbo auf.

Bild 2 rechts: Bundles stellen autarke

Rechnereinheiten dar, die neben Massenspeicher

unterschiedliche I/Os anbieten und keine

Backplane-Kommunikation benötigen.

Bilder: EKF

chende Möglichkeiten zum Aufbau hybrider Systeme, verheiratet

also das beste aus einem umfangreichen CompactPCI-Portfolio

mit den Möglichkeiten von CompactPCI Serial, gibt ein natives

CompactPCI Serial-System mit Bandbreiten bis 10 GHz über die

Backplane bereits heute Antworten auf die Fragen von morgen

und setzt dabei auf ein bewährtes mechanisches Konzept und eine

Architektur ohne Management-Overhead. CompactPCI PlusIO

werden über CompactPCI Serial angebunden.

Eine hybride Backplane ermöglicht den Parallelbetrieb von

CompactPCI Classic und CompactPCI Serial-Karten in einem gemeinsamen

Einschub, mit dem PC2- Limbo in der Mitte der Backplane

als ‚System Slot Controller‘ für beide Segmente (Bild 2). Der

PC2-Limbo kann als Träger für zusätzliche Aufsteckkarten zu einer

noch vielseitigeren Baugruppe erweitert werden. Dazu verfügt

die CPU-Karte über mehrere lokale Erweiterungs-Steckverbinder.

Eine Reihe von Steckmodulen steht zur Auswahl, mit zahlreichen

zusätzlichen I/O-und Massenspeicher-Funktionen. Normalerweise

wird der PC2- Limbo und die zugehörige ‚Side Card‘ als fertig

montierte 8TE- oder sogar 12TE-Baugruppe mit gemeinsamer

Frontplatte ausgeliefert. Einige Flach-Profil Mezzanine-Module

begnügen sich aber auch mit den 4TE der Träger-CPU.

Der Atom E6xx-Prozessor kombiniert CPU, Grafikeinheit und

Speichercontroller. Damit ist die klassische ‚South Bridge‘ überflüssig.

Als Ausgabe-Schnittstelle sind 4 PCI Express-Kanäle vorhanden.

Per PCI Express werden auf dem PC2-Limbo die meisten I/O-Funktionen

realisiert. Der so genannte Intel PCH (Platform Controller

Hub) EG20T bietet USB und SATA. Zusätzlich verfügt das Board

noch über weitere Controller für Gigabit Ethernet und SATA.

Schlussbemerkung

EKF bietet im Sideboard-Konzept ein breites Spektrum an Boards

zur Funktionserweiterung. Darüber hinaus sind kundenspezifische

Sideboards möglich. (sb)

n

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423ei0711

Der Autor: Bernd Kleeberg, Manager Sales & Marketing

bei EKF Elektronik GmbH,

_06DRY_TOELLNER_2 Generatoren_86x29 2_as_gepr.pdf;S: 1;Format:(86.00 x 29.00 mm);03. Nov 2010 12:28:02

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56_EKF (__).indd 57 30.06.2011 13:23:30


Messtechnik

PXI

Bild 1: Aufbau eines

PCI-Express-Systems.

Bilder: National Instruments

Bild 3: Kommunikationsablauf

zwischen zwei

PCI-Bereichen

über eine nicht

transparente

Brücke.

Was ist PXImc

Herstellerübergreifend mehrere intelligente Systeme verbinden

Der PXImc-Standard (PXI Multi Computing) legt die Hard- und Softwareanforderungen fest, aufgrund

derer zwei oder mehr intelligente Messsysteme miteinander verbunden werden können. Dieser Beitrag

zeigt technische Details zu PXImc auf und führt in Einsatzbereiche ein. Autor: Chetan Kapoor

Was steckt hinter der PXImc-Technologie Bild 1 veranschaulicht

die Struktur eines typischen PCI-Express-basierten

Systems. Auf dem Host-Rechner

dient der Systembus (Root Complex) als Schnittstelle

für das Verarbeitungssystem, um mit den PCI-Geräten zu kommunizieren.

Das Verarbeitungssystem stellt dann eine Verbindung

zu diesem Systembus her, um allen PCI- und PCI-Express-

Geräten des Systems die erforderlichen Ressourcen zugänglich

zu machen.

PXImc bietet ein Kommunikationsmodell mit einer großen

Bandbreite und geringer Latenz, in dem PCI oder PCI Express als

physikalische Kommunikationsschicht eingesetzt wird. Zwei Systeme

mit eigenen Systembussen können nicht direkt über PCI

oder PCI Express verbunden werden, da es einige Knackpunkte

zwischen den beiden PCI-Bereichen gibt, beispielsweise Busverwaltung

und Endpunkt-Ressourcenvergabe.

Die Verwendung einer nicht transparenten Brücke (NTB) löst

diese Problematik, indem die PCI-Bereiche logisch getrennt werden

und gleichzeitig ein Mechanismus abläuft, mit dem bestimmte Daten

von einem PCI-Bereich auf den anderen übertragen werden.

Bild 2 stellt diesen Vorgang dar. Sowohl System A als auch System

B können die Ressourcenvergabe in ihren eigenen Bereichen

selbständig steuern und werden dabei nicht durch eine nicht

transparente Brücke als Schnittstelle beeinflusst.

Die nicht transparente Brücke reagiert auf Anfragen des Systembusses

wie die anderen PCI-Endpunkte des Systems und fordert

einen bestimmten physikalischen Adressraum an. Das BIOS

des Systems teilt der nicht transparenten Brücke einen speziellen

Bereich im physikalischen Adressraum zu. Da diese Ressourcenvergabe

sowohl in System A als auch in System B stattfindet, fordert

die nicht transparente Brücke die Ressourcen in beiden PCI-

Bereichen (A und B) an. Wie in Bild 3 dargestellt dient der

Adressraum, der von der nicht transparenten Brücke im PCI-

Bereich von System A erfasst wird, als Fenster in den physikalischen

Adressraum des PCI-Bereichs von System B und der Adressraum,

der im PCI-Bereich von System B erfasst wird, als

Fenster in den physikalischen Adressraum des PCI-Bereichs von

System A.

Nach der Ressourcenvergabe auf beiden Systemen verfügt die

nicht transparente Brücke über Speichermechanismen, um Daten

zwischen beiden Systemen zu übertragen. Dazu gehören Elemente

wie ein schneller Zwischenspeicher für die Datenübertragung,

Interruptregister zur Signalisierung und große Bereiche

des Adressraums, der über die nicht transparente Brücke in den

gegenüberliegenden Adressraum übertragen wird.

Nicht transparente Brücken sind zwar keine neue Technologie,

aber bisher gab es dazu keinen branchenweiten Standard, der die

Kommunikation zwischen PCI-Hierarchien erleichtert hätte. Lösungen

für diesen Bereich erfordern jedoch ein benutzerdefiniertes

Hard- und Softwaredesign, bevor sie als Kommunikationskanal

eingesetzt werden können.

Systembandbreite und Latenz

Da sich PCI Express dank PXImc als physikalische Kommunikationsschicht

einsetzen lässt, hängt die Leistung einer PXImc-Verbindung

von der Art der PCI-Express-Schnittstelle ab. In Tabelle

1 wird die theoretische Bandbreite verschiedener PCI-Express-

Verbindungen aufgelistet.

58 elektronik industrie 07 / 2011

www.elektronik-industrie.de

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Messtechnik

PXI

Bild 2: Zwei

Systeme sind

über PCI Express

miteinander

verbunden, indem

eine nicht

transparente

Brücke (NTB) als

Schnittstelle

eingesetzt wird.

Um die Leistung einer typischen PXImc-Verbindung mit Alternativen

zu vergleichen, führte National Instruments erste Vergleichsstudien

mit Prototypenhardware und vorläufigen Software-

Stacks durch. Dafür wurden zwei PXI-Express-Chassis PXIe-1082

jeweils mit einem eigenen PXI-Express-Embedded-Controller

PXIe-8133 ausgestattet und über den Prototyp der auf einer x4-

PCI-Express-Schnittstelle der 1. Generation basierenden PXImc-

Hardware verbunden. Mit diesem Aufbau konnten eine unidirektionale

Latenz von 6 µs und ein Durchsatz von 670 MB/s erreicht

werden. Im Vergleich zu Gigabit Ethernet bedeutet dieses Leistungsvermögen

etwa zehnmal höhere Bandbreiten und hundertmal

bessere Latenz, wodurch sich PXImc als ideale Schnittstelle für

das Erstellen leistungsstarker Prüf-, Steuer- und Regelsysteme auf

mehreren Computern darstellt. Im Rahmen der stetigen Weiterentwicklung

des Standards PCI Express wird auch die von einer

PXImc-Verbindung erbrachte Leistung weiterhin zunehmen.

Leistungsstarke hybride Mess- und Prüfsysteme

Komplexe Mess-, Steuer- und Regelsysteme wie HIL-Systeme bestehen

normalerweise aus verschiedenen separaten Subsystemen,

die über unterschiedliche Funktionen verfügen. Oftmals beruhen

diese Subsysteme auf verschiedenen Hardwareplattformen, um die

Anforderungen an die Funktionalität der Plattform bestmöglich zu

erfüllen. PXImc ermöglicht die Kommunikation dieser Subsysteme

über eine PCI-Express-Verbindung mit hoher Bandbreite und

geringer Latenz. So lässt sich ein leistungsstarkes hybrides Messund

Prüfsystem erstellen, das mit verschiedenen Hardwareplattformen

eingesetzt werden kann, und dadurch Leistung, Flexibilität

und Kosten optimal in sich vereint.

Durch den Einsatz von PXImc als Kommunikationsbus für

mehrere Systeme können diese kürzere Prüfzeiten und schnellere

Schleifenausführungsraten erzielen als über vergleichsweise langsame

Schnittstellen wie Ethernet oder Reflective Memory. Diese

Funktionalität ermöglicht es somit den Systemen, ihre speziellen

Aufgaben schneller auszuführen, und – bei HIL-Systemen – Simulationen

unter realen Bedingungen durchzuführen.

Bild 4 veranschaulicht eine typische Konfiguration eines solchen

Systems. In dem Beispiel kommuniziert das Master-PXI-System

bei hohem Durchsatz und geringer Latenz über die PXImc-Verbindung

mit den sekundären PXI-Systemen und einem Stand

-alone-Messgerät, um ein leistungsfähiges, hybrides Mess- und

Prüfsystem zu erstellen.


Auf einen Blick

PXImc verbindet herstellerübergreifend mehrere

intelligente Systeme

Mit dem Standard PXImc bietet die PXI System Alliance eine Grundstruktur

für Hard- und Softwarekomponenten und ein standardisiertes

Protokoll für die Kommunikation zwischen zwei Systemen mithilfe

von PCI oder PCI Express. Vom Standpunkt der Hardware aus wurde

die Funktionalität so angeglichen, dass zwei unabhängige Systeme

direkt über PCI oder PCI Express miteinander kommunizieren können.

Im Softwarebereich wurde ein Kommunikationsmuster erstellt, über

das jedes System die eigenen Ressourcen so auffi nden und konfi gurieren

kann, dass es mit dem anderen System kommunizieren kann.

infoDIREKT www.all-electronics.de

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www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 07 / 2011 59

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Messtechnik

PXI

Bilder: National Instruments

Multicore-CPUs für verteilte Verarbeitung

Anwendungen aus den Bereichen SIGINT und echtzeitfähiges

Hochleistungsrechnen, für die Daten inline oder in Echtzeit verarbeitet

werden, müssen typischerweise über komplexe Datenverarbeitungsfunktionen

verfügen, um den Datenfluss bewältigen zu

können. Außerdem wird bei diesen Anwendungen die Verarbeitungslast

mithilfe einer Kommunikationsschnittstelle, die eine hohe

Bandbreite und geringe Latenz bietet, auf mehrere separate Verarbeitungsknoten

verteilt. Für einige verteilte Verarbeitungssysteme

reichen auch FPGAs und einzelne digitale Signalverarbeitungssysteme

aus. Doch für bestimmte Anwendungen muss bestehendes

x86-basiertes Software-IP genutzt werden oder die Berechnungen

in Gleitkomma- statt in Festkommawerten angegeben werden. In

solchen Fällen bietet PXImc die Möglichkeit, verteilte Verarbeitungssysteme

zu erstellen, die die aktuellen, auf Multicore-CPU

basierenden PCs als externe Rechenknoten nutzen. Dies bezieht

sich nicht nur auf die zuvor aufgeführten Anforderungen, sondern

bietet auch ein System mit kürzeren Entwicklungs- und Fehlerbehebungszeiten

im Vergleich zu Systemen, die FPGA und benutzerdefinierte

digitale Signalverarbeitungssysteme nutzen.

Bild 4: Beispielkonfiguration für ein leistungsfähiges, hybrides Mess- und

Prüfsystem auf Grundlage von PXImc.

PCI Express

Link

Generation

Theoretical

Unidirecional

Transfer Rates

Theoretical

Bidirecional

Transfer Rates

x4 Gen 1 1 GB/s 1 GB/s x2

x16 Gen 1 4 GB/s 4 GB/s x2

x4 Gen 2 2 GB/s 2 GB/s x2

x16 Gen 2 8 GB/s 8 GB/s x2

Tabelle 1: Theoretische Bandbreite verschiedener PCI-Express-Verbindungen.

Bild 5 (links): Beispiel eines verteilten Verarbeitungssystems, das auf

einem PXI-Express-System und PXImc-Schnittstellenkarten basiert.

Bild 6 (rechts): Mit PXImc lassen sich in PXI-Systemen mehrere

Peripherieverarbeitungsmodule an ein Chassis anschließen.

Bild 5 zeigt eine der möglichen Konfigurationen für verteilte Verarbeitungssysteme,

die sich mit einem PXI-Express-System und

PXImc-Schnittstellenkarten erstellen lässt. In diesem Beispiel ist der

Master-Controller dafür verantwortlich, dass Daten von verschiedenen

I/O-Modulen gesammelt und dann über PXImc-Verbindungen

an vier x86-basierte Rechenknoten weitergeleitet werden. Diese

Knoten können je nach der erforderlichen Verarbeitungsleistung

handelsübliche PCs oder High-End-Workstations sein.

x86-basiertes Co-Processing

Beim PXImc-Standard kann ein Verarbeitungssystem über eine interne

nicht transparente PCI- bzw. PCI-Express-Brücke verfügen. Dadurch

können die Verarbeitungsmodule an einen Peripheriesteckplatz

eines PXI-Express-Chassis angeschlossen werden und über die PCI-

Express-Leitungen an der Backplane des Chassis mit dem Master-

Controller kommunizieren. Am Chassis angeschlossene Peripherieverarbeitungsmodule

erhöhen die gesamte Verarbeitungsfunktionalität

eines einzelnen Systems und stellen eine kompakte und robuste

Systemlösung dar. Damit lassen sich optimal komplexe Mess- und

Prüfanwendungen verarbeiten, die durch die Abmessungen des Systems

eingeschränkt sind und/oder die sehr hohe Mobilitätsanforderungen

stellen. Außerdem ermöglicht der Standard direkte Peer-to-

Peer-Kommunikation zwischen PXImc- und anderen PCI- bzw. PCI-

Express-Geräten. Mit dieser Fähigkeit können PXImc-Geräte, zum

Beispiel Peripherieverarbeitungsmodule, direkt mit PCI- bzw. PCI-

Express-Geräten kommunizieren, ohne den Master-Controller einzusetzen.

Außerdem lassen sich Subsysteme innerhalb eines einzelnen

PXI-Chassis erstellen und die Chassis-Ressourcen effizienter nutzen.

Bild 6 stellt die Einbindungsmöglichkeiten von Peripherieverarbeitungsmodulen

in ein PXI-Chassis sowie die beiden möglichen Kommunikationsmethoden

dar.

Der Standard PXImc der PXI Systems Alliance (PXISA) stellt eine

herstellerübergreifende Lösung dar, die die steigenden Anforderungen

in Anwendungsbereichen wie HIL und SIGINT erfüllen kann,

erweitert den Funktionsumfang der PXI-Plattform und ermöglicht

unterschiedliche Konfigurationen wie Hybridsysteme, verteilte

Verarbeitung und Co-Processing innerhalb eines Chassis. (jj) n

Der Autor: Chetan Kapoor ist PXI Product Manager

bei National Instruments in Austin/Texas.

60 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

58_NI_502 (jj).indd 60 30.06.2011 13:25:14


Neue Produkte

Rail-to-Rail-Eingang

Schneller Komparator ist sparsam

FeRAM-Speicher 32 bis 256 KBit

Schnelle und geringe Leistungsaufnahme

Bild: STMicro

Mit einer Verzögerungszeit von 8

ns zählt der TS3011 von STMicro

zu den schnellen Komparatoren.

Er arbeitet an einfachen 2,2 bis 5

V im Temperaturbereich -40°C

bis +125°C und zeichnet sich

durch einen geringen Stromver-

brauch von 555 µA bei 5 V aus.

Zu seinen Merkmalen zählen die

Rail-to-Rail-Eingänge und der

Push-Pull-Ausgang sowie eine

ESD-Toleranz von 2 kV HBM / ​

200 V MM. Der Komparator im

SOT23-5- oder SC70-5-Gehäuse

hat eine Latch-up Immunität von

200 mA. Anwendungen finden

sich bei der Signalaufbereitung in

der Telekom, in Messtechnik und

anderen mehr. Mehr über Komparatoren

ab Seite 22 in dieser

Ausgabe.

infoDIREKT

428ei0711

FeRAMs sind nicht-flüchtige Speicher.

Gegenüber anderen NV-

Speichern wie etwa EEPROMs

oder Flash haben FeRAMs den

Vorteil einer deutlich niedrigeren

Leistungsaufnahme (1:400 oder

weniger), einer hohen Schreibgeschwindigkeit

(wie DRAM) und

einer entscheidend höheren Anzahl

von Schreibzyklen (10 12 ). In

Verbindung mit dem Datenerhalt

von 10 Jahren ermöglicht dies

den Einsatz in vielen Applikationen,

in denen es auf eine zuverlässige

Datenspeicherung ankommt,

wie für Abrechnungs-, ,

Konfigurations- und Statusinformationen.

Weitere Merkmale:

8-Bit-Konfiguration, 3,3-V-Versorgungsspannung

und Temperaturbereich

-40 bis +85 °C.

infoDIREKT

426ei0711

Bild: Rohm

Bild: Fischer Elektronik

Bild: Texas Instruments

Kundenspezifische Kühlkörper

Aluminium mit Kupfer vereint

Besonders für transiente Wärmeeinträge

und kleine Wärmeeintragsflächen

ist es zur effektiven

Kühlung der elektronischen Komponenten

notwendig, die entstehende

Wärme schnell vom Bauteil

aufzunehmen und diese, zum

Hoher Eingangswiderstand

Zweifach-Komparator ist sehr sparsam

Mit einem Eingangswiderstand

von 10 12 Ohm kann der TLC352

direkt an Hochohmquellen angeschlossen

werden. Er arbeitet in

einem weiten Bereich an einfachen

1,5 bis 18 V, außerdem an

Beispiel an einen Kühlkörper, weiterzuleiten.

Hierfür bietet Fischer

Elektronik ein spezielles Bearbeitungsverfahren

an, mit dem Kontaktflächen

aus Kupfer (Lambda =

380 W/m x k) formschlüssig mit

dem Alu-Kühlkörper verbunden

werden. Materialstärke, Anzahl,

Geometrie und Position der Kupferfläche

wird nach kundenspezifischen

Vorgaben realisiert. Eine

planebene Fläche hoher Ebenheit

und Rauheit wird durch Fräsen

erreicht.

infoDIREKT

429ei0711

zwei Spannungen zwischen 1,4

bis 18 V und zeichnet sich durch

einen geringen Stromverbrauch

von 150 µA bei 5 V bzw. 65 µA

bei 1,4 V aus. Zu seinen weiteren

Merkmalen zählen der bis Masse

reichende Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich

sowie eine

ESD-Toleranz von 2 kV nach MIL-

STD-883. Der Komparator im

SO8-Gehäuse hat TTL, MOS und

CMOS-Ausgang. Mehr über Komparatoren

ab Seite 22 in dieser

Ausgabe.

infoDIREKT

443ei0711

Universelle Stromversorgung

Für LEDs mit Konstantstrom-Ausgang und PFC

Emtron electronic nimmt mit dem

Modell PLD-25 von Mean Well eine

weitere Konstantstrom-Stromversorgung

für den Betrieb von LEDs

in sein Lieferprogramm auf. Die

Baureihe PLD-25 kann mit Gleichund

Wechselstrom in einem weiten

Eingangsspannungsbereich von

90 bis 295 V betrieben werden,

liefert 25 W Ausgangsleistung und

ist mit einer Vorrichtung zur Blindleistungskompensation

(PFC) ausgestattet.

Bislang hatte Mean Well

die Modelle LPHC/LPLC-18 (18

Watt), LPC-20 (20 Watt), LPC-35

(35 Watt) und LPC-60 (60 Watt) für

LED-Anwendung auf den Markt

gebracht. Gemeinsames Merkmal

ist ein Konstantstromausgang (350

infoDIREKT 427ei0711

_06DRX_TOELLNER_1 Verstärker_86x29 1_as_gepr.pdf;S: 1;Format:(86.00 x 29.00 mm);03. Nov 2010 12:28:01

Verstärker

mA / 700 mA / 1050 mA / 1400

mA); diese Geräte sind jedoch

nicht mit einer PFC-Funktion ausgestattet.

Aufgrund der vereinfachten,

einstufigen Auslegung seiner

PLC-Schaltung kann der erforderliche

hohe Leistungsfaktor >0,9

auf wirtschaftliche Weise erzielt

werden. Die PLD-25-Serie erreicht

einen Wirkungsgrad von 86 Prozent

und lässt sich daher im Temperaturbereich

zwischen -30 °C

und +60 °C nur mit Konvektionskühlung

betreiben. Sie haben

Schutzfunktionen gegen: Kurzschluss,

Überlast und Übertemperatur.

Breitband-

4-Quadrantenwww.TOELLNER.de

Bild: Emtron/Mean Well

www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 07/2011 61

61_PB.indd 61 30.06.2011 13:27:42


Gewinnspiele / Impressum

elektronik industrie-Leser gewinnen immer

Einsendeschluss:

25.09.2011

Gewinnen Sie eine komplette Single User Version der Toolsuite

‘ Intel C++ Studio XE‘ - für C/C++ Entwickler im Wert von rund

1.100,- € (wahlweise Linux oder Windows )!

Das Softwarepaket Intel C++ Studio XE

2011 steht für verschiedene Betriebssysteme

zur Verfügung. Es kombiniert

den C/C++- Compiler, Bibliotheken,

Fehlerprüfungstools und Profiler von

Intel. Dieses Softwareentwicklungswerkzeug

unterstützt vor allem neuere

Konzepte der parallelen Programmierung

(neben Open MP und TBB auch

CILK und ArBB). Diese Suite stellt darüberhinaus

speziell zugeschnittene, leistungsfähige

(zum Großteil bereits

‘threading fähige‘) C/C++ Bibliotheken

für mathematische Funktionen, Kryptographie,

Bildbearbeitung und Datenkompression

bereit. Mit der umfassenden

Untersuchung der Softwarequalität,

die ein wichtiger Teil des

Entwicklungszyklus ist, können statische

und dynamische Programmcodeanalyse

erfolgreich kombiniert werden.

Dazu zählt auch die Untersuchung von

Speicherleaks und Threadingfehlern.

Die Suite beinhaltet: Intel C/C++ Compiler,

Integrated Performance Primitives,

Threading Building Blocks, Math

Kernel Library, VTune Amplifier XE und

Intel Inspector XE. Um die Intel C++

Studio XE Toolsuite zu gewinnen, einfach

bis zum 25. September 2011 ein

E-Mail mit Angabe von Namen, Funktion

und Firma und mit dem Betreff

‘Elektronik Industrie‘ an: studioXE@intel.com

‘ senden und schon können Sie

der Gewinner sein.

Viel Glück wünscht die Redaktion!

Die Gewinner der Gewinnspiele werden

jeweils in einer der nächsten Ausgaben

veröffentlicht. Der Rechtsweg

ist ausgeschlossen.

infoDIREKT www.elektronik-industrie.de

404ei0711

Impressum

REDAKTION

Chefredakteur:

Dipl.-Ing. Siegfried W. Best, (sb) (v.i.S.d.P.),

Tel: +49 (0) 6221 489-240, E-Mail: siegfried.best@huethig.de

Redaktion:

Dipl.-Ing. Hans Jaschinski (jj), stellv. Chefredakteur,

Tel: +49 (0) 6221 489-260 E-Mail: hans.jaschinski@huethig.de

Dipl.-Ing. Alfred Vollmer (av), Redakteur

Tel: +49 (0) 89 60 66 85 79, E-Mail: ei@avollmer.de

Redaktion all-electronics:

Hilmar Beine (hb), Tel.: +49 (0) 6221 489-360,

Stefanie Eckardt (eck), Tel.: +49 (0) 8191 125-494

Melanie Feldmann (mf), Tel.: +49 (0) 6221 489-463

Dr. Achim Leitner (lei), Tel.: +49 (0) 8191 125-403

Robert Unseld (uns), Tel.: +49 (0) 8191 125-830

Harald Wollstadt (hw), Tel.: +49 (0) 6221 489-308

Office Manager: Waltraud Müller, Tel: +49 (0) 8191 125-408

E-Mail: waltraud.mueller@huethig.de

Assistenz und Sonderdruckservice:

Diana Bönning, Tel: +49 (0) 6221 489-206,

E-Mail: diana.boenning@huethig.de

Anzeigen

Anzeigenleitung:

Frank Henning, Tel: +49 (0) 6221 489-363,

E-Mail: frank.henning@huethig.de

Anzeigendisposition:

Angelika Scheffler, Tel: +49 (0) 6221 489-392,

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Sonderdruckservice:

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Zur Zeit gilt die Anzeigenpreisliste Nr. 40 vom 01.10.2010

Verlag

Hüthig GmbH, Im Weiher 10, 69121 Heidelberg

Tel: +49 (0) 6221 489-0 , Fax: +49 (0) 6221 489-482,

www.huethig.de, Amtsgericht Mannheim HRB 703044

Geschäftsführung: Fabian Müller

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Produktmanager Online: Philip Fischer

Vertrieb: Stefanie Ganser

Abonnement-Service:

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Leser-Service:

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E-Mail: leserservice@huethig.de

Leitung Herstellung: Horst Althammer

Art Director: Jürgen Claus

Layout und Druckvorstufe:

Carmen Lauter, Andrea de Paly, Weber Claudia

Druck: Vogel GmbH, 97204 Höchberg

ISSN-Nummer: 0174-5522

Jahrgang/Jahr: 42. Jahrgang 2011

Erscheinungsweise: 10 Ausgaben jährlich

Bezugsbedingungen/Bezugspreise 2011 (unverbindliche

Preisempfehlung): Jahresabonnement (inkl. Versandkosten)

Inland € 167,80; Ausland € 178,00. Einzelheft € 19,00, zzgl.

Versandkosten. Der Studentenrabatt beträgt 35 %. Kündigungsfrist:

jederzeit mit einer Frist von 4 Wochen zum

Monatsende. Alle Preise verstehen sich inkl. MwSt.

© Copyright Hüthig GmbH 2011, Heidelberg.

Eine Haftung für die Richtigkeit der Veröffentlichung kann trotz

sorgfältiger Prüfung durch die Redaktion, vom Ver leger und

Herausgeber nicht übernommen werden. Die Zeitschriften, alle

in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen, sind urheberrechtlich

geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen

Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des

Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für

Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die

Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen.

Mit der Annahme des Manuskripts und seiner Veröffent lichung

in dieser Zeitschrift geht das umfassende, ausschließliche,

räumlich, zeitlich und inhaltlich unbeschränkte Nutzungsrecht

auf den Verlag über. Dies umfasst insbesondere das Printmediarecht

zur Veröffentlichung in Printmedien aller Art sowie

entsprechender Vervielfältigung und Verbreitung, das Recht

zur Bearbeitung, Umgestaltung und Übersetzung, das Recht

zur Nutzung für ei-gene Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen

Verwertung, z.B. Einspeicherung und Bearbeitung

in elektronischen Systemen, 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.

Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Haftung

übernommen. Mit Namen oder Zeichen des Verfassers gekennzeichnete

Beiträge stellen nicht unbedingt

die Meinung der Redaktion dar. Es gelten die allgemeinen

Geschäftsbedingungen für Autorenbeiträge.

Auslandsvertretungen

Frankreich, Belgien: SL REGIE, Sophie Lallonder,

12 allée des Crételles, F-37300 Joué-Lès-Tours,

Tel: +33/2/47 38 24 60, Fax: +33/2/90 80 12 22,

E-Mail: sophie.lallonder@wanadoo.fr

Großbritannien: Richard H. Thompson Ltd.,

38 Addison Avenue, GB-London W11 4QP,

Tel: +44/20/76 02 10 65, Fax: +44/20/76 02 21 98,

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Schweiz, Liechtenstein: MarCoMedia GmbH,

Monika B. Ailinger, Obereichliweg 31, CH-6405 Immensee

Tel.: +41/41/8504424, Fax: +41/41/8504529,

E-Mail: m.ailinger@marcomedia.ch

USA, Kanada: Marion Taylor-Hauser,

Max-Böhm-Ring 3, 95488 Eckersdorf,

Tel.: +49/921/31663, Fax: +49/921/32875,

E-Mail: taylor.m@t-online.de

Angeschlossen der Informationsgemeinschaft zur

Feststellung der Verbreitung von Werbeträgern (IVW),

(Printed in Germany)

Datenschutz

Ihre personenbezogenen Daten werden von uns und den Unternehmen

der Süddeutscher Verlag Mediengruppe, unseren

Dienstleistern sowie anderen ausgewählten Unternehmen verarbeitet

und genutzt, um Sie über interessante Produkte und

Dienstleistungen zu informieren. Wenn Sie dies nicht mehr wünschen,

schreiben Sie bitte an: leserservice@huethig.de

62 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

62_Gewinnspiele (Intel_404.indd 62 30.06.2011 13:29:45


Gewinnspiele / Impressum

elektronik industrie-Leser gewinnen immer

Einsendeschluss:

31.08.2011

Gewinnen Sie ein Digital-Handmultimeter U1242A

gespendet von Agilent im Wert von 200,- €!

Das U1242A Digital-Handmultimeter

ist ein robustes DMM für den

Einsatz im Labor und auch im

Feld. Die Leser der elektronik industrie

haben die Chance eines

dieser gut ausgestatteten Multimeter

zu gewinnen, dessen wesentliche

Merkmale sind:

■■ Digitales 10.000-Digit-Präzisions-True-RMS-Handmultimeter,

gemäß EN/IEC 61010-1:2001

Kategorie III 1000 V/ Kategorie

IV 600 V

■■ Spannungs- und Stromstärkemessungen

von DC und AC

■■ True-RMS-Messung für AC-

Spannung und -Strom

■■ Harmonischenverhältnis

■■ SCAN-Temperaturmessung für

T1, T2 und T1–T2

■■ Widerstandsmessung bis zu

100 MΩ

■■ Dioden- und akustische

Durchgangstests

■■ Kapazitätsmessung bis zu

10 mF

Außerdem verfügt das DMM über

Akkukapazitätsanzeige.

Um das DMM zu gewinnen einfach

bis zum 31. August 2011ein email

mit Angabe von Namen, Firma und

dem Betreff: Digital-Handmultimeter

an folgende email-Adresse: contactcenter_germany@agilent.com

Viel Glück wünscht die Redaktion!

Die Gewinner der Gewinnspiele

werden jeweils in einer der nächsten

Ausgaben veröffentlicht. Der

Rechtsweg ist ausgeschlossen.

infoDIREKT www.elektronik-industrie.de

402ei0711

elektronik industrie-Leser gewinnen immer

Einsendeschluss:

31.08.2011

Gewinnen Sie eines von sechs Demo Kits für den VCNL4000 Näherungs- und Umgebungslicht-Sensor

gespendet von Vishay im Wert von zusammen über 200 US$!

Vishay Intertechnology führt ein Demokit für

seinen VCNL4000 Näherungs- und Umgebungslicht-Sensor

in den Markt ein. Es bietet

den VCNL4000 Sensor bereits montiert auf einem

Board mit USB-Interface und Demonstrationssoftware.

Das Kit, das die

Leser der elektronik industrie

gewinnen können, ermöglicht

es Entwicklern auf einfache

und preiswerte Art den Sensor

für die angedachte Applikation

zu evaluieren. Der VCNL4000

kombiniert einen IR-Sender,

Proximityphotodiode, Ambient

Lightdetector, Signalprozesor-

IC und I 2 C-Bus Kommunikationsinterface

in einem 395

mm x 3,95 mm x 0,75 mm

leadless (LLP) Surface-Mount

Gehäuse. Die VCNL4000 DemoKit

Software enthält zwei

Schnittstellen: Eine für die

Ambientlight-Funktion und

infoDIREKT www.elektronik-industrie.de

eine weitere für die Proximity-Funktion. Der Designer

kann die Schlüsselfunktionen der Sensorparameter

festlegen und den Effekt auf die Applikation

erkennen. Zusätzlich können unterschiedliche

Gehäuse und Fenstermaterialien

ausprobiert und deren Einfluss auf die Empfindlichkeit

des Sensors erprobt werden. Die

Proximity Software ermöglicht die Einstellung

des Emitterstromes, der Samplerate, vom

Samplingmode und von der Ausgangsgröße

der Messung. Enthalten sind

auch die automatische

Rausch- und Offset-Kompensation

und der Dynamikbereich.

Um ein Demokit zu gewinnen

einfach bis zum 31. August

2011 eine E-Mail mit Betreff

Demokit an: VCNL4000DemoKit@vishay.com.

Viel Glück wünscht die

Redaktion!

Die Gewinner der Gewinnspiele

werden jeweils in

einer der nächsten Ausgaben

veröffentlicht. Der Rechtsweg

ist ausgeschlossen.

403ei0711

www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 07/2011 63

62_Gewinnspiele (Intel_404.indd 63 30.06.2011 13:29:49


High Tech Toy

Drachenstich der Moderne

Tradinno, das funkgesteuerte Untier

Im Mittelpunkt des mit 500 Jahren ältesten deutschen Volksschauspiels steht seit 2010 im bayrischen Furth im

Wald der moderne Drache Tradinno. Wenn ich auch Siegfried heiße, getötet habe ich ihn nicht, aber die Elektronik

einmal genauer angeschaut.

Autor: Siegfried W. Best























































64 elektronik industrie 07/2011

www.elektronik-industrie.de

64_480_HTT.indd 64 30.06.2011 13:33:13


High Tech Toy

Tradinno ist nach einer ganzen Reihe von Vorfahren, die

teils von im Leib versteckten Burschen bewegt wurden,

ein fast 16 m langer und 11 to schwerer Drache mit dem

Innenleben eines Automobils. Er wurde komplett von

Zollner Elektronik im bayrischen Zandt entwickelt.

Zum Einsatz kommt ein modular aufgebautes Steuergerät

zur dezentralen Steuerung/Regelung der hydraulischen

Systeme mit den unterschiedlichen

Aktoren und Sensoren. Die

Stromversorgung der angeschlossenen

Industriekomponenten

(Ventile, Sensoren, usw.) erfolgt

über ein KFZ/NFZ-

Bordnetz mit 2x 16…32

VDC, gespeist aus einem

24-V-Batterienetz,

ständig gepuffert

von Generatoren,

die von

einem VW-Tur-

bo-Dieselmotor (2 Ltr., 140 PS) angetrieben werden. Die angeschlossenen

Aktoren und Sensoren werden über einen getrennten

Stromkreis versorgt. Damit nichts Unvorhergesehenes passiert,

übernimmt ein zweikanalig ausgeführter Sicherheitskreis die Abschaltung

der Aktorversorgung über Sicherheitsschleife nach

SIL3.

Das elektronische Herz

Das Blockschaltbild zeigt die Steuergeräte für die Extremitäten

Füße, Schwanz und Flügel sowie solche für den Kopf, die Augen

und den Hals. Alle 9 Steuergeräte sind für die Kommunikation

mit 140 kBytes/s über CAN und FlexRay verbunden. Die ECUs

arbeiten mit einer Zykluszeit von 200µs, die Zykluszeit zwischen

den ECUs ist 6 ms. Das aus Sicherheitsgründen duale Prozessorsystem

besteht aus einem 32-Bit-Mikrocontroller (Fujitsu

MB91F467D, 96 MHz, Arbeitsspeicher 576 kByte) einem 32-Bit-

Festpunkt-DSP (TMS320C6414E, 600 MHz, Arbeitsspeicher 33

MByte (64bit) und zwei FPGAs (Altera cyclon 2). Die interne Datenkommunikation

erfolgt dabei mit 32 Bit parallel und der Datendurchsatz

des komplexen Regelungssystems erfolgt mit 2,6

MByte/s bei 200 µs Abtastrate, die interne Datenübertragung zu

den Aktor-/Sensormodulen über 8 LVDS Schnittstellen (mit 86

Mbit/s). Gesteuert wird Tradinno von vier Personen mit 18 Kanälen

(je zwei Hin- zwei Rückkanäle) über nicht handelsübliche

2,4 GHz-Funkfernsteuerungen mit Rückmeldung über den im

Drachen installierten Transceiver.


infoDIREKT www.all-electronics.de

480ei0711

Kontakt: Zollner Elektronik AG

Industriestr. 2-14

93499 Zandt

Tel.: 09944 / 20–0

Email: info@zollner.de

www.zollner.de

Links: 32-Bit-Mikrocontroller Fujitsu MB91F467D,

Texas Instruments 32-Bit-DSP TMS320C6414E

Infokasten

Drachenstich 2011

Der zählebigste aller Drachen ist zweifellos der Further Drache. Seit

500 Jahren wird er alljährlich getötet. Dieses Jahr kommt vom 5. bis

22. August zum zweiten Mal der hochmoderne Tradinno zum Einsatz.

Mehr unter www.drachenstich.de

www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 07 / 2011 65

64_480_HTT.indd 65 30.06.2011 13:33:19


Service

Verzeichnisse / Impressum

Inserenten

A.S.T., Dresden 17

EMTRON Electronic, Nauheim 37

Kunze Folien, Oberhaching 27

Silicon Laboratories, USA–Austin,

Beta LAYOUT, Aarbergen 27

EPCOS, München 15

Kurz, Remshalden 25

TX 78701 29

Bicker Elektronik, Donauwörth 37

Epson Europe Electronic, München 31

Micro Crystal, CH–Grenchen 53

Toellner Electronic, Herdecke 3, 51, 57, 61

dataTec GmbH Messtechnik, Reutlingen 11

Decision Computer, Lienen 14

DETAKTA, Norderstedt 45

Distrelec Schuricht, Bremen 2. US

ERNI Electronics, Adelberg 49

Fischer Elektronik, Lüdenscheid 5

Geyer Electronic, Gräfelfing/München 35

GlobTek, USA–Northvale 47

National Instruments, München 4. US

National Semiconductor, Fürstenfeldbruck 9

Panasonic Electric Works, Holzkirchen 41

PCE, Dietmannsried 36

Toshiba Electronics, Düsseldorf 13

UNVERDROSS-TECHNIK, Wörthsee 55

WDI, Wedel 54

E-A Elektro- Automatik, Viersen 7

HAMEG Instruments, Mainhausen 14

RECOM ELECTRONIC, Dreieich 32, 33

Würth Elektronik eiSos, Waldenburg 45

Unternehmen

2E mechatronic 48

Ericsson 48

Mitsubishi Electric 6

Semikron 6

A.S.T. 16

Agilent 63

Altera 18

AMA Service 16

Asentics 16

austriamicrosystems 15

AVX 6

Fairchild 6

Fischer Elektronik 61

Franz Binder 48

Fraunhofer IZM 54

Geyer Electronic 53

Glyn 6

Intel 27, 62

MSC 50, 53, 55

MTM Power 45

National Instruments 12, 16, 58

National Semiconductor 12, 22

Omicron Lab 38

Pacific Power Source 46

Petermann-Technik 55

Semisouth 6

Semtech 30

Silicon Laboratories 54

SiTime 50, 53

STMicroelectronics 34, 37, 61

TE Connectivity 16

AWR 12

Interna tional Rectifier 6

Phase Link 55

Texas Instruments 16, 61

Bicker Elektronik 45

Karlsruher Institut für Technologie 6

Phase Metrix 12

Toshiba 6

Breitmeier Messtechnik 16

CompoTEK 53

Cree 6

Duracell 33

EKF Elektronik 56

Emtron 61

Epson Semiconductor 28

LeCroy 14

Liebherr-Elektronik 6

Linear Technology 12, 22

Magnetec 6

Maxim 22

Mean Well 61

Melexis 16

Phoenix Testlab 13

Plessey Semiconductors 12

PMC-Sierra 11

Recom 42

Rohm Semiconductor 6, 61

Rutronik 53

Schroff 48

Universität der Bundeswehr München 6

Vacuumschmelze 6

Vectron International 53, 55

Vishay 14

XP Power 45

ZIM Plant Technology 16

Epson Toyocom 53

Micro electronic 12

Schulz-Electronic 46

Zollner 64

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ISSN-Nummer: 0174-5522

Jahrgang/Jahr: 42. Jahrgang 2011

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