Stromversorgung für das IoT 10

07/2016

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Das Themen-Magazin für den Entwickler POWER STROMVERSORGUNG Energieversorgung an der Last: Diskrete Schaltung oder Power-Modul? 14

POWERMANAGEMENT Heiße Spuren im Silizium: Oberflächentemperatur bei Halbleitern messen 24

WÄRMEMANAGEMENT Optimale Kühlung: Mechanische Nachbearbeitung von Kühlkörpern 42

KOMFORT, SICHERHEIT UND SPASS

elektronik journal 07/2016

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An zei g

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Stromversorgung für das IoT 10

Editorial

kühlen schützen verbinden

EDITORIAL

dipl.­Ing (Fh) Jens Wallmann

die spannung steigt wieder

E

s ist noch gar nicht so lange her, dass die Elektronenröhren der Elektronikwelt einen kräftigen Aufschwung bescherten. Die eher klobi­ gen und glühendheißen Glaskörper erzeugten ihre Ladungsträger als Elektro­ nenwolke um den Glühdraht nicht gerade besonders effizient. Allerdings ließen sie sich quasi leistungslos ansteuern und erreichten im kV­Bereich beeindruckende Anstiegszeiten. Problematisch wurde es jedoch, wenn Röhren­Leistungsstufen niedrige Ausgangsimpedanzen treiben mussten; dann ging kein Weg an den gewichtigen Ausgangsübertragern vorbei. Seit dieser Zeit hat sich die Leistungsfä­ higkeit elektronischer Steuerelemente extrem weiterentwickelt und eröffnet mit Halbleitern neue technische Möglichkei­ ten. So steigen die Systemspannungen in der Leistungselektronik zu Gunsten der Effizienz in den Kilovoltbereich, und auch die Schaltgeschwindigkeiten bewegen sich in den zweistelligen Gigahertzbereich. Dafür entwickeln Halbleiterhersteller unaufhaltsam neue Chipstrukturen und ­geometrien und bringen immer neue Materialpaarungen in den Umlauf.

62

Hohe Schaltgeschwindigkeiten und große Leistungsdichten erfordern neue Halblei­ tergehäuse mit geringer Impedanz und ver­ bessertem Wärmemanagement, wovon einige Beiträge ab Seite 38 in dieser Ausga­ be handeln. In diesem Zusammenhang stellen wir auch thermografische Messtech­ nik vor (Seite 45). Die Reise durch die Schal­ tungstechnik führt uns aber auch zu den Bereichen Point­of­Load­Wandler (Seite 14), Rail­Splitting (Seite 16), Ansteuerung von BLDC­Motoren (Seite 32) sowie Hochvolt­ EMV (Seite 46) und Ableitströme (Seite 28).

Entwärmung für die Bahntechnik • Hochleistungskühlkörper für freie und erzwungene Konvektion • Verschiedenartige strömungsoptimierte und vibrationsfeste Lüfteraggregate • Ein- oder doppelseitige exakt plangefräste Halbleitermontageflächen • Kundenspezifische Sonderlösungen

Die Leistungssteigerung findet aber auch im Nanowattbereich statt. Um einen nied­ rigen Stromverbrauch drahtloser Sensoren (Seite 62) geht es beispielsweise in der Rub­ rik Mess­ und Prüftechnik. Damit Sie ihre Entwicklungsprojekte auch realisieren kön­ nen, bietet diese Ausgabe auch eine bunte Mischung an Informationen zu Bauteilen, Modulen, Stromversorgungen und Mess­ geräten, sowie Dienstleistungen und Tools. Ich wünsche Ihnen ein gutes Gelingen.

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Mehr erfahren Sie hier: www.fischerelektronik.de Fischer Elektronik GmbH & Co. KG

Hochauflösende Strommesstechnik erfasst kleinste Stromimpulse Keysight technologies

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Nottebohmstraße 28 58511 Lüdenscheid DEUTSCHLAND Telefon +49 2351 43 5-0 Telefax +49 2351 4 57 54 E-mail [email protected]

Wir stellen aus: InnoTrans in Berlin 20.-23.09.2016 Halle 15.1, Stand 103

September 2016

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märkte + technologien 06 00

News und Meldungen Konjunkturbarometer

coverstory 10

Komfort, Sicherheit und Spaß Stromversorgungen im Zeitalter des IoT

stromversorgungen

powermanagement 24

Heiße Spuren im Silizium Oberflächentemperatur von Halbleitersubstraten messen

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Kleiner aber stark Neue Gehäuse erhöhen thermische und elektrische Belastbarkeit von MOSFETs

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Highlights MTM Power, Trumpf Hüttinger

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Ableitströme verringern Fehlauslösungen von FehlerstromSchutzschaltern vermeiden

Optimale Kühlung Mechanische Nachbearbeitung von Kühlkörpern

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Highlights Rittal, Conrad Business Supplies

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Highligts Caltest, Kamaka

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Mehr Zeit für wichtige Dinge Energieversorgung an der Last – diskrete Schaltung oder Power-Modul?

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Rail-Splitting geht auch anders Unipolare Versorgungsspannungen aufsplitten und wandeln

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Den Energiefluss gut portionieren Smarter Abwärtswandler für flexible Point-of-Load-Anwendungen

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Highlight Bicker

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wärmemanagement

halbleiter

passive + e-mechanik 46

Lautlos und ruckelfrei Effizientere BLDC-Motorantriebe entwickeln

Stressfaktor Spannung Silizium-basierende Suppressordioden schützen ICs vor Überlast

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Leicht und effektiv SiC-basierende Leistungswandler – kompakt, effizient, preisgünstig

Und es hat klick gemacht Trennrelais für Hochvolt-Ladesysteme

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Highlights Rohm

Highlights Molex, Murata

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Komplettlösung für E-Mobility- und Industrieanwendungen Referenzdesign für Umrichter

Hochvolt-EMV 52

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Anwendungen für E-Mobility und Industrie TDK-Epcos stellt Komplettlösung für Umrichter vor, die im Bereich Elektromobilität sowie in Industrieanwendungen zum Einsatz kommen.

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September 2016

Leistungsstarke Kühlkörper für die Bahnelektronik  Große Auswahl an Kühllösungen für den Einsatz

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in der Bahntechnik  Flüssigkeits-, modulare Hochleistungs- und klassische Profilkühlkörper  Projektspezifische Dimensionierung  Gutes Preisleistungsverhältnis und große Vielfalt

mess- und prüftechnik 56

Energieverbrauch messen Klarheit schaffen mit Stromnebenzählern

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Vierte industrielle Revolution auf dem Vormarsch Echtzeitfähiges drahtloses Temperaturmesssystem

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Langzeit-Strommessung Herausforderung Batterielebensdauer von drahtlosen IoT-Sensoren

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Highlights MCC, Siglent

dank standardisierter Materialien und Geometrien

rubriken 03

Editorial Die Spannung steigt wieder

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Impressum

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Verzeichnisse Inserenten-/Personen-/ Unternehmensverzeichnisse

Perfekt kombiniert: Ergänzend zum gedruckten Heft finden Sie alle Informationen sowie viele weitere Fachartikel, News und Produkte auf unserem Online-Portal. www.elektronik-journal.de

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Märkte + Technologien Meldungen

energiewende triff t industrie 4.0

Mit dem 6. Energieforschungsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie fördert die Bundesregierung Unternehmen und Forschungseinrichtun­ gen, die innovative Energietechnologien entwickeln. In diesem Rahmen ist der Startschuss für das Gleichstrom­For­ schungsprojekt „DC Industrie“ gefallen. Insgesamt 21 Unternehmen aus der Industrie, vier Forschungsinstitute und der ZVEI arbeiten im Projekt gemeinsam daran, die Energiewende in der industri­ ellen Produktion umzusetzen und dafür mehr Energieeffizienz und Energieflexi­ bilität in die industrielle Produktion zu bringen. Ziel des Forschungsprojekts DC Industrie ist, die Stromversorgung indust­ rieller Anlagen über ein smartes, offenes Gleichstromnetz neu zu gestalten und die industrielle Energieversorgungsarchitektur zu digitalisieren. So soll das industrielle Energiesystem der Zukunft entstehen, ein gleichstrombasier­ tes Smart­Grid für die Industrie. Gunther Koschnick, Geschäftsführer ZVEI­Fachver­ band Automation, erklärt: „Von der heutigen Art der Energieversorgung muss sich ein gleichstrombasiertes Smart­Grid grund­ sätzlich unterscheiden. Nur so kann es den Ansprüchen nach mehr Energieeffizienz und Energieflexibilität in der industriellen Produktion genügen.“

Bild: Fotolia

gleichstrom-forschungsprojekt startet

energiewende trifft Industrie 4.0: Im Projekt arbeiten die Organisationen gemeinsam daran, mehr energieeffizi­ enz und energie­ flexibilität in die industrielle Pro­ duktion zu bringen.

Eine auf diese Weise mit Energie ver­ sorgte Produktion bietet zahlreiche Vor­ teile. Durch intelligente Netzsteuerung und integrierte Speicher könne sie flexibel und robust auf schwankende Netzqualität und Energieangebote reagieren. Außer­ dem können erneuerbare Energien leich­ ter eingebunden und Wandlungsverluste von Wechsel­ in Gleichspannung vermie­ den werden. Energieeinsparungen erge­ ben sich unter anderem durch die einfa­ chere Nutzung und Pufferung von Brems­ energie, dem sogenannten generatori­

schen Bremsen, in Gleichstromnetzen. „Hier trifft die Energiewende auf Indust­ rie 4.0“, meint Koschnick. Das mit sechs Millionen Euro geförder­ te Projekt wurde von 15 Verbundpartnern gemeinsam mit elf assoziierten Partnern im ZVEI initiiert und wird von Siemens koordiniert. In den nächsten drei Jahren sollen unter anderem Testanlagen bei den Unternehmen Daimler, Homag Group und KHS errichtet werden. (jck) n

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wiederaufladbare batterien

Bild: Rutronik

rutronik wird distributor von samsung sdi

Freut sich über die zusammen­ arbeit: Andreas Mangler, director strategic Marketing & communications bei rutronik.

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Rutronik Elektronische Bauelemente und Samsung SDI haben einen Franchisevertrag für das Vertriebsgebiet EMEA geschlossen. Er umfasst das Batterie-Produktportfolio von Samsung SDI. Der Fokus liegt auf zylindrischen LithiumIonen Batterien. Mit dem geschlossenen Vertrag verfügt Rutronik als einziger europäischer Distributor über ein vollständiges Produktportfolio für Batteriemanagementsysteme mit Halbleitern, passiven, elektromechanischen Komponenten und den Batteriezellen als wichtigste Systemkomponente. Die zylindrischen Batteriezellen haben durch ihren Aufbau mit fester Hülle ein hohes Maß an Sicherheit. Da ausschließlich die Batteriezelle definiert, mit welchen Parametern und Spezifikationen das Batteriemanagementsystem arbeitet, ist sie der eigentliche Treiber des Designs und bestimmt, welche aktiven und passiven Bauelemente das Optimum für die jeweilige Applikation bieten. Rutronik deckt mit seinen Franchisepartnern jetzt das gesamte Produktportfolio ab. Lithium-Ionen Zellen erfordern jedoch ein abgestimmtes Batteriemanagement-

system, bei dem Lade- und Entladeströme mit Präzision gemessen werden müssen und die Zellspannungsüberwachung im Genauigkeitsbereich von einzelnen Millivolt exakt arbeiten muss. Hierbei können Kunden auf das detaillierte Know-how der Rutronik FAEs und Produktingenieure zurückgreifen. Lithium-Ionen Batterien gehören zu den Gefahrgütern und erfordern ein durchdachtes Logistiksystem, unterstützt durch ein durchgängiges Dokumentenmanagementsystem. Mit seiner zentralen und weltweit durchgängigen Organisation und dem IT-System, ist Rutronik in der Lage, dies umzusetzen. Samsung SDI entwickelt und fertigt seit über 15 Jahren Li-Io-Batterien und hat seit 2010 den weltweit größten Marktanteil. Zu den Zielanwendungen zählen elektrisch angetriebene Fahrzeuge aller Art, Energiespeichersysteme, Photovoltaik-Backupsysteme und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS).

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120ejl0716 www.elektronik-journal.de

Märkte + Technologien Meldungen

Bild: GS Yuasa

lithium-ionen-batterien für katastrophenschutz

gs yuasa liefert notstromversorgung an fukushima

nötigten Stromverbrauchs nun selbst produziert werden. Mit Installation dieser Anlage ist nicht nur die Stromversorgung bei normalen Stromausfällen, sondern auch bei einem durch eine Naturkatastrophe herbeigeführten Netzzusammenbruch sichergestellt. Das Energiespeichersystem von GS Yuasa besteht aus Batteriemodulen der Baureihe LIM50E-12G, die mit jeweils 12 Zellen à 47,5 Ah bei 3,7 V Nennspannung pro Zelle bestückt sind. Das leistungsfähige Batteriemanagementsystem, das speziell für Smart-Grid-Speicherlösungen konstruiert wurde, überwacht fortlaufend die Spannung, Temperatur und Strom der einzelnen Zel-

GS Yuasa hat eine zweiteilige Li-Ionen Batterieanlage inklusive USV-System an die JR Fukushima Railway Station in Japan geliefert. Die Anlage liefert zirka 500 kWh und ist in der Lage, bei einem Ausfall des Hauptnetzes den Bahnhof zwölf Stunden lang mit Strom zu versorgen. Durch die Bereitstellung dieses neuen Systems durch GS YUASA wird JR Fukushima zum Vorzeigebahnhof für die sogenannte East Japan Railway Initiative „Ecoste“. Diese umfasst die Anwendung verschiedener Technologien zur Erhaltung der Umwelt, inklusive Energieeinsparung und Nutzung von erneuerbaren Energien, wie der Sonnenenergie. Dank eines Stromversorgungssystems, geliefert vom Partnerunternehmen Mitsubishi Electric Corporation, können 23 % des vom Bahnhof be-

gs Yuasa stattete die Jr Fukushima railway station in Japan mit einer notstromversorgung aus, bestehend aus lithium­Ionen­batterien.

len. GS Yuasa kombiniert die Lithium-IonenTechnologie mit USV-Systemen.

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distributionsabkommen

compu-mess elektronik vertreibt keysight

n Kleinste Gehäusemaße n Herausragende Eigenschaften n Hohe Zuverlässigkeit ROHM Semiconductor bietet eine umfangreiche Auswahl an AEC-Q100-qualifizierten LDO-Reglern in kleinen Gehäusen, die mit herausragenden Eigenschaften, verbesserter Zuverlässigkeit und verstärkter Miniaturisierung punkten.

Die weltweit kleinsten LDO-Regler LDO-Regler mit extrem geringer Ruhestromaufnahme Serie BUxxJA2MNVX-C Serien BD4xxMx / BD7xxLx • Mit 1 mm2 die kleinsten Automotivetauglichen LDO-Regler der Industrie • Stabiler Betrieb auch mit einer externen Kapazität von nur 0,22 µF

• Neuester Stand der Technik in Sachen Stromaufnahme: Auf 6 µA reduzierter Ruhestrom • Auswahl unter mehreren Gehäusetypen für weitreichende Kompatibilität 20

Industrieweit kleinstes Gehäuse

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Bild: Compu-Mess

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Automotive-LDOs in kompakten Gehäusen

Circuit Current: Ib (µA)

Compu-Mess Elektronik (CME) ist neuer Vertriebspartner des US-amerikanischen Herstellers Keysight Technologies. Keysight hat über 300 Power-Produkte in seinem Messtechniksegment. Diese ergänzen das bisherige Produktangebot des Münchner Distributors. Zwei Produkte von Keysight sind der DC Power Analyzer des Typs N6705B und die Advanced Power Systeme der Serien N6900 und N7900. Beide sind zum Testen von Batterien sowie Ladegeräten und batteriebetriebenen Geräten vorgesehen und leicht zu bedienen. Mit beiden Systemen lassen sich auf einfache Weise reale Lastprofile aufnehmen, die anschließend bearbeitet und beispielsweise als Testprofile zum Prüfen von Batterien benutzt werden können. Ein Beispiel ist das Testen der Batterie bei der Entwicklung eines elektrischen Schraubendrehers: Ist das Lastprofil beim Eindrehen einer Schraube einmal aufgenommen, kann anschließend getestet werden, wie lange der Akku hält. Auch komplexere Tests sind auf diese Weise in kurzer Zeit durchführbar.

compu­Mess vertreibt nun auch dc­versorgungsmodule von Keysight – zum beispiel das Modell e36103A.

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- 40 °C 25 °C 125 °C

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Ruhestrom 6 µA

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Output Current: IOUT (mA)

Wichtige Technische Daten

Wichtige Technische Daten

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Eingangsspannung 1,7 V bis 6,0 V Ausgangsspannung 1,0 V bis 3,4 V Ausgangsstrom bis zu 200 mA Standby-Strom 35 µA Gehäusebauform SSON004R1010 (1 x 1 x 0,6 mm)

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Eingangsspannung bis zu 50 V Ausgangsspannung 3,3 V oder 5 V Ausgangsstrom 200 mA oder 500 mA Ruhestrom nur 6 µA Mehrere Gehäusetypen: SOT223-4F, HTSOP-J8, TO252-3

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Power it !

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Märkte + Technologien Meldungen

rit tals neue werke

Der Grundstein für ein neues Rittal­Produktionswerk ist gelegt: Am 19. August 2016 nahmen Unternehmensvertreter und Poli­ tiker im hessischen Haiger die Kellen in die Hand und starteten damit den Bau des neuen Werks für Schaltschrank­Kompaktge­ häuse. Inhaber Dr. Friedhelm Loh kündigte zugleich die nächs­ te Grundsteinlegung an. Der Neubau in Haiger soll vor allem von Industrie 4.0 geprägt sein und somit für effiziente Produktions­, Logistik­ und Kom­ munikationsprozesse sorgen. Nach diesem Prinzip modernisiert der Schaltschrankbauer außerdem die Werke in Rittershausen und Hof. Zu dritt sollen sie dann einen modernen Produktions­ verbund bilden. Insgesamt investiert die Friedhelm Loh Group 250 Millionen Euro, allein 170 Millionen Euro davon in das neue Werk in Haiger. „Ich kann verstehen, dass die mit Industrie 4.0 verbundenen riesigen Datenmengen und kritische Sicherheits­ überlegungen noch manch einen Unternehmer vor der Investi­ tion zurückschrecken lassen“, sagte Loh, „aber ich bin überzeugt, wenn wir es hier in Deutschland nicht anpacken, dann überholt uns der Wettbewerb aus dem Ausland.“ Loh gab zudem bekannt, dass ein weiteres Werk in den kommenden Jahren in der Nähe von Rittershausen entstehen soll. Auf dem rund 56 000 m² großen Gelände des ehemaligen Kesselbauers Omnical in Ewersbach werden dann Großschränke aus nichtrostendem Stahl gefertigt, interessant für die Öl­ und Gasbranche sowie die Lebensmittel­ industrie. In gut zwei Jahren sollen in dem neuen Werk in Haiger auf 24 000 m² rund 9 000 Kompaktgehäuse pro Arbeitstag vom Band laufen, also etwa 2,2 Millionen pro Jahr. Die dreistufige Fertigung – Blechbearbeitung, Lackierung, und Montage – soll durchgehend

Bilder: Rittal

grundstein gelegt

Als symbolischer grundstein diente ein Kompaktschaltschrank aus der Ae­ serie. Ae steht für den „Allerersten“. von rechts: volker bouffier, debora loh, dr. Friedhelm loh, Wolfgang schuster; Mario schramm; dr. Köhler und carsten röttchen.

digital vernetzt erfolgen: Fahrerlose Transportsysteme liefern die benötigten Materialien selbstorganisiert und ohne menschliches Eingreifen an die entsprechende Stelle. Rund 290 Mitarbeiter werden in dem neuen Werk arbeiten. Am Standort Haiger steigt die Mitarbeiterzahl damit auf rund 800. Im Zuge des Ausbaus schließt Rittal die Werke Burbach, Wis­ senbach, Rennerod und Herborn bis 2018. Die dann ausgebauten Werke Rittershausen und Hof sollen dies teilweise auffangen: Hof soll zusätzliche Produktgruppen der Standorte Herborn und Burbach fertigen, der Standort Rittershausen zusätzliche Pro­ duktgruppen von Wissenbach und Burbach übernehmen. Die in Rennerod beheimatete Kühlgerätefertigung verlegt Rittal nach Valeggio in Norditalien. (mns) n

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906iee0916

mouser schliesst abkommen mit torex

Bild: Mouser

erster Qi-konformer 15-w-transmitter von ti

der tI­transmitter bQ501210 für die ka­ bellose energieübertragung ist mit ei­ ner 5­v­leistungsstufe in vollbrücken­ ausführung ausgestattet, managt die bei der energieübertragung auftreten­ den Fehlerzustände und steuert die betriebszustandsanzeige.

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Mouser Electronics hat ein global gültiges Vertriebsab­ kommen mit Torex Semi­ conductor abgeschlossen. Torex ist A nbieter von CMOS­Powermanagement­ ICs, die für batteriebetriebe­ ne und energieeffiziente Applikationen konzipiert sind. Zudem hat Mouser den Qi­konformen 15­W­Trans­ mitter BQ501210 von Texas Instruments (TI) in sein Portfolio aufgenommen. Der Transmitter für das kabel­

lose Laden ist branchenweit der erste gemäß WPC (Wireless Power Consortium) v1.2 Qi­konforme 15­W­Transmitter für die drahtlose Energieübertragung. Der BQ501210 ermöglicht einen Systemwirkungsgrad von 84 % bei wesentlich weniger Wärme­ ableitung im Vergleich zu herkömmlichen Bausteinen zur kabel­ losen Energieübertragung. Der Transmitter unterstützt mehrere Schnellladeprotokolle, funktioniert mit jedem Qi WPC v1.1 Recei­ ver und bietet eine Reihe an flexiblen und anpassbaren Funkti­ onen wie zum Beispiel persönliche Elektronik­, Medizin­ und platzbegrenzte Industrieanwendungen. Von den Vorteilen der drahtlosen Energieübertragung mit 15 W können gewerblich genutzte Anwendungen wie etwa Point­of­Sale­Geräte sowie Medizingeräte im Handheld­Format profitieren. (jck) n

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125ejl0716 www.elektronik-journal.de

Märkte + Technologien Meldungen

partnerschaft

rs vertreibt intersil

RS Components und Intersil haben eine Distributionsvereinbarung bekannt gegeben. Das Abkommen ermöglicht es RS, seinen Kunden in allen Regionen weltweit die komplette IntersilProduktpalette anzubieten. Die Intersil-Produktpalette, einschließlich Lösungen für das Batterie- Bild: RS Components management, Digital Power, High-Speed-DatenIcs für leistungsumwandlung, Präzisions­ konvertierung und Signalaufbereitung, ergänzt analogschaltungen und mehr sollen die das RS-Portfolio von ICs, diskreten BauelemenPosition von rs stärken. ten und den damit verbundenen Komponenten in den Bereichen wie Industrie, Advanced Automotive, Telekommunikation und High-Performance-Computing. Intersil hat zudem auch Produkte im Bereich Optoelektronik, Audio, Schnittstellen, Schalten und Multiplexen. Dies trägt zum weiteren Ausbau der lieferbaren RSPalette von Halbleitern bei.

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EN50155

Bahntechnik zertifiziert

nicht nur „designed to meet“ dc/dc-power-seminare

Bild: Maxim

kostenfreies seminar von maxim Systemarchitekten und Entwickler von Stromversorgungen haben die Möglichkeit, an kostenlosen, europaweit stattfindenden DC/DC-Power-Seminaren von Maxim Integrated Products teilzunehmen. Die Ein-Tages-Kurse sollen alle wichtigen Aspekte zu Effizienz, Wärmeableitung, Größe, Schutz und Isolation von Stromversorgungen behandeln. Nachdem der weite Eingangsspannungsbereich häufig in industriellen, Medizin-, Kommunikations- und anderen Endanwendungen eingesetzt wird, ist es wichtig, die Leistungs- und Größenvorgaben der Stromdie europaweit ganztägige dc/dc­ versorgungssysteme zu erfüllen. Die von September Power­seminare richten sich an system­ bis einschließlich Oktober 2016 stattfindenden Einarchitekten und entwickler von Tages-Seminare von Maxim behandeln die theoretistromversorgungen. schen Grundlagen des Power-System-Designs und bieten den Teilnehmern Lösungen für ihre größten Herausforderungen in der Entwicklung. In Deutschland finden die „DC Power System Design“-Seminare in Dortmund (29. September 2016) und Stuttgart (11. Oktober 2016) statt. Das Seminar beginnt zunächst mit zwei theoretischen Unterrichtseinheiten, gefolgt von Vorträgen zu Echtzeit-Design, Simulation und Tests. An den meisten Seminarstandorten wird der theoretische Part vom führenden Power-Systems-Designer Dr. Martin Moerz gehalten. Gesponsert sind die Seminare von Maxims Distributionspartner Avnet Silica. Die Teilnehmerzahl ist begrenzt.

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leistungshalbleiter-portfolio

littelfuse übernimmt produkte von on semiconductor

Größte Auswahl an 8-240W DC/DC Wandlern für Schienenfahrzeug- & Streckenausrüstung 4:1 Eingangsspannungsbereich von 24 bis 110VDC CE & EN50155 zertifiziert für Onboard-Anwendungen CE & EN60950 zertifiziert für Streckenausrüstung Wirkungsgrad bis zu 93% Betriebstemperaturbereich von -45°C bis +85°C 1″x1″, 2″x1″, 1/4 und 1/2 Brick Besuchen Sie uns auf der InnoTrans in Berlin Halle 11.1, Stand 226

Littelfuse hat die Übernahme der Produktpalette an Suppressordioden (TVS), Schalt-Thyristoren und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) für Fahrzeugzündanwendungen von ON Semiconductor für einen Gesamtpreis von 104 Millionen US-Dollar bekannt gegeben. Das Portfolio von ON Semiconductor hat einen Jahresumsatz von etwa 55 Millionen US-Dollar. Die Übernahme soll voraussichtlich Ende August 2016 abgeschlossen sein. Littelfuse plant überdies eine Investition von etwa 30 Millionen US-Dollar in seine Halbleiterherstellungsstandorte zur Verbesserung der Produktionsmöglichkeiten, zur wesentlichen Kapazitätserweiterung seiner Fertigungsanlage in China und zur Fertigungsübernahme der neu erworbenen Produkte. Die erwarteten Produktivitätssteigerungen aus dieser Investition sollen zum rentablen Langzeitwachstum im Halbleiter-Geschäftsbereich des Unternehmens beitragen. „Wir erwarten EBITDA-Margen von mehr als 30 % aus der Übernahme, sobald die Übertragung dieser Produkte vollständig abgeschlossen ist“, ergänzte Meenal Sethna, Executive Vice President und Chief Financial Officer. „Unter Berücksichtigung von Amortisation, Zinsen und Integrationskosten erwarten wir für 2016 im Zuge der Übernahme einen neutralen Gewinn pro verwässerter Aktie und Wachstum ab 2017.“

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WE POWER YOUR PRODUCTS w w w. r ec o m - p o w e r.c o m

Stromversorgungen Coverstory

Privatnutzern beschert das Internet der dinge mehr lebensqualität, Komfort, sicherheit und spaß. Kunden und unter­ nehmen interagieren kontinuierlich.

komfort, sicherheit und spaß stromversorgungen im zeitalter des Iot

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Neue Zahlen zum Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) belegen eine unheimliche Dynamik: Schon im Jahr 2020 sollen etwa 25 Milliarden IoT-Geräte im Einsatz sein. Doch viele dieser Geräte verbrauchen selbst unnötig viel Strom. Neben intelligenten Steuerungen schaffen energieeffiziente StromversorAutor: Dipl. Ing. (FH) Stefan Bergstein gungen da sinnvoll Abhilfe.

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as Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) gilt als die nächste große Evolutionsstu­ fe des Internets. Nüchtern betrachtet tau­ schen hier elektronische Produkte ohne Zutun von Anwendern über das Web Daten miteinander aus. Doch das IoT ist viel mehr: Mit den gewonnenen Informationen lassen sich neue Dienstleistungen ent­ wickeln und bestehende verbessern. So entsteht aus der Verbindung zwischen Dingen, Nutzern, Unter­ nehmen und Partnern ein signifikanter Mehrwert. Von der vernetzten Welt können Verbraucher und Industrie gleichermaßen profitieren. Kunden und Unternehmen treffen künftig nicht mehr nur einma­ lig am Point of Sale aufeinander, sondern interagieren kontinuierlich, solange Kunden ein Produkt und die darauf abgestimmten Services nutzen. Privatnutzer

eck-daten Das IoT und damit verbundene Entwicklungen wie Industrie 4.0, Connected Cars und E- Health generieren steigende Umsätze für Industrie- und Dienstleistungsunternehmen: bis 2020 sollen bereits 25 Milliarden IoT-Geräte vernetzt sein. Hier sind hocheffiziente Stromversorgungen wie die der IRM-Serie von Mean Well (Vertrieb: Emtron) gefragt, damit der Eigenverbrauch dieser Geräte nicht den Stromverbrauch von IoT-Anwendungen explodieren lässt.

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elektronik journal 07/2016

gewinnen dadurch eine höhere Lebensqualität, mehr Komfort, Sicherheit und Spaß. Unternehmen profi­ tieren von Effizienzsteigerungen, Kostensenkungen und besserer Ressourcennutzung.

Informationstechnik durchdringt den Alltag Das IoT entsteht, indem Informationstechnik vehe­ ment immer weitere Bereiche unseres Alltags durch­ dringt. Sensoren, Aktoren und Funkmodule in Stra­ ßen, Häusern, Uhren, Werbetafeln, Fitness­ und Gesundheits­Trackern und vielen anderen Dingen sorgen für eine Flut neuer, vernetzter Technik. Ohne Frage werden das IoT und damit verbundene Entwick­ lungen wie Industrie 4.0, Connected Cars und E­Health zunehmend zu wichtigen Umsatzbringern für Industrie­ und Dienstleistungsunternehmen. Laut Statista werden bis Ende 2016 weltweit etwa 6,4 Milliarden IoT­Geräte vernetzt sein. In seiner aktu­ ellen Studie schätzt das Marktforschungsunterneh­ men Gartner, dass sich dieser Wert bis 2020 bereits auf 25 Milliarden Geräte erhöht; Tendenz stark stei­ gend. Etwa zwei Drittel davon entfallen auf den Con­ sumer­Bereich, ein Fünftel auf branchenübergreifen­ de Industriebereiche, der Rest auf vertikale industri­ elle Märkte. Interessant dabei: In einer Erhebung von www.elektronik-journal.de

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Stromversorgungen Coverstory

dynamischer Markt: etwa 6,4 Milliarden Iot­geräte weltweit sollen bis ende 2016 vernetzt sein; für das Jahr 2020 sind 25 Milliar­ den vernetzte geräte prognostiziert.

2014 ist Gartner noch von 14 Milliarden IoT­Geräten im Jahr 2020 ausgegangen. Die neuen Zahlen belegen die enorme Dynamik dieses Marktes.

Produkt vom Wettbewerb zu differenzieren und so auch dem Vertrieb eine starke Argumentationshilfe für den erfolgreichen Verkauf zu liefern.

IoT treibt Stromverbrauch in die Höhe

Extreme Energieeffizienz ist gefragt

Die permanente Anbindung unzähliger Geräte aus unterschiedlichen Bereichen des täglichen Lebens an das World Wide Web ermöglicht aber nicht nur innovative Anwendungen, sondern sorgt auch für neue Herausforderungen. Eine davon ist der zuneh­ mende Strombedarf. Denn so vielversprechend die neuen Möglichkeiten einer vollständig vernetzten Welt auch sein mögen – elektronische Geräte ver­ brauchen elektrische Energie. Die Internationale Energieagentur (IEA) warnt bereits: Das Internet der Dinge lässt den Energiehunger der digitalen Welt regelrecht explodieren. Höchste Zeit, hier mit extrem energieeffizienten Stromversorgungen gegenzusteuern. Doch ein Blick in viele Labore zeigt: Etliche Entwickler machen sich zunächst wenig Gedanken darüber, wie die Energie in die Systeme kommt. Da wird häufig eine DC­Buch­ se eingebaut und dann ein Netzteil aus irgendeiner Billigfertigung zugekauft, das halbwegs die erforder­ lichen Spezifikationen erfüllt. Das ist nicht nur schlecht für die Umwelt – damit verschenken diese Unternehmen auch erhebliches Potenzial. Denn eine genau auf den erwarteten Stromverbrauch abgestimm­ te, am besten gleich in die Ent­ wicklung mit einbezoge­ ne und auf maximale Ef f i zien z get r i m mte Energieversorgung bie­ tet die Möglichkeit, sich mit einem stromsparenden

Als Energiequelle für IoT­Devices kommen je nach Bauform, Größe und Einsatzzweck Netzgeräte, Bat­ terien oder Akkus zum Einsatz. Für diese Module gelten besondere Anforderungen. Ein Argument für das Internet der Dinge lautet Energiesparen – beispielsweise durch intelligente Verkehrs­ und Haushaltssteuerung. Damit dieses Argument nicht gleich durch übermäßigen Eigenver­ brauch der vernetzten Geräte konterkariert wird, soll­ ten diese über eine hocheffiziente Stromversorgung verfügen. Hier kommt es auf die Auswahl der einzel­ nen Komponenten ebenso an wie auf das Design des gesamten Moduls. Viele der vernetzten Endgeräte sind zudem klein oder haben ungewöhnliche Bauformen. Daraus leitet sich oftmals die Forderung ab, dass auch die Energie­ spender sehr kompakt sein und oftmals auch ein kun­ denspezifisches Format haben müssen. Hier lohnt es sich, frühzeitig spezialisierte Partner ins Boot zu holen, die kompetent beraten und herstellerunab­ hängig passende Stromversorgungs­ komponenten liefern können. Aber auch ein geplanter Bat­ terie­ beziehungsweise Akku­ betrieb stellt besondere Her­ ausforder u ngen a n d ie

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Miniaturnetzteile der serie IrM sind in unterschiedlichen bauformen er­ hältlich und nehmen im leerlauf weniger als 0,1 W leistung auf. elektronik journal 07/2016

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Stromversorgungen Coverstory

halb zusammen mit den Herstellern schon frühzeitig auf die kommenden Marktanforderungen eingestellt, insbesondere auf die steigende Nachfrage nach ener­ gieeffizienten Stromversorgungsmodulen mit ultra­ kleinem Formfaktor für elektronische Geräte. So bie­ tet der Distributor eine breite Palette hocheffizienter Schaltnetzteile mit Klein­ oder Kleinstleistungen. Das Beispiel der IRM­Serie des taiwanesischen Herstellers Mean Well verdeutlicht die gestiegenen Anforderungen. Gegenüber den Vorläufern aus der PM­Baureihe haben sich die Abmessungen noch einmal deutlich verkleinert. Systementwickler kön­ nen damit knifflige Platzprobleme lösen, die aus der fortschreitenden Miniaturisierung der Elektronik­ platinen resultieren

Weltweit einsetzbar bei der IrM­serie hat Mean Well die Abmessungen gegenüber den vorläufern aus der PM­baureihe noch einmal deutlich verkleinert.

Spannungsversorgung. Denn Batterien liefern je nach Ladezustand oftmals unterschiedliche Spannungs­ werte. Für den Betrieb des IoT­Geräts muss jedoch die bereitgestellte Leistung mit konstanten Spannungs­ oder Stromwerten unabhängig vom jeweiligen Lade­ zustand gewährleistet sein. Ein Akku muss sich dar­ über hinaus auch wieder optimieren und kontrolliert laden lassen. Der auf Stromversorgungskomponenten spezialisierte Distributor Emtron bietet für diese Ein­ satzzwecke optimierte, hocheffiziente DC/DC­Wand­ ler und Ladegeräte an.

Kompakte Kraftpakete Derselbe Ansatz gilt für IoT­Geräte wie Sensoren, Aktoren oder Transponder, aber auch für die an das Stromnetz angeschlossenen Klein­ und Kleinstrech­ ner. Auch hier kommt es darauf an, mithilfe optimier­ ter Komponenten und Baugruppen Energie bereits bei der Stromversorgung zu sparen. Emtron hat sich des­

Die Modelle dieser Produktfamilie decken einen Leis­ tungsbereich von 1 bis 60 W ab. Ausgelegt für einen Eingangsspannungsbereich von 85 bis 264 VAC lassen sich die Geräte weltweit an praktisch jedem Wech­ selspannungsnetz betreiben. Am Ausgang stehen je nach Modell Gleichspannungen von 3,3 bis 48 V bereit. Aufgrund der hohen Wirkungsgrade von bis zu 91 % entsteht kaum Abwärme, daher ist im Arbeitstempe­ raturbereich von ­30 bis +70 °C keine aktive Kühlung erforderlich. Auch das erleichtert das Konstruieren kompakter Module. Des Weiteren sind die Modelle in unterschiedlichen Bauformen erhältlich, von SMD über DIL zum direk­ ten Bestücken auf der Leiterplatte bis hin zu Modellen mit Schraubklemmen zum Verdrahten. Im Leerlauf nehmen die kompakten Kraftpakete weniger als 0,1 W Leistung auf und erfüllen so die mittlerweile nahezu weltweit geltenden Anforderun­ gen für Stromversorgungen im kleinen Leistungsbe­ reich zum Versorgen von Elektronikapplikationen. Gegen Staub, Feuchtigkeit und Vibrationen schützt die vollgekapselte Ausführung, die zudem noch die Wärmeableitung verbessert. Interne Schutzschaltun­ gen sichern gegen Kurzschluss, Überlast und Über­ spannung. Auch lassen sich die Modelle gemäß den angegebenen Spezifikationen ohne zusätzliche, exter­ ne EMV­Schutzschaltungen betreiben. Zertifizierun­ gen nach UL, CUL, TÜV und CB garantieren die Sicherheit der Benutzer, dazu kommt die CE­Kenn­ zeichnung des Herstellers für die Einfuhr und den Betrieb in der EU. (mou) n

autor

Dipl. Ing. (FH) Stefan Bergstein Anwendungstechnische Beratung im Vertrieb bei Emtron.

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elektronik journal 07/2016

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Schweiz Arrow +41-(0)44-8176262 Farnell +41-(0)44-2046464 Digi-Key 0800.561.882

Stromversorgungen Abwärtswandler

mehr zeit für wichtige dinge energieversorgung an der last: diskrete schaltung oder Power­Modul? Auf modernen Leiterplatten mit zahlreichen Stromverbrauchern wie FPGAs, ASICs und Mikrocontroller kommen bis zu 40 Point-of-Load-Versorgungen zum Einsatz. Da lohnt es sich, die Vor- und Nachteile von diskreten Autor: Christian Werner Lösungen und Power-Modulen abzuwägen.

Systemen mit vielen Abwärtsreglern kann sich allein die Auswahl der Komponenten zu einer Mammutaufgabe entwickeln, wie das nachfolgende Beispiel eines nicht­iso­ lierten Buck­Regler (Bild 1) verdeutlicht.

Bild fotolia: nattanan726

Viele Parameter zu beachten

Z

ur lokalen Energieversorgung auf der Leiterplatte kommen oft Abwärts­Wandler (Step­Down­ oder Buck­Converter) zum Einsatz, die typischerweise zentrale 5 bis 24 V in klei­ nere Spannungsinseln von 0,5 bis 5 V auf­ teilen. In größeren Schaltungsdesigns sind mitunter bis zu 40 Lastpunkte (POL, Point­of­Load) mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen, Ausgangsströmen und Signalqualitäten zu versorgen. Diese Anforderungen führen bei dis­ kreten POL­Lösungen zu aufwendiger Entwicklungsarbeit durch größere Men­ gen an Bauteilen und Platzknappheit. Power­Module können sich hier als sinn­ volle Alternative erweisen, wie der nach­ folgende Vergleich verdeutlicht.

Umfangreiche Eigenentwicklung Für diskrete Stromversorgungen werden in der Regel neben PWM­Controller und Power­MOSFETs auch Eingangs­/Aus­ gangskondensatoren sowie Leistungsin­ duktivität/en und Schutzbeschaltungen benötigt. Der Entwickler hat eine Vielzahl von Komponenten zu platzieren, deren technische Spezifikationen von Design zu Design erheblich variieren können. In Sub­

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elektronik journal 07/2016

Sehr kritisch ist beim Abwärtsregler­ Design die Definition der Induktivität. In häufig gewählten nichtlückenden Betrieb (CCM, Continuous­Conduction­Mode) wird die Induktivität während der Aus­ schaltzeit nicht vollständig entladen. Der Spitzenstrom sollte mit Sicherheitsabstand unter dem Sättigungsstrom der Indukti­ vität liegen, da eine Sättigung zur Nicht­ linearität und damit zu Instabilität und schlechten Wirkungsgrad führen kann. Die Ausgangskondensator entscheidet über Restwelligkeit, Spannungsspitzen und über das Verhalten bei Lastwechseln und muss sorgfältig ausgewählt werden. Einen kleiner Verlustwiderstand (ESR) ist extrem wichtig, steht jedoch häufig im Zielkonflikt mit den Bauteilkosten. Faktoren wie Entstörung, Laststrom und Schaltfrequenz sind bei der Dimensionie­ rung der Eingangskapazität zu berück­ sichtigen, die nicht nur zur Unterdrückung von ankommenden und in die Quellspan­ nung zurückgefügten Störungen beein­ flusst wird, sondern auch die Welligkeit des Eingangsstromes (Input Ripple). Auch hier ein niedriger ESR­Wert sehr wichtig, weshalb in der Regel nahe am Wandler ein Keramik­Kondensator platziert wird. Leistungsschalter wie MOSFETs beein­ flussen den Wirkungsgrad des Wandlers. Entscheidende Parameter sind der RDS­ON und die Schaltverluste. Das Schaltungs­ design zur Definition des dynamischen Verhaltens muss auch die Stabilität in allen Betriebszuständen berücksichtigen. Ein zweckmäßiges Layout reduziert zusätzlich das Ausgangsrauschen.

POLs mit wenig Peripherie aufbauen Die beschriebenen Einflussfaktoren lassen ahnen, wie hoch der Entwicklungsauf­ wand bei bis zu 40 POLs werden kann. Eine realistische Betrachtung der Gesamt­ kosten berücksichtigt nicht nur die reinen Bauteilekosten, sondern auch der Zeitauf­ wand für Schaltungsdesign, Testläufe und eventuell nötige Redesigns. Diskrete Lösungen führen aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Komponenten zu höhe­ ren Lagerhaltungs­, Montage­ und Her­ stellungskosten. Erfahrungsgemäß lassen sich bei mehr als fünf unterschiedlichen POLs obige Kosten und Zeit sparen, wenn auf Power­Module zum Einsatz kommen. Bild 2 zeigt schematisch enthaltene Haupt­ komponenten. Zur Komplettierung muss der Entwickler lediglich die Eingangs­und Ausgangskondensatoren hinzuzufügen. Intersil bietet zahlreiche digitale und analoge Point­of­Load­Modullösungen an. Der Baustein ISL8216M (Bild 3) wird

eck-daten ISL8216M • DC/DC-Power-Modul (15 × 15 × 3,5 mm3) • Eingang 10 bis 80 V, Einfach-Ausgang 2,5 bis 30 V/4 A, Regelgenauigkeit ±1,5 % • Schaltfrequenz 200 bis 600 kHz, synchronisierbar, programmierbarer Überlastschutz und Soft-Start ISL8225M • Zweifach-DC/DC-Power-Modul (17 × 17 × 7,5 mm3) • Zwei Ausgänge mit je 15 A oder parallel 30 A, bis zu 95 % Effizienz • Eingang 4,5 bis 20 V, Ausgang 0,6 V bis 7,5 V, Regelgenauigkeit ±1,5 % mit differential remote sensing • Bis zu sechs Module leisten parallelgeschaltet 180 A ISL8240M • Zweifach-DC/DC-Power-Modul (17 × 17 × 7,5 mm3) • Zwei Ausgänge mit je 20 A oder parallel 40 A

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Stromversorgungen Abwärtswandler

bild 1: Funktionsprinzip eines nichtisolierten Abwärtswandlers.

Bilder: Intersil

bild 2: Alle wichtigen Funktionsblöcke sind im Abwärtswandler­ modul integriert, nur Kondensatoren müssen zugefügt werden.

bis zur maximalen Leistung ohne Kühl­ körper oder Lüfter betrieben werden. Alle oben genannten Powermodule haben Schutzfunktionen gegen Überspannung, ­strom und ­temperatur integriert.

Ab fünf POLs lohnen Modullösungen

bild 3: beschaltet mit vier Kapazitäten und einem Widerstand ist das Power­Modul Isl8216M voll funktionsfähig.

mit Eingangsspannungen von 10 bis 80 V versorgt, der Ausgangsbereich beträgt 2,5 bis 30 V und Ausgangsströme bis 4 A sind entnehmbar. Mit seiner Kompatibilität zu 12­, 24­, 36­ und 48­V Systemspannungen ist er für viele Industrieapplikationen geeignet. Bis zu 100 W Ausgangsleistung liefert das Step­Down­Power­Modul ISL8225M im 17 × 17 mm2 großen QFN­ Gehäuse und mit zwei 15­A­Ausgängen,

die unabhängig voneinander oder kombi­ niert als 30­A­Ausgang betreibbar sind. Noch höhere Leistung liefert das Modul ISL8240M mit 20­A­Dualausgang oder 40­A­Enzelausgang, dessen Funktionen Current­Sharing und Phase­Interleaving den Parallelbetrieb von maximal sechs Modulen mit insgesamt bis zu 240 A Aus­ gangsstrom ermöglichen. Die Leistungs­ module ISL8225M und ISL8240M können

In Systemen ab fünf oder mehr POLs lohnt sich der Griff zum Taschenrechner. Gerin­ gere Entwicklungskosten, schnelleres Time­to­Market, vereinfachte und flexib­ les PCB­Layout, weniger Design­Risiken – es gibt viele Gründe, wo der Umstieg auf Modul­Lösungen trotz höherer Bauteile­ kosten sinnvoll sein kann. (jwa) n

autor

Christian Werner Line Manager im Bereich Semiconductors and Power Solutions bei SE Spezial-Electronic

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Stromversorgungen Rail-Splitter

eck-daten

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Unipolare Versorgungsspannungen lassen sich über viele Methoden aufsplitten und wandeln. Neben den erforderlichen Spannungsund Stromwerten sind bei der Auswahl Faktoren wie Ausgangsrauschen, -welligkeit, -stabilität, -belastbarkeit und Effizienz, aber auch Bauteilgröße und Schaltungsaufwand sowie -kosten entscheidend. Texas Instruments bietet hierfür diverse IC-Bausteine wie lineare und getaktete Rail Splitter, Operationsverstärker, Spannungsreferenzen, Ladungspumpen sowie uni- und bipolare DC/DC-Wandler.

rail-splitting geht auch anders unipolare versorgungsspannungen aufsplitten und wandeln Gelegentlich sind Versorgungsspannungen aufzuteilen oder zu invertieren, Spannungswerte zu ändern oder unipolare in bipolare Betriebsspannungen zu wandeln. Unabhängig vom Einsatz stellt dieser Beitrag verschiedene Lösungen vor – einige mit geringem Platzbedarf oder Bauteilaufwand, andere mit Autor: Daniel Tooth höherem Wirkungsgrad.

S

oll beispielsweise bei unsymmetrischer Versorgungsspan­ nung ein Operationsverstärker symmetrisch betrieben werden oder ist die Nutzung des vollen Dynamikbereichs eines A/D­Wandlers gewünscht, können unterschiedliche Methoden zum symmetrischen Aufteilen von Betriebsspannun­ gen (Rail Splitter) zum Einsatz kommen. Gemeint ist damit das Generieren eines 0­V­Bezugspunkts, häufig bei der Hälfte der ursprünglichen Versorgungsspannung, wie etwa ±12 V aus 24 V. Nach außen bleiben die Potenziale unverändert, hinter der Schaltung gewinnt man eine bipolare Spannung um den neuen 0­V­Punkt herum. Häufig werden fürs Rail Splitting Linearregler verwendet. Sind hohe Ausgangsleistungen gewünscht oder die Anforderungen an Störsignale nicht zu hoch, kommen Schaltregler in Frage. Die neue 0­V­Masse wird als virtuelle Masse bezeichnet, denn sie ist in der Regel keine echte Masse, also fern vom Erdpotenzial (GND). Bild 1 illustriert das Konzept, bei dem die Eingangsspannung geteilt und gepuffert wird, um eine Masse an Pin 1 zu generieren.

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Varianten der Rail­Splitter­Schaltung teilen und verändern zugleich die Eingangsspannung in zwei ­oder mehrere Aus­ gangsspannungen. Zum Beispiel lässt sich aus 3,3 V am Eingang eine Spannung von ±5 V am Ausgang generieren. Dies geschieht mit Schaltwandlern vom Typ Aufwärtswandler (Boost Converter) oder mit Abwärts­Aufwärtswandlern (Buck Boost Converter). Eine weitere Variante generiert aus unipolarer Eingangsspan­ nung eine betragsgleiche, aber invertierte Ausgangsspannung; zum Beispiel ­5 V aus +5 V. Als Ergebnis erhält man auch eine bipolare Spannung von ±5 V. Natürlich erzeugt diese Schaltung keinen virtuellen Massepunkt, was jedoch kein Nachteil sein muss, denn die Masse der Quellspannung 5 V ist ja vorhanden. Grundsätzlich ließen sich abgeleitete Versorgungsspannungen auch mit Spannungsteilern aus Widerständen realisieren, aller­ dings eignet sich diese Technik nur für kleine Lasten mit hoher Impedanz wie beispielsweise bei Operationsverstärker­Eingän­ gen. Dieser Beitrag behandelt jedoch Rail Splitter mit niedriger Ausgangsimpedanz. www.elektronik-journal.de

Stromversorgungen Rail-Splitter

Bilder: Texas Instruments

ZUHÖRER. bild 1: ersatzschaltung des linearen rail splitter tle2426.

bild 2: linea­ rer rail split­ ter tPs51200 für kleine spannungen.

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SPEISE- UND RÜCKSPEISE-SYSTEM

Lineare Rail-Splitter-Schaltungen Der TLE2426 erzeugt aus einer Eingangsspannung zwischen 4 und 40 V eine niederohmige Ausgangsspannung halber Größe (Bild 1). Neben dem Standard­ temperaturbereich von 0 bis +70 °C spezifiziert, die Automotive­Ausführung TLE2426­Q1 für ­40 bis +125 °C und die Spezialversion TLS2426­EP für ­55 bis +125 °C. Die Ruhestromaufnahme beträgt 170 μA, der Offset am Ausgang misst 100 μV innerhalb des Laststrombereichs von maximal ±10 mA. Kapazitive Las­ ten sind zulässig gemäß den Spezifikationen im Datenblatt. Bei Bedarf beschleu­ nigt ein Filterkondensator den Hochlauf. Für Eingangsspannung kleiner als 4 V eignet sich der ebenfalls lineare TPS51200. Er funktioniert als Stromquelle und –senke, ist für Temperaturen von ­40 bis +85 °C spezifiziert, als Automotive­Version TPS51200­Q1 für ­40 bis +125 °C. Die integrierte Schaltung akzeptiert am Eingang eine Spannung von 1,1 bis 3,5 V, die Ausgangsspannung beträgt zwischen 0,5 und 1,8 V. Der Baustein benötigt eine Eigenversorgung von 3,3 oder 2,5 V. Das Teilverhältnis wird am REF IN­Eingang bestimmt, der zweckmäßig mithilfe eines Widerstands­ teilers vom V LDO­IN­Pin beschaltet wird. Ebenso wie beim TLE2426 ist die Span­ nung der virtuellen Masse ungeregelt. Der TPS51200 liefert mehr als 3 A und sein QFN­Gehäuse ermöglicht je nach Umgebung höhere Ausgangsströme. Der virtuelle Masseausgang erfordert keramische Pufferkondensatoren mit einem ESR unterhalb von 2 mΩ so nah wie möglich am VOut­Pin auf derselben Leiterplattenseite wie der Regler.

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Getaktete Rail Splitter für Ströme bis 6 A Für Ausgangsströme bis ±6 A eignet sich der getaktete Rail Splitter TPS53317, der Eingangsspannungen von 1 bis 6 V verarbeitet und Ausgangsspannungen von 0,6 bis 2 V generiert. Er basiert auf der DCap+ genannten Regelung, die für schnelle Lastsprünge konzipiert ist. Der Baustein benötigt eine Hilfsspannung von 5 V. Der Ausgang liefert bei unbeschaltetem VREF IN­Pin die interne Refe­ renzspannung von 2 V. www.elektronik-journal.de

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Stromversorgungen Rail-Splitter

bild 3: lineare doppelreferenz reF20xx.

Operationsverstärker als Rail Splitter Ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen gefolgt von einem Operationsverstärker (OPV) als Impedanzwandler bildet eine belastbare virtuelle Masse. Achtung: OPVs sind in der Regel nicht für kapazitive Lasten vorgesehen, insbesondere beim Verstär­ kungsfaktor eins. Bausteine wie der LPV521 kommen zwar infra­ ge, tolerieren aber nur eine begrenzte Kapazität am Ausgang. Im Datenblatt finden sich Einzelheiten zur Phasenreserve. Viele OPVs kommen mit größeren Lastkapazitäten zurecht, wenn sie mit einem Serienwiderstand vom Ausgang entkoppelt werden. Das Datenblatt zum LPV512 zeigt diese Möglichkeit ebenso wie die Verwendung einer RC­Beschaltung zur Verbes­ serung der Phasenreserve. Einige Operationsverstärker, darun­ ter auch die LM8x­ oder LM7x­Reihen, können nach Datenblatt aufgrund ihrer Architektur an beliebigen Lastkapazitäten treiben.

Negative Hilfsspannung für Rail-to-Rail-OPV bild 4: getak­ tete negative hilfsspannung lM7705.

Spannungsreferenzen für stromsparendes Splitting Schaltungen mit BatterieVersorgung erfordern besonders strom­ sparende Rail Splitter. Einige fungieren als Stromquelle und Stromsenke; die meisten sind an kapazitiven Lasten stabil. Den REF3xxx gibt es neben der Standardversionen mit 1,25 V Aus­ gangsspannung auch mit anderen Ausgangsspannungen. Eine Spannungsaufteilung per Spannungsreferenz erfordert oft Kom­ promisse an die Symmetrie der Aufteilung. Ist beispielsweise eine Spannung von 3,3 V zu teilen, wäre eine 1,8­V­Spannungs­ referenz der nächste geeignete Baustein. Somit erhält man eine asymmetrische Versorgungsspannung von +1,8 V/­1,5 V. Die Spannungsreferenzen REF19xx und REF20xx besitzen einen zweiten, gepufferten Split­Rail­Ausgang. Dieser stellt Sig­ nalketten­Bausteinen eine Vorspannung bereit, die der Hälfte der Spannung am Haupt­Referenzausgang entspricht. Die Ver­ sion REF1930 zum Beispiel besitzt einen Hauptausgang (Vref ) mit 3 V und zusätzlich einen gepufferten 1,5­V­Ausgang.

Der getaktete LM7705 generiert aus einer positiven Eingangs­ spannung von 3 bis 5,25 V eine Ausgangsspannung von ­232 mV mit bis zu 26 mA. Der Einsatzzweck dieses Bausteins sind Anwen­ dungen mit unipolarer Betriebsspannung, bei denen Operati­ onsverstärker­Ausgangsignale bis tatsächlich 0 V herab benötigt werden. In solchen Single­Rail­Applikationen geraten selbst Rail­to­Rail­OPV bereits etwas oberhalb von 0 V in die Sättigung. Hier hilft der LM7705 mit eine kleine negative Versorgungsspan­ nung. Je kleiner die Betriebsspannungen in der Schaltung sind, umso mehr ist es notwendig, den verfügbaren Bereich in vollem Umfang zu nutzen. LM7705 ist ein Ladungspumpen­Regler, dessen Störspektrum am Ausgang sich mit zusätzlichen Vor­ und Nachregelstufen auf 4 mV P­P senken lässt.

Invertierende Ladungspumpe mit wenig Rauschen Einfache invertierende Ladungspumpen beispielsweise der TPS60400­Familie erzeugen am Ausgang eine Spannung, die den gleichen Betrag wie die Eingangsspannung hat, aber mit invertiertem Vorzeichen. Da der Ausgang ungeregelt ist, werden sie zweckmäßig mit einem Baustein wie dem TPS72301 kombi­ niert, einem linearen Low­Drop­Out­Regler (LDO) mit negati­ vem Ausgang und hoher Versorgungsspannungsunterdrückung. Damit erhält man eine geregelte Ausgangsspannung mit gerin­ gem Rauschen. Bausteine der Reihe TPS6040x­Q1 sind Auto­ motive­qualifiziert.

bild 5: dc/dc­Wandler tPs63700 für negative spannungen.

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LED

Stromversorgungen Rail-Splitter

Power bild 6: dc/dc­Wandler tPs65130/1 für positive und negative spannungen.

DC/DC-Wandler als Rail Splitter für Ströme bis 1,5 A Der getaktete TPS63700 liefert bei Eingangsspannungen von 2,7 bis 5,5 V maxi­ mal 360 mA bei ­2 bis ­15 V am Ausgang. Er basiert auf einer Buck­Boost­Topo­ logie mit 1,38 MHz Schaltfrequenz. Für geringe Störsignale empfielt es sich, das im User Guide zum Evaluation­Board vorgegebene Leiterplatten­Layout zu übernehmen. Hochfrequentes Rauschen am Ausgang lässt sich zusätzlich per LC­Filter mit Ferritperlen­Drossel vermindern. Für kompakte Lösungen eignet sich der LMR70503, der eine Eingangsspan­ nung von 2,8 bis 5,5 V in eine Ausgangsspannung von ­0,9 bis ­5,5 V wandelt. Der verfügbare Ausgangsstrom hängt von den gewählten Ein­ und Ausgangs­ spannungen ab. Bei Vin = 3,3 V und Vout = ­5 V beträgt er etwa 75 mA. Der getaktete TPS54160A, ein 1,5­A­Abwärtswandler mit maximal 60 V Ein­ gangsspannung ist vielseitig einsetzbar, beispielsweise um ±12 V aus einer Eingangsspannung von 24 V zu erzeugen. Zur rauscharmen Versorgung ana­ loger Bauelemente werden LDO­Regler mit geringem Rauschen nachgeschaltet. Bei negativen Spannungen kommen der TPS7A3001 (0,2 A) oder der TPS7A3301 (1 A) infrage, für positive Spannungen der TPS7A4901 (0,15 A) oder der TPS7A4700 (1 A). Höhere Ströme liefert der TPS54260.

Bipolare DC/DC-Wandler Bausteine der Reihe TPS65130/1/2/3 generieren aus unipolaren Eingangsspan­ nungen im Bereich 2,7 bis 5,5 V bipolare Ausgangsspannungen bis ±15 V mit Lastströmen bis 200 mA. Bei Schaltreglern sollte die Verlustleistung extern beteiligter Komponenten berücksichtigt werden, um die maximale Ausgangs­ leistung der Schaltung zu bestimmen. Die Wirkungsgrad­Kennlinien im Daten­ blatt helfen bei der Bestimmung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Verlustleistung für jede Ausgangsspannung. Unipolare Versorgungsspannungen lassen sich über viele Methoden aufsplit­ ten und wandeln. Abhängig von den erforderlichen Spannungs­ und Strom­ werten bietet TI IC­Bausteine wie lineare und getaktete Rail Splitter, (jwa) n

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Daniel Tooth Senior Analogue Field Applications Engineer bei Texas Instruments

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Stromversorgungen Wandler

den energiefluss gut portionieren

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smarter Abwärtswandler für flexible Point­of­load­Anwendungen

E

in besonderes Merkmal des intelligenten Abwärtswand­ lers LTC3886 ist die I²C­basierende und PMBus­kompa­ tible serielle Schnittstelle, über welche seine Funktionen konfiguriert, überwacht und gesteuert werden. Die Eigenschaf­ ten lassen sich per grafischer Bedienoberfläche konfigurieren und im EEPROM des Bausteins speichern. In fortgeschrittener Entwicklungsphase sind für Funktionsänderungen keine Hard­ wareänderungen an der Baugruppe erforderlich, da die Modifi­ kation allein per Softwarekonfiguration erfolgen kann.

Flexibler Funktionsumfang Die Architektur des zweikanaligen DC/DC­Abwärts­Schaltreglers ist für den Betrieb mit konstanter Frequenz ausgelegt. Der Baustein kann auch als Stromquelle mit Strommessung der Ein­ und Aus­ gänge betrieben werden. Zusammen mit den programmierbaren Parametern des Regelkreises eignet sich der LTC3886 für Strom­ versorgungen mit hoher Genauigkeit und individueller Anpassung an verschiedene Lastsituationen. Aufgrund der skalierbaren Soft­ ware und flexiblen Hardware bietet sich der Baustein für die meisten Point­of­Load­Applikationen in industriellen und medi­ zintechnischen Umgebungen an.

Wenn es um funktionale, thermische und räumliche Anforderungen geht, müssen POL-Stromversorgungssysteme gelegentlich fragmentiert aufgebaut werden. Hierfür eignen sich Multi-Wandler-Designs mit dem LTC3886 von Linear, denn die Leistungs- und Regelkomponenten sind aufteilbar und konfigurierbar. Autor: Hellmuth Witte

Konfiguration, Diagnose- und Debugging Das Windows­basierende grafische Entwicklungswerkzeug LT­Power­Play bietet eine Soft­Konfiguration sowie diverse Ent­ wicklungs­, Diagnose­ und Debugging­Funktionen für den LTC3886. Folgende Parameter sind einstellbar: • Ausgang mit Über­/ Unterspannungs­ und Überstromschutz • Eingangs mit Überspannungs­ und Überstromschutz • Soft­Start/Stopp, Sequenzierung, Bereichsbegrenzung • Justierung der Regelschleife, Schaltfrequenz und Phasenlage • Störfallverhalten, Fehlerfortpflanzung über die FAULT­Pins • Bausteinadresse Zusätzlich können Schaltfrequenz, Bausteinadresse und die Aus­ gangsspannungen der Bausteinphasen per Beschaltung mit Kon­ figurationswiderständen festgelegt werden.

Bauteilstatus und Fehlerverhalten Die PGOOD­Pins unterstützen die Ereignis­basierte Sequenzierung über mehrere LTC3886 und weitere Powermanagement­ICs. Der LTC3886 unterstützt auch zeitbasierendes Sequencing. Fehlerinformationen zu Über­/Unterspannung (OV/UV), Über­ strom (OC), Übertemperatur (OT), Timing­Fehlern und fehler­ haften Spitzenströmen gibt der Schaltregler über die FAULT­Pins aus. Das Verhalten im Störungsfall ist wählbar zwischen „Igno­ rieren“, „Sofort abschalten und im abgeschalteten Zustand blei­ ben“ oder „Sofort abschalten und nach einer bestimmten Dauer Einschaltversuch wiederholen“.

Bilder: Linear

eck-daten

bild 1: der zweikanalige dc/dc­Abwärts­schaltregler ltc3886 verfügt über ein digitales Powermanagement und ist per software konfigurierbar.

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Der LTC3886 ist ein intelligenter Step-down-Controller für Eingangsspannungen von 4,5 bis 60 V, der ein digitales PowermanagementSystem, I²C-Kommunikation und integrierte AD/DA-Wandler enthält. Der Baustein stellt zwei Ausgänge im Bereich von 0,5 bis 13,8 V bereit. Er ermöglicht flexible Implementierungen als Point-of-Load-Stromversorgung (POL) für industrielle, Server- und Automobilumgebungen. www.elektronik-journal.de

Stromversorgungen Wandler

bild 2: dynamische stromaufteilung für die in bild 4 dargestellte schaltung; lastsprung ansteigend (links) und abfallend (rechts).

bild 3: Programmierbare schleifenkompensierung.

Der LTC3886 erfasst Fehler, indem er kontinuierlich Telemet­ rie­ und Fehlerzustandsdaten ins RAM schreibt und Fehlerer­ eignisse zur späteren Diagnose im EEPROM sichert.

Ausgangskondensatoren, senkt die Systemkosten insgesamt und erfüllt dennoch die strengen Anforderungen an die exakte Ein­ gangsspannung der nachgelagerten ICs.

Genauigkeit

Parallelschaltung mehrerer Phasen

Für eine Regelung und Überwachung der Versorgungsspannung in engen Toleranzen sorgen schnelle analoge Regelschleifen mit integrierten 16­Bit­A/D­ sowie 12­Bit D/A­Wandlern. Die Genau­ igkeit der Ausgangsspannung des LTC3886 ist mit ± 0,5 % über den gesamten Betriebstemperaturbereich spezifiziert. Die Kom­ paratoren für Über­ und Unterspannung am Ausgang haben einen Temperaturfehler von unter ±2 %. Die hohe Genauigkeit der Regelung und Überwachung des LTC3886 erfordert weniger

Mehrere parallelgeschaltete Phasen sind eine Option für hohe Leistungsdichte und flexible Anpassung des Leistungsbedarfs. Der LTC3886 unterstützt die Poly­Phase genannte Stromauftei­ lung auf bis zu sechs Phasen zwischen mehreren Bausteinen auch im Zusammenspiel mit anderen Schaltwandlertypen wie bei­ spielsweise dem LTC3870. In Bild 4 ist ein vierphasiger Abwärts­ wandler (425 kHz/50 A) dargestellt, der 48 V am Eingang auf 5 V am Ausgang wandelt und dabei einen hohen Wirkungsgrad

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Stromversorgungen Wandler

die rechte schaltungshälfte eines vierphasigen 50­A­POl enthält den zweiphasigen Abwärtswandler ltc3886.

bild 4: die linke schaltungshälfte eines vierphasigen 50­A­POl enthält den zweiphasigen Abwärtswandler ltc3870.

erreicht. Die Schaltung besteht aus den Schaltregler LTC3886 und Phasenerweiterungsbaustein LTC3870. Bild 2 zeigt die resul­ tierende dynamische Stromaufteilung zwischen den vier Phasen. Systemarchitekten fragmentieren gerne die Stromversorgung, um funktionale, thermische und räumliche Anforderungen zu erfüllen. Multi­Wandler­Designs mit dem LTC3886 vereinfachen solch eine Fragmentierung, weil die Leistungs­ und Regelkom­ ponenten aufteilbar sind.

Die Regelschleife optimal einstellen Über die programmierbare Schleifenkompensation des LTC3886 lassen sich die Schleifenstabilität und das Einschwingverhalten des Controllers optimal einstellen, ohne externe Komponenten austauschen zu müssen. Zur Konfiguration der Schleifenkom­ pensation ist der Fehlerverstärkungsfaktor g m (Bild 3) von 1,0 bis 5,73 µΩ einstellbar, der Kompensationswiderstand RTH von 0 bis 62 kΩ. Bestückt werden müssen lediglich die beiden externen Kondensatoren C TH und C THP im üblichen Verhältnis von 1:10. Das Einstellen von g m ändert proportional die Verstärkung der Regelschleife über den gesamten Frequenzbereich ohne Ver­ schiebung der Pol­ und Nullstellen, eine Veränderung von RTH

hingegen verschiebt diese. Sind die Spannungs­ und Strombe­ reiche des LTC3886 einmal festgelegt, wirken sich Änderungen der Ausgangsspannung oder der Strombegrenzung nicht mehr auf die Verstärkung der Regelschleife aus. Wird die Ausgangs­ spannung modifiziert, entweder durch Ändern des Spannungs­ befehls oder durch Margining, bleibt das Einschwingverhalten der Schaltung konstant.

Den Wirkungsgrad verbessern Über die EXTVCC­Pins lässt sich das Wandlerverhalten bezüglich des Wirkungsgrades optimieren. Dabei werden Ausgangsspan­ nungen zwischen 5 und 14 V unterstützt. Wird der LTC3886 als Zwischenbuswandler eingesetzt, etwa um nachgelagerte POLs zu versorgen (Bild 5), kann dabei die Zwischenbusspannung auf maximalen Wirkungsgrad optimiert werden. Die Spannungs­ und Strom­Telemetrie des LTC3886 ermöglicht Messungen des Systemwirkungsgrades in Echtzeit, was Voraussetzung zur Bestimmung der optimalen Zwischen­ busspannung ist. Vier LTM4676 bilden einen achtphasigen Point­ of­Load­Wandler, dessen Zwischenbusstromversorgung von 9 bis 13 V von einem LTC3886 erzeugt wird. Verglichen mit bisher üblichen, konstanten 12­V­Zwischenbusspannungen steigert der LTC3886 durch berechnete Busspannung den Wirkungsgrad um 6,2 % bei 10 A Last, 3,5 % bei 20 A und 1 % bei 40 A. Der konfigurierbare Power­System­Management­Controller LTC3886 eignet sich besonders für industrielle Anwendungen, die vielseitige Anforderungen an Design, Steuerung, Überwa­ chung, Programmierung und Genauigkeit von Stromversor­ gungssystemen stellen. (jwa) n

autor

Hellmuth Witte Design Engineer im Bereich Power Management Products bei Linear Technology Corporation

bild 5: Achtphasige ltM4676­Musterschaltung mit ltc3886­versorgung zur ermittlung von Wirkungsgraden.

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elektronik journal 07/2016

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mit polymer-kondensatoren für extreme bedingungen geeignet

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das Industrie­Pc­netzteil beP­520c mit Polymer­Kondensatoren er­ möglicht den lüfterlosen betrieb.

Das Industrie­PC­Netzteil BEP­520C von Bicker Elektronik wurde für den lüfterlo­ sen Betrieb unter besonders extremen Ein­ satzbedingungen entwickelt, insbesonde­ re für geschlossene und lüfterlose Rugged­ Industrie­Computer. Rugged­Industrie­Computer müssen in rauen Umgebungen, unter extremen Tem­ peraturen und hohen Vibrations­ und Stoßbelastungen zuverlässig funktionie­ ren. Zu den typischen Anwendungsfeldern zählen die Prozessautomation, Schwerin­ dustrie, der Energie­Sektor (Öl, Gas, Berg­ bau), Offshore­Applikationen sowie die Bereiche Transportation, Logistik, Pharma und Lebensmittel­Industrie. Das BEP­520C arbeitet im erweiterten Temperaturbereich von ­20 bis +70 °C und liefert 200 W Dauerleistung ohne aktive Kühlung. Über einen DC­Weitbereichs­ eingang von 16 bis 32 V verfügt das robus­ te IPC­Netzteil. Die geregelten ATX­Aus­ gänge +3,3, +5, +12, ­12 V, +5 Vsb benötigen keine Grundlast und sind somit „Intel Haswell/Skylake ready“. Zudem ermög­ licht das praktische Kabelmanagement­ System den flexiblen Einsatz kundenspe­ zifischer Kabelbäume. Ein Novum in diesem Netzteil­Segment ist die Tatsache, dass ausschließlich Poly­ mer­Kondensatoren anstelle von Elektro­ lyt­Kondensatoren zum Einsatz kommen. Dies stellt die besonders lange Netzteil­ www.elektronik-journal.de

Lebensdauer des BEP­520C von mehr als zwölf Jahren sicher. Polymer­Kondensatoren sind hinsichtlich elektrischer und thermischer Belastungen wesentlich robuster und zeichnen sich durch ihre hohe Stabilität, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aus. Den lüfterlosen 24/7­Dauerbetrieb ermöglicht die hohe Ener­ gieeffizienz des Netzteils über den gesamten Lastbereich, sowie eine optimale Wärmeab­ leitung durch die thermische Gehäuseanbin­ dung der Leistungsbausteine auf der Plati­ nenunterseite. Unter 0,3 W (ErP lot 6 2013 ready) liegt der Standby­Verbrauch. Sicherheitstechnisch entspricht das Netzteil der EN/UL60950­1 und verfügt standardmä­ ßig über zahlreiche Schutzfunktionen wie Kurzschluss­Schutz an allen Ausgängen sowie Überlast­, Überspannungs­ und Übertempe­ ratur­Schutz. Die Ein­ und Ausgänge sind galvanisch voneinander getrennt (Isolations­ spannung Eingang/Ausgang 3000 VAC). Neben der Langzeitverfügbarkeit von mindestens fünf Jahren gewährt Bicker Elektronik eine Garantie von drei Jahren. Darüber hinaus bietet das Unternehmen seinen Kunden mit den laborgeprüften Power+Board­Bundles hochwertige Komplett­ lösungen für extreme Temperaturen: Das Industrie­PC­Netzteil BEP­520C + Rugged­ Mainboards von Perfectron + Zubehör in Industrie­Qualität und Fixed­BOM. n

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Powermanagement Sensorik

heiße spuren im silizium Oberflächentemperatur von halbleitersubstraten messen

Bild fotolia: Givaga

Damit Halbleiterbauteile im statischen und dynamischen Betrieb keinen Hitzschlag erleiden und lange leben, müssen Entwickler das thermische Verhalten sowie die Temperaturverteilung im Inneren kennen und berücksichtigen. Die Thermografie mittels Thermoreflectance Imaging ermöglicht Autor: Dr. Gabriel Loata detaillierte Einblicke.

B

ei der Entwicklung von integrierten Schaltungen und optoelektroni­ schen Bauteilen mit Halbleiterstruk­ turen im Mikro­ und Nanometerbereich spielen die thermischen Eigenschaften des Halbleitermaterials eine wichtige Rolle. Aufgrund des endlichen Wärmewider­ stands kommt es im IC zu einer Selbster­ wärmung (Self­Heating­Effect) mit räum­ lich unterschiedlicher Temperaturvertei­ lung. Zudem ist der zeitliche Verlauf der Temperaturverteilung strukturabhängig. Mit steigender Temperatur im Baustein oder IC erhöht sich die Ausfallrate. Beson­ ders kritisch sind Hot­Spots. Dies sind kleine Volumenbereiche der aktiven Zone, in denen ein Großteil der thermischen Energie entsteht. Die in Hot­Spots ent­ standene Wärmeenergie muss durch den Halbleiter und das Gehäuse in eine Wär­ mesenke abfließen können. Für den Ausfall von Bauteilen durch thermische Überhitzung sind Hot­Spots

hauptverantwortlich. Speziell für schnel­ le Schaltanwendungen bei DC/DC­Wand­ lern, verbunden mit einer hohen Leis­ tungsdichte im Halbleiterbauteil, ist ein möglichst homogenes Wärmeprofil ohne Hot­Spots entscheidend, um die benötig­ te Bausteinqualität zu erreichen.

Genauer als Infrarotthermografie Aussagen über die Bausteinqualität lassen sich mithilfe der thermischen Analyse tref­ fen. Zu den am häufigsten verwendeten Methoden im Mikro­ und Submikrome­ terbereich zählt die Infrarotthermografie. Eine neuere Methode ist das Thermore­ flectance Thermal Imaging (TTI). Die TTI­ Methode beruht auf dem Prinzip der ther­ mischen Reflexion – einer Änderung des Reflexionsgrades für Licht an der Ober­ fläche eines Materials als Funktion der Oberflächentemperatur. Dieser Effekt ent­ steht durch die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex. bild 1: Prinzip des thermoreflectance­ thermal­Imaging­ thermometers von Microsanj.

Bei der TTI­Methode bestrahlt eine Lichtquelle das Messobjekt in einem defi­ nierten Bereich. Aus der reflektierten Lichtmenge lässt sich die Oberflächen­ temperatur ermitteln. Statt nur einen Raumpunkt zu bestrahlen, erstellt eine Optik ein zweidimensionales thermogra­ fisches Bild. Hauptvorteil der TTI­Metho­ de besteht in der Verwendung von Licht mit kürzerer Wellenlänge als bei der Inf­ rarotthermografie. Durch die höhere Auf­ lösung des thermografischen Bildes lassen sich kleine Hot­Spots in Halbleiterbaustei­ nen wesentlich zuverlässiger auffinden. Bild 1 zeigt das Funktionsprinzip eines TTI­Thermomikroskops von Mircosanj, mit dem sich orts­ und zeitaufgelöste ther­ mografische Bilder messen lassen. Als monochromatische Lichtquelle dient eine LED oder eine Laser. Ein Strahlteiler strahlt das Licht der LED über eine Mik­ roskop­Optik auf die Probe (Device). Das an der Probe reflektierte Licht gelangt über die Mikroskop­Optik zurück auf das zweidimensionale CCD­Empfängerarray (Charge Coupled Device), ein Empfänger zur Messung der optischen Lichtleistung.

eck-daten

Bilder: BSW

Zeitabhängige Wärmebildaufnahmen zur Beurteilung der Qualität von ICs lassen sich mit-hilfe von Thermoreflectance Thermal Imaging (TTI) erstellen. Der Beitrag demonstriert die räumliche und zeitliche thermografische Auflösung dieser Methodebeispielhaft anhand von Messungen an GaN-Leistungs-ICs mit kleinsten Strukturen. Mit der TTI-Methode sind thermische Einschwingvorgänge gepulster Halbleiterbauteile mit einer Auflösung von bis zu 800 ps messbar. Damit eignen sich unterschiedliche verfügbare TTI-Messsysteme für die Entwicklung und Qualitätssicherung von Leistungshalbleitern.

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elektronik journal 07/2016

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Powermanagement Sensorik

tabelle 1: thermoreflectance­thermal­Imaging­Messsysteme von Microsanj.

Zeitabhängiges Thermografiebild Durch den Pulsbetrieb der Probe lässt sich ein zeitabhängiges thermografisches Bild erstellen. Dazu legt das System den Betriebsstrom oder die Betriebsspannung periodisch mit einer kurzen Wiederhol­ rate an (Excitation­Signal) und erzeugt daraus ein Triggersignal, das an der CCD­ Kamera den Zeitpunkt des Auslesens der Lichtleistung bestimmt. Zum Kalibrieren wird die Probe auf eine regelbare Heizplatte montiert. Die Heiz­ platte bringt die Probe auf verschiedene konstante Umgebungstemperaturen, ohne dass eine Betriebsspannung anliegt. Durch Messung des reflektierten Lichts lässt sich so der temperaturabhängige Reflexionsgrad ortsaufgelöst für die Ober­ flächenmaterialien der Probe messen. Die Messdaten lassen sich später zur Berech­ nung der absoluten Oberflächentempera­ tur einer Probe unter elektrischer Last verwenden. Um eine hohe Messgenauig­ keit zu erreichen, wird mithilfe hochemp­ findlicher Lock­In­Detektion eine perio­ dische Wiederholung von Einzelmessun­ gen durchgeführt. Nach sorgfältiger Kali­ brierung ist bei geeigneten Oberflächen eine absolute Temperaturgenauigkeit von ±0,25 °C erreichbar. Dies ist für fast alle Entwicklungsaufgaben in der Bauteil­ und Halbleiterindustrie eine ausreichend hohe Genauigkeit.

Leistungsbauteile thermografieren Tabelle 1 zeigt verschieden Messsysteme für den Laboreinsatz. Aufgrund der hohen Ortsauflösung ist ein optischer Tisch emp­ fehlenswert, um Fehler durch akustische www.elektronik-journal.de

Schwingungen zu vermeiden. Mit einem Probentisch mit x­y­z­Manipulatoren lässt sich der Bildausschnitt präzise und stabil justieren. Ein solcher Messplatz eignet sich für Halbleiterbausteine aus Silizium, GaAs oder GaN, beispielsweise Switches für DC/DC­Wandler, HF­Leistungsver­ stärker, LEDs und Laserdioden, Solarzel­ len, MMIC oder MEMS. Auch der Wir­ kungsgrad von Kühlkörpern sowie Wär­ meübertragungsprozesse lassen sich mit dem Messsystem ermitteln und darstellen. Die zeitaufgelöste Thermografie ist wichtig bei Leistungsbauelementen, die sich oft nur im Pulsbetrieb messen lassen, da sie eine länger anliegende thermische Last beschädigen könnte. Außerdem ist es oft notwendig, den zeitlichen Verlauf der Wärmeverteilung und die thermische Einschwingdauer zu untersuchen. Ein genauer Beschreibung des Messp­ rizips findet sich in der Online­Version dieses Beitrags per infoDIREKT.

Temperaturprofile im 50-ns-Takt Die TTI­Methode bietet die derzeit höchs­ te zeitliche Auflösung für Temperatur­ messungen in Vollfeldbildern. Mit dem Messsystem NT220B lassen sich thermo­ grafische Bilder mit bis zu vier Megapixel und einer Auflösung von 50 ns aufneh­ men. Beim Austausch der LED­Quelle durch einen Pikosekunden­Laser lässt sich die Auflösung auf bis zu 800 ps stei­ gern. Im Vergleich dazu sind viele kom­ merziell verfügbare Infrarotthermometer auf eine zeitliche Auflösung von einigen Millisekunden limitiert. Die räumliche Auflösung ist wie bei jedem Mikroskop

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gang zu messen. Bei der Autofokus­Funk­ tion gleicht ein piezoelektrisches Stellglied die thermische Ausdehnung des Messob­ jekts während des An­ und Abschaltens teilweise aus, wodurch sich eine präzise Temperaturmessung und eine hohe räum­ liche Auflösung erreichen lassen.

Thermische Modellierung und Qualitätssicherung

bild 2: die ttI­temperaturmessung an einem gan­heMt offenbart die unterschiedliche thermische reaktion der inneren schichtbereiche bei einem 10­µs­lastimpuls.

durch Beugungseffekte begrenzt. Da TTI­ Thermomikroskope eine Lichtwellenlän­ ge von 0,35 bis 0,65 µm verwenden, ist eine räumliche Auflösung von 0,2 bis 0,5 µm erreichbar. Dies ist ein Vorteil gegenüber der Infrarotthermografie, mit der sich auf­ grund der deutlich größeren Lichtwellen­ länge eine Auflösung von nur 3 bis 10 µm erreichen lässt.

Temperatur-Zeit-Profile ermitteln Bild 2 zeigt die Temperaturverteilung an einem Zwei­Finger­GaN­HEMT­Transis­ tor (High­Elektron­Mobility­Transistor), die durch 10 µs lange periodische Span­ nungspulse am Drain­Kontakt entsteht. Die Thermoreflektanzbilder bei einer Zeit­ auflösung von 500 ns zeigen unterschied­ liche thermische Zeitverläufe auf dem

Transistor. Die schmale Gate­Metallisie­ rung und der relativ breite GaN­Kanal heizen sich etwa zwei­ bis dreimal schnel­ ler auf als der Drain­Metallkontakt. Tabelle 1 gibt einen Überblick zu den typische Eigenschaften verschiedener TTI­ Thermomikroskop­Messplätze. A lle Messsysteme verfügen über Lichtquellen mit einer kontinuierlichen Abstimmung der Lichtwellenlänge und einer hochprä­ zisen Autofokus­Funktion zum Scharf­ stellen auf die Messobjekte. Neben mono­ chromatischen Lichtquellen lassen sich auch weiße LED­Beleuchtungen verwen­ den. Die abstimmbare Lichtquelle ermög­ licht Anwendern mehr Flexibilität bei der Analyse, da sie erlaubt, die geeignete Wel­ lenlänge für die verschiedenen Materiali­ en der Probe in einem einzigen Arbeits­

Die TTI­Systeme von Microsanj lassen sich in vier Produktlinien aufteilen und sind je nach Anwendung flexibel konfigurierbar und erweiterbar. Das kostengünstige Sys­ tem NT110 dient als Werkzeug für die thermische Modellierung oder für die Qualitätssicherung im Herstellungspro­ zess. Die Serie NT210/220 bietet neben der Zeitauflösung eine CCD­Kamera mit hoher örtlicher Auflösung und verschie­ denen Autofokus­ und thermischen Kali­ brierungsoptionen. Diese Systeme eignen sich zur Validierung thermischer Modelle in der Forschung und Entwicklung. Für Flip­Chip­ und Thru­the­Substrate­ Anwendungen eignet sich das System NT310, während die Serie NT410 über eine gepulste Laserquelle verfügt und damit eine zeitliche Auflösung in Sub­Nanose­ kundenbereich erreicht. (hb/jwa) n

autor

Dr. Gabriel Loata Fachbereich Thermografie bei BSW Testsystems & Consulting

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Powermanagement Highlights

plug-and-pl ay-lÖsung ausserhalb des schaltschrankes

Ein Merkmal der primär getakteten Strom­ versorgungsmodule PM­IP67A200 von MTM Power ist die Ausführung in Schutz­ art IP67. Sie sind speziell für die elektrische Versorgung von Steuerungen, Sensorik und Aktorik im Feldbereich direkt an der zu versorgenden Applikation konzipiert. Waren bisher zur Erreichung des Schutz­ grades IP67 für konventionelle Stromver­ sorgungen zusätzliche Maßnahmen wie der Einbau in Schaltschränke oder ent­ sprechende Gehäuse notwendig, lassen diese Stromversorgungsmodule den direk­ ten Einsatz als Plug­and­Play­Lösung vor Ort zu. Ermöglicht wird dies durch den Anschluss über spezielle 7/8­Zoll­Steck­ verbinder und den thermoselektiven Vaku­

umverguss (EP 1 987 708, United States Patent Number 8,821,778 B2). Über 24 V Single­ und Dualausgänge verfügt die Serie. Die Kompaktstromver­ sorgungen mit 90 bis 264 VAC) und DC­ Weitbereichseingang (100 bis 300 V DC) sind für den weltweiten Einsatz unter extremen Umgebungsbeding ungen konzipiert. Optional sind die Geräte mit 24 V mit einer variablen Strombegrenzung versehen und dadurch in der Lage, kurzzeitig die 1,5­fache Nennausgangsleistung zu lie­ fern. Mit diesem Power Boost können schwieriger Verbraucher wie zum Beispiel Motoren oder kapazitive Lasten starten. Die dualen Ausgangsspannungen sind von einander galvanisch getrennt mit 500 VAC

Bild: MTM Power

200 w für ip67-anwendungen die Module der serie PM­IP67A200 sind speziell für die elektrische versorgung von steuerungen, sensorik und Aktorik im Feldbereich konzipiert.

Isolationsspannung und unabhängig gere­ gelt. Beide Ausgangsspannungen sind Limited Power Sources entsprechend EN 60 950­1 und UL 1310, NEC class 2 zerti­ fiziert. Die Geräte entsprechen der Schutz­ klasse 1 und erfüllen die Niederspan­ nungsrichtlinie sowie die aktuellen EMV­ Normen zur CE­Konformität. (jck) n

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bidirek tionale wechselrichter

Bisher lag der Schwerpunkt bei Forschung und Entwicklung von Redox­Flow­Batte­ rien auf der Speichertechnologie selbst und weniger auf der Leistungselektronik. In Kooperation mit dem Fraunhofer­Ins­ titut für Solare Energiesysteme (ISE) hat Trumpf Hüttinger einen bidirektionalen Wechselrichter entwickelt, der genau auf die besonderen Anforderungen dieser Speichertechnik ausgelegt ist.Bei Redox­

Flow­Batterien können Leistung und Spei­ cherkapazität unabhängig voneinander skaliert werden. Der Wechselrichter soll zunächst in drei Modellen mit Leistungen von 6, 20 und 33 kW angeboten werden. Er ist für den Anschluss an Niederspan­ nungsnetze von 400 bis 480 V vorgesehen, die Toleranz beträgt ­15 % bei der Mini­ mal­ und +10 % bei der Maximal­Netz­ spannung. Die Netzfrequenz liegt im

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Bild: Trumpf Hüttinger

für redox-flow-batterien bidirektionale Wechselrichter für redox­Flow­ batterien.

Bereich von 45 bis 65 Hz. Auf der DC­Sei­ te gibt das Unternehmen den Spannungs­ bereich mit 0 bis 70 V und eine Stromstär­ ke bis 1350 A an.(ah) n

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Powermanagement Fehlerstrom

ableitströme verringern Fehlauslösungen von Fehlerstrom­ schutzschaltern vermeiden Fehlerstrom-Schutzschalter verbessern in elektrischen Anlagen den Personenschutz. Insbesondere Motorantriebe mit Frequenzumrichter verursachten jedoch Ableitströme, die zu Fehlauslösungen und damit zu unnötigen Maschinenstillständen führen. Schurter erklärt einige Ursachen und stellt dafür Lösungen vor. Autor: Herbert Blum

der sinusfilter FMAc sine verringert am Ausgang des Fu die Ober­ wellen in der Motorspannung und reduziert Ableitströme.

F

ein RCD nicht zwischen Ableitströmen im normalen Betrieb und gefährlichen Fehlerströmen unterscheiden kann.

Die Ursachen verstehen Vor allem Frequenzumrichter (FU) für den energieeffizienten Betrieb von Moto­ ren verursachen große Ableitströme. Aber auch die Kapazitäten der Leitungen und die Netzfilter, die zur Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) nötig sind, erzeugen zusätzlich Ströme gegen Erde. Die Summe aller Ableitströme kann so den Fehlerstrom­ Schutzschalter zum Ansprechen bringen. Doch es gibt Mittel gegen zu hohe Ableit­

ströme, um einen effizienten und sicheren Betrieb zu garantieren. Sowohl beim 1­Phasen­ als auch beim 3­Phasen­Fre­ quenzumrichter wird zuerst die Netz­ spannung über eine Brückenschaltung gleichgerichtet und geglättet. Der Umrich­ ter formt daraus eine Ausgangsspannung, die in Spannungsamplitude und Frequenz, entsprechend der gewünschten Motor­ drehzahl, variieren kann. Ableitströme in FUs entstehen durch die internen Entstörmaßnahmen und alle parasitären Kapazitäten im FU und Motor­ kabel (Bild unten). Die größten Ableitströ­ me verursacht aber die Arbeitsweise des Frequenzumrichters. Dieser regelt stufen­

Bilder: Schurter

ehlerstrom­Schutzeinrichtungen schützen gegen gefährliche Kör­ perströme in Niederspannungs­ netzen bei direktem oder indirektem Berühren. Entsprechende Fehlerstrom­ Schutzschalter, auch FI­Schutzschalter oder Reststromschutzgerät (RCD, residu­ al current protective device) genannt, erfassen die Fehlerströme gegen Erde indirekt durch vektorielle Summenbil­ dung aller Phasenströme. Bei Über­ schreitung eines bestimmten Fehler­ stromwertes (Summe aller Phasenströme ≠ 0) trennt der Schalter alle aktiven Leiter in dem angeschlossenen Leitungsstrang vom Netz ab. Das Problem dabei ist, dass

durch eMv­Filter, parasitäre Kapazitäten und lange leitungen entstehen an mehreren stellen eines Motorantriebs mit Frequenzumrichter Ableitströme gegen Pe.

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elektronik journal 07/2016

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Powermanagement Fehlerstrom

los die Motordrehzahl mit einer Pulswei­ tenmodulation (PWM). Dabei entstehen Ableitströme weit oberhalb der Netzfre­ quenz von 50 Hz. So kann die Schaltfre­ quenz des Frequenzumrichters zum Bei­ spiel 4 kHz betragen, die dazugehörigen Oberwellen aber sehr hohe Amplituden in höheren Frequenzen haben. Diese Fre­ quenzen gehen über die Motorleitung zum Motor. Dabei wirkt die Motorleitung mit geerdeter Abschirmung wie ein Konden­ sator gegen Erde. Über diese Kapazität werden Ströme gegen Erde abgeleitet. Es empfiehlt sich, gefilterte und ungefilterte Leitungen zu trennen, da sonst die hoch­ frequenten Störsignale auf das gefilterte Kabel übertragen werden können.

Transiente Ableitströme Beim Aus­ oder Einschalten der Anlage können außerdem transiente Ableitströme entstehen. Das Einschalten bewirkt, je nach Phasenwinkel, steil ansteigende Spannungsspitzen infolge des schnellen Spannungsanstieges. Dasselbe geschieht auch beim Ausschalten infolge der Induk­ tivitäten im Stromkreis. Diese schnellen Spannungsspitzen erzeugen über die Fil­ terkondensatoren einen transienten Ableitstrom gegen Erde. So kann der FI­ Schutzschalter beim ersten Einschalten der Anlage den Betrieb lahmlegen. Eine Möglichkeit, um dies zu verhin­ dern, ist der Einsatz von RCDs mit verzö­ gertem Ansprechverhalten. Ist kein solcher RCD verbaut, lässt sich die Maschine rela­ tiv einfach schrittweise starten. So können bei Maschinen mit mehreren Einheiten die verschiedenen Frequenzumrichter (FUs) nacheinander hochfahren.

Ausführungen. Werden die Auslösewerte durch einen Isolationsfehler oder durch eine Berührung erreicht, schaltet der FI­ Schutzschalter sofort aus. Nach der seit Juni 2007 gültigen DIN VDE 0100­410 sind für alle Steckdosen­ stromkreise bis 20 A Fehlerstrom­Schutz­ einrichtungen mit einem Bemessungsfeh­ lerstrom bis maximal 30 mA vorzusehen. Das gilt auch für Stromkreise bis 32 A im Aussenbereich zum Anschluss von trag­ baren Betriebsmitteln. Die Wahrschein­ lichkeit, dass auch nicht fest angeschlos­ sene Maschinen oder Geräte mit einer FI­geschützen Elektroinstallation verbun­ den sind, ist somit relativ gross. Der Gerä­ te­Hersteller sollte deshalb seine Maschi­ ne auf Ableitströme überprüfen. Neben den verschiedenen Auslösewer­ ten gilt es auch die verschiedenen Cha­ rakteristiken der RCD zu beachten. Je nach Typ lösen sie nur bei sinusförmigem Feh­ lerstrom aus. Oder sie sind allstromsensi­ tiv und messen auch die anderen Ströme

im Frequenzbereich von Null bis mehrere Kilohertz. Lassen sich die Ableitströme einer Anlage nicht unterhalb die An­ sprechschwelle des FI­Schutzschalters bringen, besteht die Möglichkeit, den FI­ Schutzschalter durch ein Differenzstrom­ messgerät (RCM) zu ersetzten. Dabei wer­ den der möglichst konstante Ableitstrom der Anlage und der Fehlerstrom­Auslöse­ wert summiert und eingestellt. Das Dif­ ferenzstrommessgerät erlaubt den norma­ len Ableitstrom der Anlage, unterbricht aber den Stromfluss sofort beim Über­ schreiten der summierten Limits.

Filter verursachen Ableitströme In den EMV­Filtern sind Kondensatoren von allen Phasen gegen Erde verdrahtet. Über jeden dieser Y­Kondensatoren fließt, entsprechend der Kondensatorgröße, Netzspannung und Frequenz ein fortwäh­ render Strom. In einem idealen 3­Phasen­ Netz mit sinusförmiger Spannung ist die Summe all dieser Ströme null. In der Pra­

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FI-Schutzschalter funktionieren so Der Fehlerstrom­Schutzschalter muss bei einer Fehlfunktion den Stromkreis sofort unterbrechen. Dabei gibt es verschiedene

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eck-daten Fehlerstrom-Schutzschalter trennen im Fehlerfall alle aktiven Leiter des angeschlossenen Stromkreises vom Netz. Problem dabei ist die Unterscheidung zwischen Ableitströmen im normalen Betrieb und echten, gefährlichen Fehlerströmen. Durch eine Aufteilung der Stromkeise, kurze und getrennt geführte Leitungen, höhere Filtergüte und Einsatz von EMV-, Summen-, Vierleiter- und Sinusausgangsfiltern lassen sich Ableitströme reduzieren und so Fehlabschaltungen verhindern. www.elektronik-journal.de

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xis entsteht jedoch, bedingt durch die star­ ke Verzerrung der Netzspannung, ein andauernder Ableitstrom gegen Erde. Die­ ser ist auch vorhanden, wenn die Maschi­ ne nicht läuft, die Spannung also nur am Filter anliegt. Die meisten Filterhersteller geben den maximal zu erwartenden Ableitstrom an. Allerdings sind dies the­ oretische Werte, die wegen unsymmetri­ scher Belastung oder höherer Frequenz abweichen können. Deshalb sollte man die Ströme gegen PE mit eingebauten Fil­ tern im Betrieb nachmessen. Viele Frequenzumrichter werden mit bereits integrierten oder sogenannten Unterbau­Filtern geliefert. Dies sind meist einfache, preiswerte Filter mit kleinen Drosseln und großen Kondensatoren zwi­ schen den Aussenleitern (Polleitern) und Erde, welche große Ableitströme verursa­ chen. Die Filterwirkung der großen Y­Kon­ densatoren lässt sich meist nur durch grö­ ßere Induktivitäten ersetzen. So muss zum Beispiel ein einstufiges Filter mit großen Y­Kondensatoren durch ein zweistufiges Filter mit zwei Drosseln ersetzt werden, welches größer und teurer ist. Oftmals gibt es zu den beiliegenden Fil­ tern auch eine EMV­Konformitätserklä­ rung. Diese gilt jedoch nur für einen ide­ alen Aufbau und kurze Motorleitungen. Längere Motorleitungen erfordern eine neue EMV­Messung. Lange Motorleitun­

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Stromkreise in fehlerstrom-geschützt und -ungeschützt aufteilen Gefilterte und ungefilterte Kabel örtlich getrennt verlegen Schrittweises Starten bei mehreren Frequenzumrichtern (FU) FU nahe beim Motor platzieren (kurze Motorleitungen) Überspannungsschutz zum Schutz vor Spannungsspitzen Fehlerstromschutzschalter mit verzögertem Ansprechverhalten verwenden Einsatz eines Differenzstrommessgerätes (RCM) mit Stromsensoren Netzdrosseln vorsehen Summenfilter am Netzeingang anstelle mehrerer einzelner Filter nutzen 4-Leiter-Filter mit Nullleiter anstelle 3-Leiter-Filter verwenden Ausgangsfilter (Sinusfilter) hinterm Frequenzumrichter einsetzen Ableitstromarme Filter verwenden

gen erzeugen auch eine größere Kapazität gegen Erde, die wiederum größere Ableit­ ströme zur Folge haben. Diese zusätzli­ chen asymmetrischen Ströme können zu einer magnetischen Sättigung der Drossel im Filter führen. Dadurch verliert das Fil­ ter einen großen Teil seiner Wirkung und die Anlage überschreitet die zulässigen EMV­Grenzwerte.

Ableitströme reduzieren Abhilfe schaffen hier kürzere Leitungen oder ein Ausgangsfilter. Dieses Filter, auch Sinusfilter genannt (Bild), sollte direkt am Ausgang des FU eingesetzt werden. Es verringert wirkungsvoll die Ableitströme oberhalb 1 kHz, indem es die Flankens­ teilheit der Motorspannung vermindert. Werden mehrere Frequenzumrichter in einer Anlage eingesetzt, kann es sich loh­ nen, ein gemeinsames Filter am Netzein­ gang zu verwenden. Dies spart nicht nur Kosten und Platz, sondern verkleinert auch den Ableitstrom. Viele Hersteller bieten auch ableitstromarme Filter für die Fre­ quenzumrichter oder Summenfilter am Netzeingang an. Eine einfache und effektive Möglichkeit den Ableitstrom zu verringern, ist der Ein­ satz eines 4­Leiter­Filters mit Neutralleiter anstelle der 3­Leiter­Filter. Die meisten Filter mit Neutralleiter haben kleinere Ableitströme, da viele Kondensatoren zwi­ schen Aussenleiter und Neutralleiter ver­ bunden werden. Dadurch kann der Haupt­ teil der Ableitströme über den Neutrallei­ ter zurückfliessen. Da der Neutralleiter gleich wie die Aussenleiter durch den Fehlerstromschutzschalter gemessen wird, löst dieser nicht aus, da die Summe der Ströme gleich ist. Ist die Dämpfung eines Filters nicht aus­ reichend, kann dieses mit einer zusätzli­ chen Netzdrossel kombiniert werden. Diese reduziert die Stromwelligkeit und Oberschwingungen und sorgt somit für kleinere Ableitströme. (dw/jwa) n

autor

Herbert Blum Produktmanager in der Division Components bei Schurter in Luzern, Schweiz

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Bild:

Kama ka

Der neue On­Board­Charger von Green Watt Power lädt Elektrofahrzeugbatterien vom Stromnetz nach. Green Watt Power (Vertrieb Kamaka ), eine Sparte von Calex, führt einen Charger mit 400 W Ausgangsleistung als neues Pro­ dukt ein. Es handelt sich dabei um einen zweiphasiges Konstantstrom­/Konstant­

der Ac­charger lädt elektrofahrzeug­ batterien unterwegs und zu hause vom stromnetz nach.

spannungs­Batterieladegerät, welches für das Aufladen von Lithium­Ionen­Batterie­ Systemen in Elektrofahrzeugen verwendet werden kann. Der Charger besitzt einen universal AC­ Eingang von 90 bis 264 VAC und einen Aus­ gang von 58 V DC mit einer Ausgangsleistung von 400 W, um die Elektrorollerbatterie zu laden. Mit dem On­Board­Charger können Fahrzeugbatterien entweder unterwegs oder zu Hause nachgeladen werden. Er besitzt folgende Schutzfunktionen: Überspannungs­, Kurzschluss­ und Über­ temperaturschutz sowie ein wasserdichtes IP64 Gehäuse. Weitere Features sind Kom­ munikation über CAN Bus, hohe Zuverläs­ sigkeit und einen Wirkungsgrad von bis zu 92 %. Der Charger ist RoHS konform und hat eine Garantie von 5 Jahren. (jwa) n

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kompak t, programmierbar und leistungsfähig

ac- und dc-Quellen mit hoher leistungsdichte Über Caltest sind neue pro­ grammierbare AC­ & DC­ Netzteile von Pacific Pow­ er Source mit der einer der höchsten Leistungsdichte Bild: Caltest auf dem Markt erhältlich. Eine komplett neue digita­ le Steuerungsarchitektur ermöglicht eine noch nie dagewesene Kompaktheit ohne Kompromisse bei der Leistungsfähigkeit. Pacific Power Source hat programmierbaren AC­ und DC­Quel­ len der Serie AFX mit Leistungen von 9 bis 60 kVA entwickelt. Alle Modelle basieren auf einer eigenentwickelten, volldigitalen Tech­ nologieplattform zur Leistungsumwandlung, die bisher nicht ver­ fügbare Features von programmierbaren Quellen möglich macht. Dazu gehört beispielsweise ein direktgekoppelter Ausgang für kombinierte Betriebsarten für den AC­, DC­ und AC+DC­Ausgang. Die aktiven leistungskorrigierten AC­Eingänge arbeiten mit einem breiten Eingangsspannungsbereich, sodass sie überall auf der Welt eingesetzt werden können. Spannung, Wellenform, Strom, Leistung, Phase und Frequenz sind programmierbar. 99 Einstellungen können gespeichert werden, um so einen schnel­ www.elektronik-journal.de

len Abruf in einem Testprotokoll zu ermöglichen und den Auf­ wand zu verringern. Weitere Funktionen sind ein Frequenzbereich von 15 bis 1200 Hz, ein Spannungsbereich von bis zu 300 Vrms in der Konstant­ Leistungs­Betriebsart, programmierbare Effektivwerte oder Gleichspannung, die Möglichkeit der Spitzenstrombegrenzung sowie die Kompatibilität zur Windows­Bediensoftware UPC Studio von Pacific Power Source. All diese Funktionen können vom Nutzer über die intuitive Frontplatte mit einem großen Farb­ LCD­Display bedient werden. Für automatische Prüfeinrichtun­ gen stehen eine LAN­Schnittstelle mit LXI­Konformität (LAN eXtensions for Instrumentation) und IVI­Treiber zur Verfügung. Durch die neue volldigitale Architektur kann die 15 kVA­ Version der AFX­Serie in einem nur 4HE hohen Rack unterge­ bracht werden. Dies erleichtert es, veraltete Leistungstestschrän­ ke mit zusätzlicher Leistung aufzurüsten, ohne den zusätzlichen Platz zu benötigen, den konventionelle AC­Quellen in Anspruch nehmen würden. Weitere Informationen unter www.caltest.de. (jwa)

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Halbleiter E-Motoren

lautlos und ruckelfrei

Energieeffizienz ist inzwischen Grund­ bedingung des Klimaschutzes in nahezu jeder Anwendung oder auch unabdingbar bei begrenzter Verfügbarkeit von Energie w ie in Batterie­A nwendungen. Die Ansteuerung von BLDC­Motoren wird daher auf Wirkungsgrad optimiert, und zwar in möglichst vielen Betriebszustän­ den. Auch mindert eine Sinusansteuerung die Entstehung störender Vibrationen und Geräusche.

ge in wechselnder Polarität gegen die vol­ le Betriebsspannungen geschaltet werden. Lediglich über die Einschaltdauer lässt sich das Drehmoment variieren. Bei dieser Ansteuerungsmethode wird jedoch der Motorstrom mit Oberwellen belastet, was sich auch im Drehmoment widerspiegelt und zu Vibrationen und unerwünschten Geräuschen führt. Für einen optimalen Wirkungsgrad müssen die Induktions­ spannung und der Motorstrom zueinander phasengleich sein. Eine Weiterentwicklung in diese Richtung ist die Sinus­Ansteue­ rung mit Pulsweitenmodulation (PWM) der Steuerspannung, wodurch sich ein sinusförmiger Stromverlauf und eine Rege­ lung des Phasenwimkels realisieren lässt. Sensorlose BLDC­Motoren benötigen zwar weniger Bauteile, ihre Anwendung beschränkt sich jedoch auf ein konstantes Drehmoment und eine längere Anlauf­ dauer. Motoren mit eingebauten Lagesen­ soren kennen die absolute Rotorposition, was zum Beispiel höhere Anlaufmomente erlaubt. Weiterhin verbessert dies die Dynamik bei Lastwechseln. Sensorbasier­ te Systeme sind einfacher zu implemen­ tieren, weil sie weniger Software­Entwick­ lung erfordern. Die Ansteuerung mit Sinus­PWM über eine diskrete Schaltung ist dagegen komplexer und benötigt im Vergleich mehr Bauelemente. Hoch inte­ grierte Motorsteuerungen vereinfachen die Schaltungsentwicklung und verkürzen die Entwicklungzeit.

Sinus-PWM statt Block-Kommutierung

Neuer Chip-Prozess und Phasenwinkelregelung für mehr Effizienz

Die Ansteuerung von BLDC­Motoren erfolgt traditionell mittels Blockkommu­ tierung, wobei die einzelnen Phasensträn­

Der neue BiCD­Halbleiterprozess ermög­ licht die Kombination von CMOS­Logik­ und Bipolar­Leistungstransitor­Schalt­ kreisen gemeinsam auf einem Chip. Ein BiCD­Controller ist daher kleiner, erzeugt weniger Verlustleistung und ist direkt kompatibel zu anderen Mikrocontrollern.

effizientere bldc­Motorantriebe entwickeln Eine Controller-Treiber-Schaltung mit gutem Regler erlaubt es, effiziente, vibrationsarme und leise BLDC-Antriebe schnell und mit geringen Beschaltungsaufwand zu realisieren. Toshiba stellt hierfür einen hochintergrierten Baustein vor und erläutert die besonderen VerbesserungsAutor: Frank Malik merkmale.

B

ürstenlose 3­Phasen­Gleichstrom­ motoren (BLDC­Motoren) sind inzwischen Standard in vielen Anwendungen, die wenig Strom verbrau­ chen und geräuscharm arbeiten müssen. Anstelle der klassischen Ansteuerung mit Rechtecksignalen verringern per PWM erzeugte sinusförmige Phasenströme die Vibrations­ und Geräuschentwicklung sowie die Verlustleistung. Für optimale Leistungsfähigkeit erfor­ dert die Sinusansteuerung eine Phasen­ anpassung zwischen Motorspannung und Motorstrom, auch um einen hohen Wir­ kungsgrad über einen weiten Drehzahl­ bereich von fast null bis zu mehreren 1000 U/min zu erreichen. Die Umsetzung sol­ cher Anforderung an die Regelung braucht Zeit und bedeutet zusätzliche Bauteile für die Phasenanpassung. Wegen ihrer besonderen Eigenschaften werden BLDC­Motoren in zahlreichen Anwendungen, zum Beispiel in industri­ ellen Steuerungen, in Fahrzeugen, im Büro und zu Hause verwendet. Dazu gehören Ventilatoren, Pumpen oder Antriebe beweglicher Teile wie zum Beispiel in Dru­ ckern oder Festplatten.

bild 1: Phasenströme und hall­Positionssignale ermöglichen eine effiziente Motoransteuerung.

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Bilder: Toshiba

bild 2: der bicd­cont­ roller regelt strom und gegeninduzierte span­ nung in die gleiche Phasenlage und steigert damit den energieum­ satz des bldc­Motors.

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elektronik journal 07/2016

Der neue BiCD-Chip-Prozess und ein geregelter Phasenwinkel zwischen Strom und induzierter Spannung (EMK) erreichen eine höhere Effizienz und gleichmäßigeres Drehmoment bei der Ansteuerung von BLCD-Motoren. Toshibas Dreiphasen-SinusPWM-Treiber erfasst Strom und EMK je Phase und regelt die Ansteuerspannung per PWM-Tastverhältnis nach. www.elektronik-journal.de

Halbleiter E-Motoren

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bild 3: Inpac optimiert den Wirkungsgrad bei allen drehzahlen.

Während Ende der 1990er Jahre mit 0,8­μm­Geometrie die Packungsdichte etwa 6000 Gatter/mm 2 betrug, so ist sie heute im 0,13­μm­Prozess auf 200.000 Gatter/mm2 angestiegen und bietet damit eine höhere Logikkapazität. Im Vergleich zur einheitlichen Bipolar­Technologie haben BiCD­Controller über 80 % weniger Verlustleistung. Toshibas intelligente Regelung des Pha­ senwinkels (Inpac, Intelligent Phase Con­ trol) steuert BLDC­Motoren vollautoma­ tisch bei gleichzeitig weniger Stromver­ brauch und Geräuschentwicklung. Vergli­ chen mit der verbreiteten Vektorsteuerung verringert Inpac die Anzahl der Bauteile und ermöglicht einfachere Designs. Ein Regler mit Inpac erkennt die Rotor­ lage und der Phasenwinkel des Motor­ stroms steuert die Induktionsspannung automatisch in die gleiche Phasenlage (Bild 2). Bei der herkömmlichen Sinus­ Ansteuerung müssen Entwickler entschei­ den, ob der optimale Wirkungsgrad bei niedriger oder hoher Drehzahl erzielt wer­ den soll. Bei der Anpassung durch Inpac wird der Wirkungsgrad bei jeder Drehzahl optimiert. Im Vergleich zur herkömmli­ chen Technik lässt sich der Stromver­ brauch um etwa 20 % verringern (Bild 3).

Ein Mixed-Signal-Treiberbaustein Der neue 3­Phasen­Sinus­PWM­Treiber TC78B016FTG für BLDC­Motoren ist der erste Motortreiber, der im BiCD/CD­Pro­ zess gefertigt wird. Der Mixed­Signal­ Prozess bewirkt einen niedrigen Durch­ lasswiderstand RON von 0,24 Ω. Der inte­ grierte Baustein arbeitet mit Motorspan­ nungen zwischen 6 und 30 V DC bei 3 A www.elektronik-journal.de

Spitzenstrom; sein Eigenverbrauch liegt bei 6 mA. Eine Drehzahlregelung ist damit flexibel und einfach realisierbar. Entwick­ ler können über den Pin SEL_SP eine ein­ fache Analogspannung oder ein PWM­ Signal bereitstellen. Die Drehrichtung des Motors wird durch High oder Low am Pin CW/CCW vorgegeben. Über den Pin SEL_LA lässt sich mithil­ fe einer Analogspannung ein Drehwinkel­ Offset von ­30 bis +30° einstellen, was eine Fehlausrichtung der Hall­Sensoren kom­ pensiert. Der TC78B016FTG unterstützt drei externe Hall­Sensoren und einen externen Widerstand für die Strombegren­ zung. Zu den weiteren Funktionen zählen Soft­Start, Beschleunigungs­ und Verzö­ gerungsregelung sowie eine Bremsfunk­ tion. Zu den Sicherheitsfunktionen zählen eine Blockiererkennung und ein Blockier­ schutz, Abschaltung bei Überhitzung und die Erkennung von Überstrom sowie Unterspannung (UVLO). Der Motor­Controller ist mit Abmes­ sungen von 5 × 5 × 0,8 mm3 im QFN36­ Gehäuse klein und leicht genug, um direkt in die Motorbaugruppe integriert zu wer­ den. Damit verringern sich die Leitungs­ anzahl sowie Größe und Gewicht der zugehörigen Anschlüsse. Der Treiberbau­ stein arbeitet bei Umgebungstemperatu­ ren von ­40 bis +105 °C. (jwa) n

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Frank Malik Principle Engineer im Bereich Solution Marketing bei Toshiba Electronics Europe.

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Halbleiter SiC-MOSFETs

leicht und effektiv sic­basierende leistungswandler – kompakt, effizient, preisgünstig

Bild fotolia : powerstock

In vielen DC/DC-Wandlern, Wechselrichtern und Ladegeräten kommen noch immer IGBT-Systemkomponenten auf Siliziumbasis zum Einsatz. Doch deutlich effizientere, kleinere und leichtere Systeme lassen sich mithilfe von SiC-Bauteilen entwiAutor: Guy Moxey ckeln, wie der folgende Beitrag zeigt.

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s ist hinlänglich belegt, dass Leistungskompo­ nenten auf Grundlage von Siliziumkarbid (SiC) deutlich bessere Performance­Werte auf­ weisen und erheblich kleinere und leichtere Baugrö­ ßen ermöglichen als Systeme mit Siliziumbausteinen. Vorteilhaft sind unter anderem höhere Sperrspan­ nungen, geringere Leitungsverluste und eine besse­ re thermische Leitfähigkeit. SiC­MOSFETs weisen deutlich niedrigere Schalt­ verluste auf als gewöhnliche MOSFETs und Si­IGBTs, bei SiC­Dioden treten keine Verluste in der Sperrver­ zögerung (Reverse Recovery Loss) auf und SiC­Halb­ leiter erreichen eine deutliche höhere Stromleitfähig­ keit bezogen auf die Die­Fläche. Allerdings sind SiC­Komponenten nicht per se Bau­ steine für die Leistungswandlung. Daher sind inno­ vative Designs erforderlich, um die Vorteile von Sili­ ziumkarbid bei Hochleistungssystemen zum Tragen zu bringen. Dass ein wachsender Bedarf an solchen Komponenten besteht, ist unbestritten. So wird der Bedarf an Fahrzeugen mit elektrischen Antriebssys­ temen in den kommenden Jahren drastisch steigen.

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elektronik journal 07/2016

Elektrofahrzeuge mit Hybrid­Motoren, Plug­in­Hyb­ rid­Antrieben und reinen batteriegestützten Antriebs­ konzepten enthalten eine ganze Reihe kritischer Kom­ ponenten, die von Leitungselektroniksystemen auf Grundlage von SiC profitieren.

Kleinere und effizientere DC/DC-Wandler SiC­Komponenten kommen aber auch in Photovol­ taik­Wechselrichtern zum Einsatz sowie in Systemen für die Umwandlung von Gleich­ und Wechselstrom elektronischer Geräte und Kommunikationssysteme. Hersteller sind bestrebt, die neuesten Komponenten aus dem Bereich Leistungselektronik in ihre Designs zu integrieren, um die Gesamtleistung und die Effi­ zienz zu erhöhen, gleichzeitig jedoch Kosten, Gewicht und Komplexität zu reduzieren. Diese Anforderungen erfüllen DC/DC­Leistungs­ wandler auf Grundlage der SiC­Technologie wie etwa die SiC­MOSF ETs von Wolfspeed der Reihe C3M065100K für 1000 V, die in Off­Board­Ladesta­ tionen für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen. Diese Bausteine bieten die industrieweit niedrigste www.elektronik-journal.de

Halbleiter SiC-MOSFETs

Bilder: Wolfspeed

bild 1: ein dc/dc­Wandler mit einer leistung von 20 kW, der sic­Komponenten von Wolfspeed verwendet (links), ist deutlich kompakter und leichter als ein Modell mit 15 kW auf grundlage von silizium­bausteinen (rechts).

Figure of Merit (FOM, Kennzahl als Produkt aus On­ Widerstand und Gate­Ladung) und stehen in zwei Demonstrator­Inverter­Versionen zur Verfügung: • Ein Zweiebenen­LLC­Resonanzwandler arbeitet zwischen 200 und 400 kHz und erreicht eine Effi­ zienz von 98,4 % bei einem Vo/p von 200 bis 500 V. • Ein Zweiebenen­Wandler mit Phasenverschiebung ist ebenfalls für den Frequenzbereich 200 bis 400 kHz ausgelegt und arbeitet mit einem Wirkungs­ grad von maximal 97,5 % bei Vo/p­Werten von 200 bis 700 V.

Nur die Hälfte der Bausteine erforderlich Benchmark­Tests auf Systemebene mit SiC­Kompo­ nenten und den leistungsstärksten 650­V­Silizium­ MOSFETs zeigen, dass es durchaus möglich ist, mit­ hilfe von SiC­Komponenten von Wolfspeed den Auf­ bau von Systemen im Bereich Leistungselektronik zu vereinfachen. Im Gegensatz zu Siliziumchip­Designs mit drei Ebenen kommen SiC­Architekturen mit nur zwei Ebenen aus. Durch den Einsatz von SiC­Komponenten und Modifikationen der Schaltungstopologie lässt sich die Zahl der benötigten Bausteine in diesem Fall von 16 Silizium­Elementen auf acht SiC­MOSFETs reduzie­

eck-daten Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid erreichen in Leistungselektronik-Systemen erhebliche Performance-Verbesserungen. Höhere Schaltspannungen und -frequenzen sowie Leistungsdichten reduzieren Gewicht und Größe der L- und C-Komponenten, verringern den Kühlungsaufwand und die Schaltungskomplexität. Wolfspeed bietet hierfür SiC-Power-Module an, mit denen sich LeistungselektronikSystemlösungen entwickeln lassen, die mit Silizium-Bausteinen schlichtweg nicht zu realisieren sind.

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ren. Dadurch steigt gleichzeitig die Effizienz eines Wandlers und die zweistufige SiC­Schaltung verein­ facht das Gate­Driver­Design. Bedingt durch den höheren Frequenzbereich sinken sowohl die Größe als auch die Kosten der magnetischen Komponenten. Zusätzlich lassen sich beide Zweiebenen­Wandler mit MOSFETs von Wolfspeed wegen der maximalen Drain­Source­Schaltspannung von 1000 V problem­ los mit 850 V DC betreiben. Bild 1 zeigt die Systemhardware eines konventio­ nellen 15­kW­DC/DC­Wandlers auf Siliziumbasis und eines vergleichbaren SiC­MOSFET von Wolfspeed mit 20 kW. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Wand­ ler mit SiC­Komponenten mit einer kompakteren Pla­ tine auskommt, und dies trotz des höheren Leistungs­ bereichs. Außerdem erreichen die SiC­MOSFETs eine Effizienz von 98,4 % (Peak), etwas höher als die von Siliziumhalbleitern mit 97,5 % (Peak).

Kompaktere und kühlere Wechselrichter SiC­Leistungskomponenten ermöglichen völlig neu­ artige Systemlösungen bei kommerziellen Si­IGBT­ Wandler­Stacks, die aus Modulen mit 62 mm, 400 A und 1,2 kV bestehen. Typische Bestandteile solcher Stacks sind DC­Zwischenkreiskondensatoren, ein Kühlkörper mit Lüfter sowie Gatetreiber mit Schutz­ schaltungen und Sensoren. Im Datenblatt werden für den ausgewählten IGBT­ Stack Werte von 140 kW (200 A rms) Ausgangsleistung bei einer Schaltfrequenz fsw von 3 kHz ausgewiesen. Damit ist der Stack der kleinste einer Reihe kommer­ ziell verfügbarer Produkte und ein typischer Vertreter von modularen Stromversorgungssubsystemen. Die­ se kommen beispielsweise in Solarinvertern und bei Antrieben zum Einsatz. Dieser IGBT­Stack wurde nun im Rahmen einer Studie mit SiC­Modulen von elektronik journal 07/2016

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Halbleiter SiC-MOSFETs

leichteres und preisgünstigeres System konzipieren, das bei vergleichbaren Schaltfrequenzen eine höhere Leistung bietet. Dieser Vorteil wirtk sich wiederum positiv auf die Leistungsdichte und das Verhältnis Watt pro Euro aus. Eine weitere Option besteht darin, ein System mit SiC­Komponenten bei niedrigeren Sperrschicht­Tem­ peraturen und mit einer höheren Effizienz zu betrei­ ben. Das wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit aus und reduziert die Ausfallwahrscheinlichkeit.

Positionierung der SiC-Version

bild 2: herkömm­ liche Igbt­stacks im vergleich mit versi­ onen auf basis von siliziumkarbid (sic).

bild 3: das sic­MOsFet­ Modul cAs300M12bM2 mit integrierter z­rec­Freilauf­ diode schaltet spannungen bis 1,2kv und hat einen rds(on) von 5 mΩ.

Wolfspeed neu dimensioniert. Statt der drei IGBT­ Module mit 1200 V und 400 A kamen drei SiC­Kom­ ponenten (CAS300M12BM2) mit 1200 V und 300 A zum Zuge. Das Sechs­Kanal­Gate­Driver­Board wur­ de durch drei Zwei­Kanal­Platinen ersetzt, die spe­ ziell für SiC­Module ausgelegt sind. Da alle SiC­Leis­ tungskomponenten im selben Formfaktor und mit kompatiblen Gatetreibern zur Verfügung stehen, war das problemlos möglich.

Vorteile der SiC-MOSFET-Module In die SiC­MOSFET­Module mit 1200 V und 300 A sind SiC­Schottky­Freilaufdioden integriert. Die Sili­ zium karbid­Module weisen im Vergleich zu 400­A­IGBT­Modulen fünf zentrale Vorteile auf: • Geringe Schaltverluste • Niedrigere Leitungsverluste • Vernachlässigbare Schaltverluste der Dioden • Höhere Spannen bei der Durchschlagspannung • Unempfindlichkeit gegenüber Fehlern durch kos­ mische Strahlung und Single Event Burnouts (SEB) Der Stack mit den SiC­Komponenten wurde in einem Dreiphasen­Wandler getestet. Anschließend erfolgte ein Vergleich der Resultate mit den Werten, die im Datenblatt des IGBT­Stacks ausgewiesen waren. Wie erwartet zeigte sich beim SiC­Stack eine deutlich geringere Verlustleistung. Dadurch ist es möglich, bei deutlich höheren Schaltfrequenzen dieselbe Ausgan­ gleistung und Effizienz zu erreichen. So lässt sich mithilfe von SiC­Bausteinen ein kompakteres,

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elektronik journal 07/2016

Betrachtet man die gesamte Familie der IGBT­Stacks, stellt sich die Frage, in welchem Bereich der Produk­ treihe eine SiC­Version ihren Platz hat. Dies hängt von der Schaltfrequenz der Applikation ab. Bild 2 zeigt den Nennausgangsstrom der Produkte in Beziehung zur Schaltfrequenz fSW. Wie erwartet besteht zwischen dem Ausgangsstrom und der Schalt­ frequenz eine inverse Beziehung. Allerdings geht der Ausgangsstrom der Si­IGBT­Stacks (rote Graphen) bei steigender Frequenz deutlich stärker zurück als bei der SiC­Variante (blauer Graph). Beeindruckend ist, dass der kleinere SiC­Wandler bei einer Schaltfrequenz fSW von 10 kHz denselben Strom von etwa 270 A rms liefert wie der physikalisch dreifach größere 750­A­Wandler auf Basis von Silizi­ um. Der hellblau markierte Bereich in Bild 2 stellt den erweiterten Einsatzbereich dar, die den Si­IGBTs aus wirtschaftlichen Gründen verschlossen bleiben.

Mit Siliziumbausteinen nicht realisierbar Bei Leistungselektroniksystemen wie DC/DC­Wand­ lern, Wechselrichtern und integrierten Onboard­ Ladegeräten lassen sich erhebliche Performance­Ver­ besserungen erreichen, wenn MOSFETs, Module und Schottky­Dioden auf Basis von Siliziumkarbid zum Einsatz kommen. Hinzu kommen Gewichtseinspa­ rungen und der niedrige Platzbedarf. Entwickler kön­ nen somit Systeme höherer Effizienz und Leistungs­ dichte entwerfen. Außerdem profitieren sie von den geringeren Anforderungen an die Kühlsysteme und das Wärmemanagement sowie von der geringeren Komplexität der Schaltungen. Mithilfe von SiC­Power­Komponenten wie denen von Wolfspeed lassen sich Systemlösungen im Bereich Leistungselektronik entwickeln, die mit Siliziumbau­ steinen schlichtweg nicht realisierbar sind. (jwa) n

autor

Guy Moxey Senior Director Marketing & Applications bei Wolfspeed

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1700-v-sic-mosfet

energiesparende leistungshalbleiter

Bild: Rohm

Nichts verbindet mehr der 1700­v­sic­MOsFet mit hoher durchbruchspannung.

Rohm hat die Verfügbarkeit eines neuen 1700­V­SiC­ MOSFET bekanntgegeben, der für industrielle Anwen­ dungen wie etwa Fertigungsanlagen und universelle Hochspannungs­Wechselrichter optimiert ist. Speziell bei Anwendungen im industriellen Bereich, wie etwa bei Universal­Wechselrichtern und Produktionsanlagen, ist die Nachfrage nach energiesparenden Leistungshalblei­ tern in den letzten Jahren stark gestiegen. In Hilfsstrom­ versorgungen, die Treiberspannungen für andere Strom­ versorgungen, Ansteuer­ICs und verschiedene unterstüt­ zende Systeme erzeugen, werden normalerweise Silizium­ MOSFETs mit hohen Durchbruchspannungen von 1000 V und mehr eingesetzt. Allerdings kommt es in diesen Hochspannungs­MOSFETs zu hohen Leitungsverlusten, die häufig zu einer übermäßigen Erwärmung führen. Zusätzlich gibt es Probleme wegen der benötigten Lei­ terplattenfläche und des Aufwands an externen Bauele­ menten, sodass es sich schwierig gestaltet, die Systemab­ messungen zu reduzieren. Als Reaktion auf diese Situa­ tion entwickelte Rohm verlustarme SiC­MOSFETs und Ansteuer­ICs, die einerseits die Performance maximieren und andererseits zur Miniaturisierung der finalen Pro­ dukte beitragen. Der SCT2H12NZ bringt die für Hilfsstromversorgungen in industriellen Anlagen benötigte hohe Durchbruchspan­ nung mit. Außerdem kommt der gegenüber konventionel­ len Silizium­MOSFETs um den Faktor 8 reduzierte Lei­ tungsverlust der Energieeffizienz zugute. In Kombination mit dem BD7682FJ­LB, einem speziell für das Ansteuern von SiC­MOSFETs ausgelegten AC/DC­Wandler­IC von Rohm lässt sich die Performance maximieren und die Effi­ zienz um bis zu 6 % verbessern. Dies wiederum erlaubt die Verwendung kleinerer externer Bauelemente und trägt damit zur vermehrten Miniaturisierung bei. (ah) n

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Wärmemanagement MOSFET

kleiner aber stärker neue gehäuse erhöhen die thermische und elektrische belastbarkeit von MOsFets

Bild fotolia: Robert Kneschke

Parallel zur Weiterentwicklung der Leistungseigenschaften von MOSFETs tut sich auch einiges im Bereich des Gehäusedesigns. So verbessert ON Semiconductor mit dem neuen ATPAK die thermische und elektrische Belastbarkeit von MOSFETs deutlich. elektronik journal liefert Detailinfos. Autor: Takashi Akiba

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inem unlängst veröffentlichten Bericht von Price Water­ house Coopers (PWC) zufolge belaufen sich die Halblei­ terumsätze im Kraftfahrzeugbereich im Jahre 2016 auf ungefähr 37,4 Mrd. USD, das entspricht 10% des gesamten Halb­ leiterumsatzes. Damit hätte der Automotive­Bereich das größte Wachstum, ungefähr 9,4% – getrieben sowohl durch die unge­ heure Nachfrage nach Automobilen in Schwellenländern als auch durch den steigenden Elektronikanteil im Kfz. Eine weiter­ gehende Analyse durch PWC zeigte, dass Halbleiter derzeit ungefähr ein Drittel der Gesamtkosten eines Autos ausmachen und bis zum Jahre 2030 dieser Anteil auf die Hälfte der Gesamt­ kosten ansteigen wird.

Zunehmend komplexere Elektronik im Fahrzeug Mit dem Fortschritt der Technologie sind Autos in der Lage, ihre Umgebung wahrzunehmen, und moderne Fahrerassistenzsys­

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teme vermindern die Wahrscheinlichkeit von Unfällen durch Systeme wie automatische Bremsen, Spurverlassenswarnungen sowie Abstandsregel­Tempomaten. Die Automobile können Stra­ ßenverkehrszeichen lesen und mit der Welt um sie herum kom­ munizieren – einschließlich der intelligenten Infrastruktur, die in vielen Ländern installiert werden soll.

Flaches ATPAK-Design für raue Umgebungen Die Umgebung von Kraftfahrzeugelektronik unter der Motor­ haube oder in Aufhängungssystemen ist rau. Vibrationen, hohe Temperaturdynamik, Staub und Schmutz treten teilweise selbst im Fahrgastraum und fordern robuste zuverlässige Bauteile, die aber auch kostengünstig sein müssen. Parallel zur Weiterent­ wicklung der Leistungseigenschaften von MOSFETs erfolgen auch im Bereich des Gehäuse­Designs Innovationen mit funda­ mentalen Verbesserungen. www.elektronik-journal.de

Wärmemanagement MOSFET

einige Nachteile auf. Der beengte Bauraum vieler Anwendungen erfordert Bauteile, die eine beträchtlich geringere Bauhöhe haben als die 2,3 mm der DPAKs. Zudem begrenzen die etwa 70 µm starken Bond­Drähte zwischen Chip und Träger die thermische und elektrische Leitfähigkeit, selbst, wenn mehrere parallel zum Einsatz kommen. Diese Verbindungsmethode verursacht ohm­ sche und induktive Widerstände, welche ein schnelles Schalten wie auch einen geringen R DS(on) verhindern. Das von von ON Semiconductor neu entwickelte ATPAK­Gehäuse (Advanced Thin Package) überwindet diese Einschränkungen. Bei gleichem Footprint nimmt das 1,5 mm hohe ATPAK im Vergleich zum 2,3 mm dicken DPAK ein um 35 % geringeres Bauvolumen ein und bleibt rückwärts­kompatibel mit vorhandenen Entwicklungen, die das DPAK verwenden (Bild 1).

Strombelastbarkeit und thermisches Verhalten durch Clip-Kontaktierung verbessert Ein neuer Kupfer­Clip im ATPAK ersetzt die Draht­Bonds des herkömmlichen DPAK vorteilhafter. Als hervorragender Wär­ meleiter verbessert Kupfer die Wärmeübertragung zwischen dem Halbleiter­Chip und den Gehäuseanschlüssen. Mit dem verringerten Wärmewiderstand RTHJ+A des Gehäuses, werden deutlich höhere Leistungsdichten bei Stromversorgungen mög­ lich.

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Derzeitiger Standard für MOSFETs das DPAK­ Gehäuse – ein oberflächenmontierbarer Baustein mit drei Pins sowie einer großen Montage­Lasche zur Wärmeableitung und mechanischen Verstärkung. Doch trotz seiner hohen Verbreitung weist das DPAK

eck-daten Das neue ATPAK-Gehäusedesign für MOSFETs von ON Semiconductor ersetzt die klassischen Bonddrähte durch massive Kupfer-Clips und erreicht bei 35 % weniger Bauvolumen gegenüber dem DPAK eine deutlich verbesserte thermische und elektrische Belastbarkeit. Verglichen mit einer Diode weisen ATPAK-MOSFETs nur ein Zehntel des RDS(on) auf und verringern damit ihre Verlustleistung immens.

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Bilder: On Semiconductor

Höchste Zuverlässigkeit bild 1: AtPAK ist 35% niedriger als dPAK, die Montagefläche um 60% kleiner als beim d2PAK.

Darüber hinaus ist der Kupfer­Clip (Bild 2) durch eine wesentlich größere Quer­ schnittsfläche gekennzeichnet als die 70­µm­Draht­Bonds. Das minimiert den R DS(on) eines ATPAK­basierten MOSFETs, steigert die Effizienz und senkt Leistungs­ verluste und damit die Wärmeerzeugung. Außerdem erhöht die g rößere Quer­ schnittsfläche des Clips die max. Strom­ belastbarkeit auf 100 A – ein Wert, der bis­ lang nur durch das D2PAK erzielbar war, dessen Volumen 7,5­mal höher ist als das des neuen ATPAK. ON Semiconductor führte Benchmark­Tests zum thermischen Verhalten des DPAK im Vergleich zum neu­ en ATPAK durch, um die Vorteile des neu­ en Gehäuses zu demonstrieren.

Oberflächen- und Sperrschichttemperatur im Vergleich Für den Wärmetest wurden DPAK­ und ATPAK­Bausteine auf getrennte, jedoch baulich identische Leiterplatten montiert

und auf eine Verlustleistung von je 1,44 W eingeregelt. Messungen der Oberflächentemperatu­ ren mit einem Thermographen ergaben eine im stationären Zustand eine Gehäusetem­ peratur von 80 °C für das herkömmlihe DPAK­Design und 74,8 °C für die neue ATPAK­Ausführung. Die Sperrschichttemperaturen jedes Bau­ steins wurden mithilfe des Wärmewider­ stands für jedes Gehäuse berechnet und ergaben 82,2 °C für das DPAK sowie 76,0 °C für das ATPAK (Bild 3). Die im ATPAK eingesetzte Clip­Bon­ ding­Technik verbesserte die Wärmelei­ tung und ­abstrahlung gegenüber dem DPAK wirksam. Trotz eines um 35 % gerin­ geren Volumens erreicht das ATPAK eine um 6,2 K niedrigere Sperrschichttempera­ tur. Die niedrigen RDS(on)­Werte der ATPAK­ MOSFETs von ON Semiconductor ermög­ lichen es, beispielsweise in Kraftfahrzeug­

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bild 2: Anstelle der klassischen bond­drähte verbessert der neue Kupfer­clip die strom­ belastbarkeit, das thermische verhalten und den rds(on).

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elektronik journal 07/2016

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Wärmemanagement MOSFET

schaltungen ein Verpolschutz mit weniger Spannungsabfall und geringerer Verlustleistung zu realisieren, als mit herkömmlichen Dioden (Bild 4).

Nur ein Zehntel der Verlustleistung von Dioden Bei der Dioden­Lösung kann die Verlustleistung selbst bei rela­ tiv geringen Strömen signifikant sein – etwa 2,4 W sind das bereits bei 3 A Laststrom. Das ist nicht nur hinsichtlich des Leistungs­ verlusts ineffizient, sondern macht zudem einen Kühlkörper erforderlich, der wertvollen Platz beansprucht und die Materi­ alkosten erhöht. Die Verwendung eines P­Kanal­MOSFETs in einem SOT23­ Gehäuse zeigt tatsächlich eine Verringerung der Leistungsver­ luste, die sich jedoch bei Lastströmen um die 3 A nur unwesent­ lich von der Diodenlösung unterscheiden. Mit dem sehr niedri­ geren RDS(on) in einem ATPAK­MOSFET ergeben sich beim selben Laststrom wesentlich kleinere Verlustleistungen – nur etwa ein Zehntel dessen einer Diode oder eines SOT23­MOSFETs. Das

steigert die Schaltungseffizienz und spart Kosten sowie Bauraum für einen Kühlkörper. Für Fahrzeugapplikationen bietet ON Semiconductor ein umfassendes Portfolio an Automotive­ATPAK­MOSFETs. Dem­ nächst werden neue N­ und P­Kanal­Bausteine auf den Markt kommen, die mit Strömen von bis zu 120 A (I D max) belastbar sind und einen RDS(on) kleiner als 5 mΩ besitzen. Sämtliche Bausteine sind bleifrei/RoHS­konform und halogenfrei, sie bestehen PPAP (Produktions­Freigabe­Verfahren) und sind für den Einsatz im Automobil AEC­qualifiziert. (jwa) n

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Takashi Akiba Product Engineering Manager bei ON Semiconductor

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bild 3: Wärme­benchmark­tests zeigten die vorteile des AtPAK­designs eindeutig auf.

bild 4: vergleich einer verpolschutz­schaltung unter verwendung einer diode oder eines MOsFets www.elektronik-journal.de

schukat.

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S C H U K AT

Wärmemanagement Kühlung

optimale Kühlung Mechanische Nachbearbeitung von Kühlkörpern Im direkten Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörper aus Aluminiummaterial finden ihren Einsatz oftmals zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen. Neben der wärmetechnischen Performance muss man vor der Autor: Jürgen Harpain Verwendung auch stets mechanische Randparameter einer Überprüfung unterziehen.

Bilder: Fischer Elektronik

Der Einsatz von Strangkühlkörpern, die im direkten Strangpressverfahren hergestellt sind, klingt in der Theorie relativ einfach, bringt allerdings in der praktischen Anwendung einige Herausforderungen mit sich. Ein effektives thermisches Management für elektronische Bauelemente ist essentiell wichtig, um die Erwärmung der Bauelemente in einem gewissen Temperaturfenster zu halten, zumal die Entwicklung in der Halbleiterindustrie in den vergangenen Jahren kontinuierlich fortgeschritten ist. Viele Leistungshalbleiter haben neue Größenordnungen im Bereich der entstehenden Verlustleistungen erreicht, ohne dass die Abmessungen proportional zugenommen haben. Wo Entwickler aufgrund der mechanischen Abmessungen der Bauteile in der Anwendung an Platz sparen, stehen Schaltungstechniker vor der Herausforderung, pro Flächeneinheit deutlich mehr Verlustleistung abführen zu müssen.

Für spezielle Anwendungsfälle selbst entwickelte Fräs- und Bearbeitungswerkzeuge ermöglichen oftmals den Blick über den Tellerrand hinaus.

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er Einsatz elektronischer Bauteile in einem vom Hersteller nicht spezifizierten Temperaturbereich senkt unmittelbar deren Lebensdauer und führt zwangsläufig zu Fehlfunktionen in der schaltungstechnischen Anwendung oder gar zur Zerstörung des Bauteils. Um die Temperaturen in einem nach dem Herstellerdatenblatt vorgegebenen Fenster zu halten, kommen in der Praxis sehr häufig Strangkühlkörper zum Einsatz. Diese funktionieren nach dem physikalischen Wirkprinzip der freien natürlichen Konvektion, was durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik definiert ist. Kühlkörper aus Aluminium besitzen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und müssen zur Entwärmung der elektronischen Bauteile mit diesen optimal verbunden sein, um deren thermische Energie aufzunehmen und die Verlustwärme anschließend über die optimal angepasste Oberfläche des Kühlkörpers an die Umgebungsluft abzugeben. Reicht die freie Konvektion aufgrund der anfallenden Wärmemenge nicht aus, kommen für die forcierte Konvektion meist zusätzliche Lüftermotoren in Form von Lüfteraggregaten zum Tragen.

elektronik journal 07/2016

Thermische Widerstände anpassen Neben der richtigen Auswahl eines zur Applikation passenden Kühlkörpers mit dem perfekten Verhältnis aus Bodenstärke, Rippendicke, -höhe und -abstand gestaltet es sich darüber hinaus oftmals schwierig, die thermischen Widerstände zwischen dem zu entwärmenden Bauteil und dem Kühlkörper anzupassen oder zu reduzieren. Planebene Auflageflächen zur Bauteilmontage auf dem Kühlkörper sind für das Endergebnis der Entwärmungsleistung enorm wichtig und werden oft von den Herstellern der elektronischen Bauelemente gefordert und im dazugehörigen Datenblatt vorgegeben. Eine optimale wärmetechnische Kontaktierung bei der Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörper wird allerdings aufgrund der fertigungsbedingten Toleranzen der einzelnen Kühlkörperprofile erheblich erschwert. Verschiedene auf das Kühlkörperprofil zugeschnittene Wärmeleitmaterialien,

eck-Daten Stranggepresste Kühlkörper weisen herstellungsbedingte Toleranzen auf, die für eine optimale Entwärmung der montierten elektronischen Bauteile hinderlich sind. Abhilfe schafft die mechanische Nachbearbeitung mit modernen CNC-Fräsmaschinen.

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Wärmemanagement Kühlung

aber auch eine nachträgliche CNC-Bearbeitung bieten sich als sehr gute Lösungsmöglichkeit an. Bei der Herstellung von Kühlkörpern im direkten Strangpressverfahren, auch als Extrusionsverfahren bezeichnet, presst man das erwärmte Aluminiummaterial (Knetlegierung) durch eine in einer Werkzeugkassette enthaltene Matrize. Die durch dieses Herstellungsverfahren hervorgerufenen Toleranzen ergeben sich aus der Kühlkörpergröße und Beschaffenheit der Kühlkörpergeometrie. Sie sind aufgrund des Produktionsverfahrens besonders durch Höhen- und Breitentoleranzen, Durchbiegungen im Querschnitt (konvex/konkav) sowie durch Torsion in Längsrichtung bedingt. Die jeweils maximal zulässigen Toleranzfelder obliegen internationalen DIN-Normen, die die Strangpressprofile je nach umschreibendem Kreis klassifizieren. Extrusionsprofile mit einem umschreibenden Kreis von bis zu 350 mm sind in der DIN EN 12020-2 klassifiziert, während die Toleranzen von Profilen mit einem umschreibenden Kreis von mehr als 350 mm in der DIN EN 755 aufgeführt sind.

Auf Tauglichkeit überprüfen Der Kühlkörper ist oftmals eine im elektronischen Gerät verbaute Komponente, die in Zusammenhang mit anderen Bauteilen zu sehen ist. Daher ist es stets empfehlenswert, die genannten Toleranzfelder im Vorfeld in der Gesamtkonzeption zu berücksichtigen und auf Tauglichkeit zu überprüfen. Grundsätzlich gilt, dass je größer die Kühlkörperabmessungen, desto höher sind die Toleranzen und desto mehr fallen auch kleine Maßabweichungen ins Gewicht. Vielfach sind in den Herstellerdatenblättern für die Halbleitermontageflächen der Bauteile auf dem Kühlkörper Ebenheitswerte im Hundertstel-Bereich gefordert, die allerdings mit dem Strangpressverfahren alleine nicht zu realisieren sind. Abgesehen von den Restriktionen bei der Festlegung erforderlicher Toleranzfelder beim Kühlkörperdesign ist das Strangpresseverfahren zur Herstellung von Kühlköpern aus Aluminium die ers-

Die stetige Überwachung der einzelnen Produktionsschritte mit dazugehöriger Prozessoptimierung gehört zum Handwerkzeug reproduzierbarer Qualität.

te Wahl, da sich bei verhältnismäßig niedrigen Werkzeugkosten Kühlkörper mit sehr guten thermischen Eigenschaften in unterschiedlichen Abmessungen und Geometrien relativ einfach herstellen lassen.

Exakte mechanische CNC-Bearbeitung Aufgrund der vom Anwender benötigten Kühlkörpergeometrie mit der daraus resultierenden Materialanordnung können sich erhebliche Fertigungstoleranzen bezüglich der Durchbiegung der Montageflächen, aber auch der Breiten- und Höhentoleranz ergeben und bedürfen oftmals einer mechanischen Nacharbeit oder einer applikationsspezifischen Anpassung. Exakte Halbleitermontageflächen auf dem Kühlkörper sowie Außenabmessungen des Kühlkörpers in einem je nach Einbausituation vorgegebenen Toleranzbereich lassen sich mithilfe moderner und hochgenauer CNC-Bearbeitungszentren realisieren. Des Weiteren lässt sich die Eloxalschicht des bereits anodisierten Kühlköpers, je nach Positionierung der jeweiligen Bauelemente, an der Bauteilauflagefläche durch mechanische Nacharbeit wieder entfernen. Planebene Montageflächen auf dem Kühlkörper spielen bei der Optimierung von Wärmeübergangswiderständen eine signifikante Rolle, weshalb der präzisen CNC-Nacharbeit des Kühlkörpers besondere Aufmerksamkeit gebührt. Die mechanische Bearbeitung im Bereich der Auflageflächen der einzelnen zu entwärmenden Bauteile sollte idealer-

Leistungs- und Shunt-Widerstände

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Wärmemanagement Kühlung

Aktive Entwärmungssysteme in Form von Lüftergaggregaten bewirken gegenüber der natürlichen Konvektion in punkto Wärmeableitung eine erhebliche Leistungssteigerung.

Verschiedenartige Strangkühlkörper aus Aluminium liefern zur Entwärmung elektronischer Bauelemente hervorragende Lösungsmöglichkeiten.

weise keine Fräskanten oder gar Fräsabsätze verursachen. Diese können auf der Montagefläche am Kühlkörperboden entstehen, wenn die Kühlkörperbreite größer ist als das verwendete Fräswerkzeug und man somit die Gesamtfläche in mehreren Bahnen planfräsen muss. Solche Fräsabsatzkanten liegen zwar nur im Tausendstel-, maximal im Hundertstel-Millimeterbereich, können aber im ungünstigsten Fall den Wärmeübergang oder bei der Verwendung einer zusätzlichen Keramik die Montage der elektronischen Bauelemente negativen beeinflussen. Zur Vermeidung jeglicher Beeinträchtigungen oder bei dekorativen Ansprüchen empfiehlt es sich, auf der dazugehörigen Fertigungszeichnung die in Frage kommenden Bereiche inklusive der Bauteilposition und -größe sowie die erforderliche Ebenheit anzugeben. Innovative Maschinentechnologien und die dazugehörigen Bearbeitungswerkzeuge ermöglichen es auch, die komplette Auflagefläche des Kühlkörpers in einer Bahn plan zu fräsen. Die anschließende Aufbringung einer besonderen Schutzfolie verhindert ein Zerkratzen der bereits bearbeiteten Oberfläche. Ein speziell angefertigter und ausreichend großer Fräskopf sowie die Tragfähigkeit der eingesetzten Spindel in der CNC-Maschine spielen bei der Umsetzung der geforderten Toleranzen eine wesentliche Rolle. Zu den weiteren Kriterien der mechanischen Bearbeitung gehört die exakte und einfache Ausrichtung des Kühlkörpers auf der Maschine durch eine genaue und zuverlässige Spanntechnik. Das als Nullspannsystem bezeichnete Schnellspannsystem verkürzt die Rüstzeiten immens und gewährleistet eine exakte Ausrichtung der zu bearbeitenden Kühlkörper, was gerade bei kleineren Serien oder bei Prototypen sehr wichtig ist.

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Soweit kundenseitig keine speziellen Anforderungen beziehungsweise Toleranzen auf der Zeichnung spezifiziert sind, gelten bei einer mechanischen Bearbeitung, wie zum Beispiel beim Konturfräsen oder Bohrungen einbringen, üblicherweise die Allgemeintoleranzen nach DIN ISO 2768 mit der mittleren Toleranzklasse m. In der genannten Bearbeitungsnorm sind symmetrische Grenzabmessungen für Längenund Winkelmaße sowie Allgemeintoleranzen für Form und Lage aufgeführt. Je nach Kühlkörpergeometrie und Bearbeitungsgrad kann man die mit m gekennzeichnete Toleranzklasse auch in der Toleranzklasse f für fein oder c für grob ausführen.

Bearbeitungstoleranzen prüfen Bei der Verwendung extrudierter Strangkühlkörper sollte man vor der Anwendung mögliche Kühlkörperund mechanische Bearbeitungstoleranzen in der Gesamtapplikation prüfen. Bei einer plan gefrästen Montagefläche für die elektronischen Halbleiter kann die Bodenplatte des Kühlkörpers durch den Materialabtrag dünner werden, und die Gewindetiefen können sich reduzieren. Mit modernen 3D-Messmaschinen erfolgt eine fertigungsbegleitende Produktionsund Qualitätsüberwachung, die das Bearbeitungsportfolio abrundet und reproduzierbare Kundenwünsche und -anforderungen erfüllt. (pet) n

autor

Jürgen Harpain Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik.

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238ejl0716 www.elektronik-journal.de

Wärmemanagement Highlights

KomFortZone FÜr heisse umrichter

Rittal hat die Weiterentwicklungen des Luft-/Wasser-Wärmetauschers Liquid Cooling Package (LCP) Industrie vorgestellt. Steuerungs- und Schaltanlagenbauer sowie Anwender von Maschinen und Anlagen sollen durch mehr Flexibilität und Energieeffizienz der Kühllösung profitieren. Das LCP Industrie eignet sich, um ganze Schaltschrankreihen zu klimatisieren. Ist der Luft/Wasser-Wärmetauscher

in der Mitte einer Schaltschrankreihe installiert, wird die Kühlluft nach beiden Seiten in die Schaltschränke eingeblasen. Mit einer Kühlleistung von bis zu 10 kW lässt sich zum Beispiel die Kühlung von Frequenzumrichtern realisieren. Den Klimaschrank mit einer Breite von 30 cm können Anwender dabei in das Anreihschrank-System TS von Rittal integrieren. Im LCP sind jetzt Aussparungen vorgese-

Bild: Rittal

upgrade von rittals lpc LCP Industrie ist ein System zur flüssigkeitsbasierten Kühlung von Leistungselektronik.

hen, durch die sich Sammelschienensysteme und Kabel führen lassen. (jck/ah) n

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moBile messtechniK FÜr eine sichere Fehlersuche

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turbereich von -25 bis 150 °C dar. Ein integrierter Laser und ein Fadenkreuz helfen, die richtigen Elemente ins Blickfeld zu rücken. Die Messzange erfasst Ströme bis 600 A sowie Spannungen bis 1000 V. Eine integrierte Arbeitsbeleuchtung erhellt dunkle Schaltschränke. Funktionen wie Echteffektivwert, LoZ, VFD-Modus, Anlaufstrom oder der Dioden-/Halbleitertest erleichtern die Messung. Mit dem Flex-Zubehörset lässt sich der Messbereich auf bis zu 3000 AAC erweitern. (jwa) n

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Conrad Business Supplies hat eine neue Thermografie-Stromzange CM174 von FLIR Systems im Sortiment aufgenommen. Sie bietet mit IGM (Infrared Guided Measurement) eine sichere Messmethode ohne direkten Kontakt mit gefährlichen Leitungen, um Hotspots über Wärmebildtechnik ziu erfassen. Ausgesattet mit einem Lepton-Wärmebildsensor von FLIR und einem 2-Zoll-FarbTFT-Display lassen sich gefährliche und unbekannte Problembereiche sicher lokalisieren. Die Strommesszange erfasst ein Sichtfeld von 38,6 Zoll × 50 Zoll und stellt ein Wärmebild im Tempera-

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Mit der Thermografie-Stromzange FLIR CM174 lassen sich schwer zu lokalisierende Störungsquellen einfacher und sicherer aufspüren.

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Ob elektrostatische Entladung durch Blitzeinschlag oder das Anlegen von Signalspannungen ohne Betriebsspannung: Die Schäden am Endgerät ohne hinreichenden Schutz durch EOS TVSs können die gleichen sein.

stressfaktor spannung Silizium-basierende Suppressordioden schützen ICs vor Überlast Der Trend zu höherer Packdichte und niedrigerer Spannungsversorgung macht integrierte Schaltungen zugleich anfälliger gegen Überlastung. Electrical Overstress Transient Voltage Suppressors (EOS TVS) schützen ICs zwar davor, allerdings mussten Entwickler bei der AusAutor: Falko Ladiges wahl der diskreten Bauteile bisher immer Kompromisse eingehen.

D

ie gestiegenen Anforderungen und Funktionalitäten von Endprodukten bedeuten für integrierte Schaltungen neben niedrigeren Versorgungsspannungen auch die Steigerung von Komplexität, Funktionalität und Dichte. Mögliche Beschädigungen der ICs durch elektrische Überlast (Electrical Overstress, EOS), elektrostatische Entladung (Electro Static Discharge, ESD), schnelle Transienten (Electrical Fast Transients, EFT) oder Kabelentladungen (Cable Discharge Event, CDE) bleiben daher nicht aus. Wie lässt sich also der Teufelskreis aus verbesserter IC-Performance, gesteigerter Effizienz und der damit einhergehenden Anfälligkeit für potentielle EOS-Schäden durchbrechen? Electrical Overstress Transient Voltage Suppressors (EOS TVS) eignen sich gut, um ICs mit sehr kleiner Packdichte und Versorgungsspannung zu schützen. Deren Performance muss sich den Entwicklungen und neuen Anwendungen ständig anpassen, um ein hohes Maß an Schutz gewährleisten zu können. Ein signifikanter Treiber für ihre ständige Weiterentwicklung ist die immer höher werdende Datenrate der neuen Endgeräte, woraus sich wiederum eine Problematik ergibt.

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Bilder: WDI

Passive + E-Mechanik Schutz

elektronik journal 07/2016

Bei 0,6 pF ist Schluss Im Gegensatz zu anderen Kleinsignal-Diskreten können EOS TVSs nicht in das IC integriert werden. Vielmehr geben Konstruktionsbeschreibungen die Platzierung der Bauteile vor: so weit wie möglich entfernt vom zu beschützenden IC und möglichst nah am Eingang von Schaltungen, um dort bereits EOS entgegenzuwirken. Also zum Beispiel am Geräteeingang eines Smartphones. Für gewöhnlich werden EOS TVSs zwischen Datenleitung und Erdung oder zwischen einer Spannungsschiene und Erde platziert. Erhöhen sich die Datenraten, reduziert sich die Impedanz der EOS TVSs aufgrund der Bauteilekapazität, gemessen in Picofarad (pF). Diese geringere Impedanz hat einen negativen Einfluss auf Signalintegrität und Amplitude und leitet das Signal direkt zur Erdung ab. Als Lösung für die gestiegenen Datenraten muss also die Kapazität der EOS TVSs verringert werden. Doch was noch vor wenigen Jahren als niedrig kapazitives Bauelement galt, wird heute schon als hochkapazitives Bauteil angesehen und ist in vielen aktuellen Datenprotokollen nicht mehr einsetzbar. Für Datenraten ab USB 3.0, also mehr als 5 GBit/s, kommen nur noch EOS TVSs mit einer maximalen Kapawww.elektronik-journal.de

Passive + E-Mechanik Schutz

eck-Daten

Mit einer Bauhöhe von nur 0,5 mm lässt sich der zehnpolige E-Guard0524P gut integrieren.

Die schnellere Übertragung immer größerer Datenpakete erfordert einen zuverlässigen Schutz gegen elektrische Überlast, kurz EOS. Entsprechend groß ist die Herausforderung, die richtigen Schutzbauteile für Anwendungen zu finden, ohne dabei Kompromisse bei der Leistung einzugehen und dennoch die mechanischen Anforderungen für immer kleinere Anwendungen zu erfüllen. Diese Kombination ist SMC Diode Solutions mit der neuen Serie EGuard und den beiden zurzeit erhältlichen Versionen EGuard0522P (sechs Pins) und E-Guard0524P (zehn Pins) gelungen. Die Transient Voltage Suppressors schützen zwei beziehungsweise vier I/Os und messen dabei gerade einmal 1,45 x 1,0 x 0,58 mm3 beziehungsweise 2,5 x 1,0 x 0,5 mm3. Sie schützen Highspeed-Datenleitungen nach • IEC 61000-4-2 (ESD) ±17 kV (±15 kV) (Luft), ±12 kV (±8 kV) (Kontakt) • IEC 61000-4-5 (Blitz) 7 A (5 A)(8/20 μs) sowie • IEC 61000-4-4 (EFT) 40 A (5/50 ns) und finden Anwendung in HDMI-, DVI-, Displayport- und eSATA-Interfaces sowie in MDDI Ports und PCI Express.

zität von 0,6 pF zum Einsatz. Werte darüber haben eine unakzeptable Signaldämpfung zur Folge. Zusätzlich zur niedrigen Kapazität ist ein sehr enges Klemmverhältnis unbedingt notwendig. Dieses ergibt sich aus der Berechnung, wie nah der EOS an der maximal erlaubten Spitzenspannung abgesichert wird, in Relation zur Gegenspannung des Bauteils (normale Arbeitsspannung der Schaltung). Im Idealfall wären die Klemmspannung Vc und die Gegenspannung V RWM gleich. In der Realität jedoch ist Vc grundsätzlich höher als V RWM und in manchen Anwendungen ist Vc/V RWM sogar größer als 4.

Große Anforderungen an ein kleines Bauteil Die Suche nach EOS TVSs mit dem kleinstmöglichen Vc/V RWM-Verhältnis ist aber nur die halbe Miete. Beim Gehäusedesign von Bauteilen spielen die Abmessungen und insbesondere die Bauhöhe eine immer größere Rolle, denn Endprodukte verlangen nach ultradünnen IC-Gehäusen. Aufgrund der verschiedenen Technologien und Materialien sind viele EOS TVSs nicht gerade gut für eine niedrige Bauform geeignet. Mit Silizium-basierenden Bauteilen lassen sich, bedingt durch die Konstruktion des dünnen Siliziumchips parallel zur Leiterplatte, sehr dünne Gehäuseformen realisieren. Aktuell bieten bereits einige Hersteller verschiedene Bauteile mit Gehäusehöhen von unter 0,4 mm an. Und schließlich gilt es noch, die Leistungsfähigkeit eines EOS TVS im Verhältnis zu Standby-Leistung und Blindstrom abzuwägen. Es ist sehr gut möglich, dass ein EOS TVS während der Lebensdauer der zu schützenden Schaltung nur ein- oder zweimal in Aktion treten muss, um unerwünschte Überbelastungen zu verhindern. Die Frage ist, was er die anderen 99,9 % der Zeit macht? Hofwww.elektronik-journal.de

fentlich nichts. Idealerweise ist die Suppressordiode in der Schaltung komplett unsichtbar und konsumiert keinen Strom. In der Realität jedoch kommt es selbst im Leerlauf zu geringen Blindströmen. Weil dieser Verluststrom zu Ineffizienz beim Energieverbrauch des Endgerätes führt, versucht man EOS TVSs mit möglichst geringem Standby-Leistungsverbrauch auszuwählen.

Qual der Wahl Die unterschiedlichen Technologien, Gehäuseformen und natürlich auch die Kosten bieten diverse Entscheidungsmöglichkeiten bei der Auswahl. Leider erfüllt keines der Bauteile alle wünschenswerten Voraussetzungen hinsichtlich Kapazität, Klemmverhältnis, maximaler Energie, Standby-Leistung und Bauhöhe optimal. Es gibt jedoch inzwischen neue Bauteile, die Entwicklern nur noch wenige Kompromisse abverlangen und gleichzeitig den kritischen Designvorgaben gerecht werden. SMC Diode Solutions hat in den Silizium-basierenden EOS TVSs der Serie E-Guard die kritischen Eigenschaften ultra-niedrige Kapazität, sehr enges Klemmverhältnis und niedriger Blindstrom in einem sehr flachen Gehäuse vereint. (il) n

autor

Falko Ladiges Produktmarketing Pemco bei der WDI AG in Wedel.

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101ejl0716 elektronik journal 07/2016

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Passive + E-Mechanik Relais

und es hat klick gemacht Trennrelais für Hochvolt-Ladesysteme

Bilder: NPanasonic

Für Ladestationen ist eine galvanisch trennende Schaltfunktion vorgeschrieben, die in der Regel mit Relais realisiert wird. Panasonic bietet dafür spezielle Leistungsrelais, erläutert konstruktive Details und erklärt, worauf es bei den unterschiedlichen LadeverAutor: B. Eng. Benjamin Miedl fahren ankommt.

Bild 1: Für die galvanische Trennenung bei unterschiedlichen Ladeverfahren bietet Panasonic spezielle Leistungsrelais.

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ie Bundesregierung unterstützt den Marktanlauf elektrischer Fahrzeuge mit einem Förderprogramm von über 300 Millionen Euro für den Kauf, Unterhalt und Betrieb von Ladeinfrastruktur. Die Elektromobilitätsziele Deutschlands setzen aber eine flächendeckende Ladeinfrastruktur voraus. Bis 2020 sind wenigstens 7000 Schnellladepunkte mit Leistungen größer als 22 KW (AC- oder DC-Ladung) und 28.000 Normalladepunkte mit Leistungen kleiner als 22 KW (AC bis 32 A) geplant.

Kabelgebundenes Ladeverfahren Die große Mehrheit an Ladestationen stellen aktuell die standardisierten konduktiven (kabelgebundene) Systeme dar. Die Norm IEC 61851-1 unterscheidet nach Lademodus 2, 3 und 4, je nach Installationsort und Betriebsart. Alle drei Modi schreiben eine elektrische Trennvorrichtung zwischen Energiequelle und Fahrzeug vor. Die Trennung erfolgt planmäßig durch Kommunikation zwischen Ladestation und Fahrzeug oder im AC-Fehlerfall

eck-Daten Die Norm IEC 61851-1 schreibt für Ladestationen eine galvanisch trennende Schaltfunktion vor, wofür sich das Leistungsrelais HE-S von Panasonic eignet. Zwei Schließer schalten jeweils 35 A Dauerstrom und verkraften kurzzeitig 250-A-Stromspitzen. Der integrierte invertierende Hilfskontakt ermöglicht auch im Fehlerfall bei verschweißten Hauptkontakten eine sichere Diagnose.

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elektronik journal 07/2016

durch Erkennung des Fehlerstroms, bei DC-Fehlern durch Auslösen einer Isolationsüberwachung. Die vorgeschriebene trennende Schaltfunktion lässt sich mit Leistungsrelais umsetzten: Elektrische Merkmale • Hohe Leistungsdichte durch hohes Schaltvermögen trotz kleiner Bauform • Beste Stromführungseigenschaften durch Kontaktwiderstände unter 3 mΩ • Effiziente Ansteuerung durch Spulenspannungsabsenkung (170 bis 300 mW) • Hohes Isolationsvermögen durch Luft- und Kriechstrecken größer 8 mm • Galvanische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis • Spannungsfestigkeit bis 10 kV zwischen Steuer- und Lastkreis • Stromspitzen bis 250 A verursacht vom Fahrzeugfiltersystem werden toleriert, können aber mit Vorwiderständen gemäß ISO17409 begrenzt werden. Mechanische Merkmale • Leiterplattendesign bis 90 A • Temperaturbereich -40 bis +85 °C • Schaltgeräusch kleiner 50 dB

Leistungsrelais mit integriertem Hilfskontakt Das Zwei-Schließer-Relais HE-S mit Abmessungen von 36 × 30 × 40 mm3 schaltet pro Kontakt 35 A. Eine Neuheit ist der integrierte invertierende Hilfskontakt. Das Ankersystem betätigt www.elektronik-journal.de

Passive + E-Mechanik Relais

Bild 2: Der integrierte Hilfskontakt ermöglicht eine zuverlässige Diagnose zum Schaltzustand des HE-S-Relais, auch bei verschweißten Kontakten.

neben den beiden Lastkontakten (Schließer-2 Form A) auch einen Signalkontakt (Öffner-1 Form B). Im Fehlerfall (bei verschweißten Hauptkontakten) behält der Signalkontakt eine Kontaktöffnung von mindestens 0,5 mm bei. Diese Funktion ist durch den VDE gemäß IEC 60947-4-1 für Spiegelkontakte zertifiziert. Der Entwickler enthält somit als Mehrwert eine Diagnosefunktion des Relaiszustandes ohne aufwendige Zusatzschaltungen. Die HE-Relais (inklusive des Spitzenmodells HE-S mit Rückmeldekontakt) sind prädestiniert für den Einsatz in Ladestationen im öffentlichen und privaten Bereich bei sogenannten Wall-Boxen mit Ladeleistungen bis zu 22 kW beziehungsweise 43 kW gemäß IEC Spezifikation. Sie erfüllen die spezifizierten Daten auch bei langen Ladezeiten und Umgebungstemperaturen bis +85 °C.

Lademodus 2 – Im Kabel integrierte Schaltfunktionen Für diesen Lademodus schreibt die Norm IEC 62752 für eine im Kabel integrierte Steuerbox vor, wie das Schalten der Ladeleistung, die Fehlerstromschutzerkennung (Typ A oder B) und eine Pilot-Kommunikation zwischen Fahrzeug und Kontrollbox erfol-

gen müssen. Das Ladekabel wird im Fahrzeug mitgeführt und kann an eine haushaltsübliche Schuko-Steckdose bis 16 A oder an eine CEE-Steckdose bis 32 A angeschlossen werden. Somit sind keine Investitionen für eine spezielle Ladetechnik nötig, allerdings ist die maximal übertragbare Leistung nach IEC 62752 im Drei-Phasen-System mit 32 A auf 22 KW begrenzt.

Lademodus 3 – Ladestation oder Wall-Box-System Die Ladung an einer fest installierten Ladevorrichtung mit Wechselstrom ist für Ladeströme bis 63 A (dreiphasig) sowie 70 A (einphasig) ausgelegt. Damit werden Ladeleistungen bis zu 43 kW erzielt. Die Investitionskosten sind verglichen mit aufwendigen DC-Systemen niedriger. Der Lademodus 3 ist in der Norm IEC 61851-1 spezifiziert. Ihm kommt bei der Umsetzung der öffentlichen Ladestruktur aufgrund der günstigen Kosten-Nutzen-Relation große Bedeutung zu, denn er erlaubt bei typischen Batteriekapazitäten von 30 kWh im mittleren Preisniveau eine – theoretisch – vollständige Ladung innerhalb einer Stunde. Flaschenhals für die Ladezeit ist bei

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Passive + E-Mechanik Relais

Spulenansteuerung

Signalkonktakt 1FormB

Logische Verknüpfung

Variable A

Variable B

A_B

Zustand Relais

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1

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ok Lastkontakt verschweißt oder fehlerhafte Kontaktgabe Rückmeldekontakt

0

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0

1

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1

ok

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1

0

Signalkontakt verschweißtt

Tabelle: Schaltzustände des HE-S Relais als Wahrheitstabelle.

Bild 3: Für sämtliche Ladeverfahren bietet Panasonic unterschiedliche Leistungsrelais mit Schaltströmen von 32 AAC bis 300 ADC.

vielen Elektrofahrzeugen das verbaute Ladegerät, welches die Ladeleistung häufig auf 7,4 kW begrenzt und somit eine Nachladedauer von mehreren Stunden bewirkt.

Lademodus 4 – DC-Schnellladen Auf den ersten Blick bietet diese Lösung nach Norm IEC 6185123 durch kurze Ladezeiten unter 30 Minuten (auch bei Batterien größer als 50 kWh) beträchtliche Vorteile. Das für die AC/DCKonvertierung notwendige Ladegerät befindet sich in der Ladestation und nicht im Fahrzeug. Das bedeutet fahrzeugseitig reduzierte Gewichts- und Systemkosten und auch der Fahrzeugkunde spart unmittelbar Ladegerätkosten. Der Investitionsaufwand für DC-Ladestationen (Spannungen bis 800 V, mehrere hundert Ampere Strom, Kommunikation mit dem Batteriemanagementsystem) ist verglichen mit AC-Systemen deutlich höher. Dies gilt ebenfalls für die Schaltelemente (Relais). Anders als beim Wechselstrom fehlen beim Gleichstrom die Nulldurchgänge, weshalb der Schaltlichtbogen aufwendig und sicher gelöscht werden muss, zum Beispiel mithilfe von Magneten, Löschelektroden und Schutzgasen. Der Spezialist Panasonic bietet im Bereich Hauptbatterietrennung Battery Disconnect Units (BDU) in Form von EV- und EP-Relais in einem hermetisch dichten Gehäuse an, die DC-Spannungen bis 400 V und DCStröme bis 300 A schalten können. Sie ermöglichen hohe Schutzgrade sowie ein hohe Verfügbarkeit im Hochvoltumfeld.

Induktives Ladeverfahren Kabelgebundene Systeme haben verschiedene Nachteile wie das hohe Gewicht durch große Stecker und dicke Leitungsquerschnitte, die Handhabung bei schlechtem Wetter (Nässe, Kälte, Schnee) und die potentielle Stolpergefahr.

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Die kontaktlose Energieübertragung arbeitet als zweigeteilter Transformator, angesteuert von Leistungselektronik im Frequenzbereich bis mehrere hundert Kilohertz. Die Übertragung erfolgt durch magnetische Kopplung zwischen stationärer Primärspule in der Bodenplatte und entsprechender Sekundärspule auf der Fahrzeugseite. Das Trennrelais wird üblicherweise im vorgelagerten 50-Hz-AC-Stromkreis zur Schaltung der Energieversorgung genutzt. Für Ladeleistungen bis 22 kW kann das HES-Relais zum Einsatz kommen, Systeme mit höherer Leistung lassen sich mit dem HE-Y6-Relais realisieren. Die hohen Betriebsfrequenzen der induktiven Energieübertragung (etwa 20 bis 360 kHz) bewirken auf allen beteiligten elektrischen Leitungen den sogenannten Skin-Effekt. Dieser beschreibt eine Stromverdrängung und damit Verringerung der wirksamen Leitungsquerschnitte. Auch Relais, Leiterplattenanschlüsse und Kontakte sind davon betroffen. Der effektive Durchgangswiderstand erhöht sich, womit auch die Verlustwärme zunimmt. Erste Messungen mit Kleinsignalen und Frequenzen bis 160 kHz haben einen Anstieg im Bereich Faktor 2 bis 3 gegenüber Durchgangswiderständen bei 50 Hz gezeigt. Beim Einsatz von Relais in diesem Frequenzbereich unterstützt Panasonic durch sein Applikationsteam.

Herausforderungen der induktiven Ladetechnologie Insbesondere die Positionierung, also der Versatz und Abstand von Sender und Empfänger, ist kritisch und führt bei Abweichungen zu relevanter Minderung der Leistungsübertragung. Die hohen Frequenzen und gleichzeitig hohen Leistungen bewirken erhebliche elektromagnetische Emissionen. Die Normierung zur induktiven Ladung hat noch keine verabschiedeten Standards hervorgebracht, allerdings beschäftigen sich mehrere Arbeitsgruppen auf IEC- und UL-Ebene mit einer einheitlichen Festlegung. Die globalen Vorhaben zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes im Verkehrssektor sind Motor der Weiterentwicklung bestehender Systeme und Ladetechnologien. Damit erschließt die Ladung von Elektrofahrzeugen neue Marktsegmente für elektrische und elektromechanische Bauteile und Anlagen. (jwa) n

autor

B. Eng. Benjamin Miedl Applikationsingenieur im Bereich Elektromobilität für Leistungsrelais bei Panasonic Electric Works Europe

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Passive + E-Mechanik Highlights

datenübertragung in der fabrik, im auto und in der telekommunik ation

neue usb-c-steckverbinder-serie von molex Ultra­High­Definition­TV­Systemen. Molex USB­C­Anschlüsse und ­Kabel USB­C ist mit dem neuesten USB erfüllen Anforderungen für eine breite 3.1­Protokoll kompatibel und über­ Palette von Elektronikanwendungen in trägt Signale mit einer viel höheren Computing­, Consumer­, Kommunika­ Geschwindigkeit als frühere Versio­ tions­, Automatisierungs­ und Automo­ nen. Darüber hinaus sind die Stecker tivemärkten. RS Components (RS) hat klein, leicht und beidseitig einsteckbar, seine wachsende Palette an USB­C­ was ihre Ver wendung erheblich Lösungen um das neue Molex USB­C­ ents erleichtert. Anschlusssortiment erweitert. Ergän­ Bild: RS Compon Die neue Molex­Palette umfasst zend kommen konfektionierte Kabel USB­C­Anschlüsse und Kabelkonfek­ hinzu. tionen, welche eine Adaptierung von älteren Anschlüssen mit USB­Typ­C oder USB­C, ist die nächste Generation des USB­ USB 3.1 und 2.0­Protokoll an USB­C­Geräte ermöglichen. Die Stecker­Standards (Universal Serial Bus). Bereits als Multifunk­ Molex USB­C­Produkte umfassen: USB 2.0 und 3.1 Kabelkon­ tionskomponenten entwickelt, sind USB­C­Anschlüsse in der fektionen (USB­C auf USB­A); USB 3.1 Kabelkonfektionen (USB­ Lage, je nach Anwendung verschiedene Rollen erfüllen: Sie kön­ C auf USB­C). RS wird auch weiterhin sein Angebot an USB­C­ nen als Standard­USB­Anschlüsse dienen, um Peripheriegeräte Produkten ausbauen. (jwa) wie Kameras, Drucker, Tastaturen oder Mäuse mit PCs, Tablets n oder Mobiltelefonen zu verbinden. Als Strom­ oder Video­ Anschlüsse genutzt sind sie kompatibel mit den neuesten 4K­ infodirekt 814ejl0716

Bild: Murata

mlcc-kondensatoren Murata kündigt den nach eigener Einschät­ zung weltweit ersten 100 V/10 µF MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor ) im EIA­ F o r m a t 1 2 10 m i t Mit 10 µF und 100 v ersetzt der winzige Maßen von 3,2 x 2,5 Mlcc bisherige parallele sMd­Konden­ mm an und durch­ satoren bricht damit die bishe­ rige Kapazitätsgrenze von MLCCs von 4,7 µF. Die GRM­Serie entspricht der Toleranzklasse K (±10 %), hat die Tempera­ turcharakteristik X7S und arbeitet bei Betriebstemperaturen bis 125 °C. Der Baustein eignet sich insbesondere für die Verwendung in Netzteilen mit 48 V DC, wie sie in Netzwerken und Basisstationen zum Einsatz kommen. In der Vergan­ genheit wurde die für solche Anwendungen benötigte Kapa­ zität durch die Verwendung mehrerer Kondensatoren von je 2,2 µF und 4,7 µF realisiert. In heutigen Designs mit ihren beengten Platzverhältnissen besteht jedoch verstärkt die Notwendigkeit, die Zahl der Kondensatoren zu verringern. Darüber hinaus werden hier Kondensatoren mit einer Nenn­ spannung von 100 V benötigt. (jwa) n

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Passive + E-Mechanik Umrichter

Komplettlösung für e-mobility- und industrieanwendungen Referenzdesign für Umrichter Infineon Technologies und TDK haben eine Komplettlösung für Umrichter entwickelt, die im Bereich Elektromobilität sowie in Industrieanwendungen zum Einsatz kommen. Auf dieser Basis können Entwickler Antriebskonzepte ohne großen Aufwand schnell und einfach realisieren und testen. Autor: Wolfgang Rambow

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ährend elektrische Antriebe für Industrieanwendungen meist Asynchronmotoren enthalten, kommen bei Antrieben für den Automobilbereich permanentmagnetisch erregte Synchronmotoren zum Einsatz. Bei Motoren für beide Anwendungsbereiche begrenzen die Hersteller den maximal zulässigen Spannungsanstieg (dU/dt) an den Inverterklemmen gemäß IEC 60034-18-41 auf rund 5 kV/µs. Grund für diesen Grenzwert ist die Isolationsfestigkeit der Motorwicklungen. Beim Inverterbetrieb von Motoren treten, bedingt durch die parasitären Kapazitäten der Wicklungen in Verbindung mit dem Spannungsanstieg des Inverters, hohe Ableitströme gegen Masse auf. Diese können zur Funkenbildung in den Lagern und zur Oberflächenerosion führen und so die Lebensdauer der Lager stark begrenzen. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, arbeiten die Leistungshalbleiter der Inverter mit Schaltfrequenzen im Bereich von 4 bis 15 kHz. Durch die benötigte Flankensteilheit bei den Schaltfrequenzen führt dies dazu, dass Harmonische mit großer Amplitude im Frequenzbereich um 1 MHz auftreten. In Anwendungen für den Automobilbereich bewirkt dies Störungen im Mittelwellenband (526,5 bis 1606,5 kHz), die den Radioempfang im Auto nahezu unmöglich machen.

Bilder: Epcos

IGBT-Module mit sechs DC-Anschlüssen

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Damit Anwender auf einen motorschonenden und EMV-gerechten Inverter zurückgreifen können, haben Infineon und TDK Schlüsselkomponenten neu entwickelt, sorgfältig aufeinander abgestimmt und die bisherigen IGBT-Module Hybrid-Pack HP1 verbessert. Neben der IGBT3-Chipgeneration mit erhöhter Durchbruchspannung von 705 V enthalten die Module statt bisher zwei nun sechs DC-Anschlüsse (Bild 1). Zusammen mit dem modifizierten DC-Link-Kondensator von Epcos konnten die Entwickler dadurch den ESL-Wert im DC-Link-Kreis von typisch 30 auf rund 15 nH nahezu halbieren. Dementsprechend verringert sich die erzeugte Überspannung beim Abschalwww.elektronik-journal.de

Passive + E-Mechanik Umrichter

ten der IGBTs unter vollem Nennstrom (400 A) von 500 auf 420 V (Bild 2). Durch die vier zusätzlichen DC-Anschlüsse erhöht sich die Stromtragfähigkeit des IGBT-Moduls in Verbindung mit der Stromschiene am DC-Link-Kondensator. Damit ist das Modul Hybrid-Pack-DC6 auch für künftige IGBT-Technologien mit höherer Stromtragfähigkeit gerüstet. Bestehende Anwendungen mit dem Hybrid-Pack1 mit zwei DC-Anschlüssen sind mit der neuen Variante einfach in ihrer Leistungsfähigkeit erweiterbar, da die Abmessungen weitgehend identisch sind. Die Vorgängerversion Hybrid-Pack1 mit zwei DCAnschlüssen erreicht durch eine im Modulgehäuse befindliche Stromschiene einen sehr kompakten Aufbau. Aus Gründen der Kompatibilität wurde dies auch bei der neuen Version beibehalten. Durch eine äußere Stromschiene lässt sich der Strom in der DC-Versorgung des Moduls aufteilen und so eine bessere Ausnutzung erreichen. In Bild 2 (rechts) ist bei Nennstrom der Strom von 400 A durch die innere Stromschiene dargestellt.

Flachwickelvariante mit 380 µF (B25655P4387J). Beide Kondensatortypen sind jeweils mit oder ohne direkte Anbindung an einen EMV-Filter erhältlich.

Hochvolt-DC-Filter für elektrische Fahrzeugantriebe TDK hat auch eine Serie von Zweileiter-HochvoltGleichstromfiltern entwickelt, die speziell auf die Anforderungen elektrischer Antriebe für Fahrzeuge zugeschnitten ist. Damit lassen sich auch die EMVForderungen gemäß UN ECE Regulation No. 10 – Rev.5 erfüllen. Die Hochvolt-DC-Filter der Serie P100316 (Bild 4) sind für eine maximale Spannung von 600 V DC ausgelegt und entsprechen damit den typischen Spannungen von Hochvoltbatterien. Die StromtragfähigBild 1: Das IGBTModul Hybrid-Pack1DC6 verfügt über sechs DC-Anschlüsse und ist für 705 V beziehungsweise 400 A ausgelegt.

Zwischenkreiskondensator Eine weitere Neuentwicklung ist der DC-Link-Kondensator B25655P4477J von Epcos (Bild 3), dessen Anschlüsse genau auf die Stromschiene des IGBTModuls abgestimmt sind. Es handelt sich hier um eine Weiterentwicklung der bisherigen Epcos-Kondensatoren für die Hybrid-Pack- und Easy-Serien von Infineon. Der Kondensator hat eine Kapazität von 470 µF und steht mit Nennspannungen von 450 oder 500 V DC zur Verfügung. Die Abmessungen betragen 154 x 72 x 50 mm3. Grundlage des platzsparenden Designs ist die PCCTechnologie (Power Capacitor Chip), bei der eine gestapelte Folie zum Einsatz kommt. Diese Technologie ermöglicht einen Füllfaktor des Kondensatorgehäuses von nahezu 1. Alternativ gibt es auch eine

eck-Daten Um Anwendern einen motorschonenden und EMV-gerechten Inverter anbieten zu können, haben Infineon und TDK Schlüsselkomponenten neu entwickelt, sorgfältig aufeinander abgestimmt und die bisherigen IGBT-Module Hybrid-Pack HP1 verbessert. Eine weitere Neuentwicklung ist der DC-Link-Kondensator B25655P4477J als Weiterentwicklung der bisherigen Epcos-Kondensatoren für die Hybrid-Pack- und Easy-Serien von Infineon.

Bild 2: Deutliche Senkung der Überspannung. Geringere Spannungsspitzen beim Schalten schonen IGBT-Modul und Motor. www.elektronik-journal.de

elektronik journal 07/2016

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Passive + E-Mechanik Umrichter

Bild 3 (li.): Platzsparender Zwischenkreiskondensator. Dank PCC-Technologie ist ein Füllfaktor von fast 1 erreichbar. Bild 4 (re.): HochvoltDC-Filter P001316 für Automotive-Inverter. Die Anschlüsse sind so geformt, das sie sich direkt mit dem DC-Link-Kondensator verbinden lassen. Neben einem platzsparenden Design weisen die Filter eine geringe Induktivität und niedrige Übergangswiderstände auf.

Bild 5: Emissionen beim Einsatz des Hochvolt-DC-EMVFilters. Mit dem neuen EMV-Filter zwischen Batterie und Inverter reduzieren sich trotz des ungeschirmten Kabels die leitungsgebundenen Emissionen.

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keit der Filter liegt bei 150 oder 350 ADC, wodurch sich selbst Antriebssysteme mit Leistungen bis etwa 100 kW befiltern lassen. Der Gleichstromwiderstand liegt für alle Typen bei 0,05 mΩ, so dass auch bei hohen Strömen keine nennenswerten Verluste auftreten. Die Filter sind so wirksam, dass Entwickler auf geschirmte Leitungen zwischen Batterie und Inverter verzichten können (Bild 5). Dies bringt nicht nur Kosten- und Gewichtsvorteile, sondern sorgt auch für eine höhere Langzeitstabilität, da eine aufwendige und störanfällige Schirmanbindung entfallen kann.

Leitungsgebundene Emissionen senken Obwohl eine ungeschirmte Leitung zum Einsatz kam, ließen sich mithilfe der neuen Hochvolt-GleichstromEMV-Filter besonders die leitungsgebundenen Emissionen um bis zu 70 dB oder einen Faktor von 3000 reduzieren. Auch lassen sich bisher übliche EMVMaßnahmen in den einzelnen Systemkomponenten reduzieren. Aufgrund des geringen Gewichts und der kompakten Abmessungen von 186 x 65 x 65 mm3 und 121 x 52 x 52 mm3 eignen sich die Filter insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen. Neben Ausführungen mit genereller Gleichtaktunterdrückung sind auch Typen verfügbar, die im Langwellenspektrum zwischen 150 und 300 kHz eine hohe Filterwirkung aufweisen.

elektronik journal 07/2016

Ferritkerne verlängern Motorlebensdauer Am Ausgang des Inverters treten aufgrund der steilen Schaltflanken Spannungsspitzen auf, die sich durch die parasitäre Induktivität der Motorleitungen noch erhöhen können. Unter ungünstigen Umständen können die Spannungsspitzen zu Durchschlägen in den Motorwicklungen führen und diese zerstören. Gleichzeitig führt die Schaltfrequenz des Inverters zu einer höherfrequenten Beaufschlagung der parasitären Kapazitäten zwischen Wicklungen und Gehäuse (Massepotential) der Motoren. Dies wiederum führt zu Ableitströmen, die durch die Motorlager fließen und Funken verursachen können.

Ableitströme sinken Abhilfe schaffen Ferrit-Ringkerne am Ausgang des Inverters, durch die die Motorleitungen verlaufen. Durch einen verringerten dU/dt reduzieren sich auch die Gleichtaktstörungen. Zugleich sinken die Ableitströme auf ein unkritisches Niveau. Somit ist sichergestellt, dass die Störgrenzen der Klassen I und III eingehalten werden (Bild 6). TDK bietet Ringkerne der Serie B64290L mit unterschiedlichen Abmessungen und Ferritmaterialien an. Diese eignen sich jeweils für bestimmte Frequenzbereiche und Temperaturen und lassen sich auf jedes Antriebssystem abstimmen. Zu empfehlen sind Materialien wie T65, N30 und N87, die auch in Epcos-EMV-Drosseln enthalten sind.

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Passive + E-Mechanik Umrichter

Bild 6: Dämpfung von Gleichtaktstörungen. EpcosFerritkerne halten die Störgrenzen der Klassen I und III ein.

Treiberboard unterstützt Entwickler Darüber hinaus wurde ein Treiberboard für das Modul Hybrid-Pack1-DC6 entwickelt, das auf den bewährten Gatetreibern der Serie 1ED020I12FA2 von Infineon basiert und eine effiziente und EMV-gerechte Ansteuerung ermöglicht, um die Vorteile der neuen Konfiguration einfach umsetzen zu können. Mit dieser Lösung ist es erstmals gelungen, eine Leistungsendstufe, bestehend aus IGBT-Modul, DC-LinkKondensator, EMV-Filter und Gate-Ansteuerung,

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autor

Wolfgang Rambow Senior Director für Sales Reference Designs bei TDK.

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Mess- und Prüftechnik Smart-Meter

energieverbrauch messen Klarheit schaffen mit Stromnebenzählern

Bilder: LEM

Wer wissen möchte, welches Gerät, welcher Teilbereich eines Unternehmens oder welche Wohneinheit wann die meiste Energie verbraucht, sollte sich mit dem Thema Stromnebenzähler befassen und den Energieverbrauch selbst messen. So lassen sich Energiekosten den Verursachern zuweisen und Energiesparmaßnahmen umsetzen.

Bild 1: Eine intrusive Messmethode zur Ermittlung des Energieverbrauchs verlangt gegenüber der NIALM-Methode mehrere Multi- oder Single-Point-Nebenzähler und verursacht somit hohe Kosten.

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ufgrund der steigenden Energiekosten und der Tatsache, dass Behörden den Energieeffizienzstandard ISO50001 forcieren, möchten Unternehmen ihren Energieverbrauch selbst überprüfen beziehungsweise steuern und hohe Kosten zu Spitzenverbrauchszeiten vermeiden. Unternehmen mit mehreren Fertigungsstätten möchten zudem an Programmen der Energieversorger teilnehmen, die Sparanreize in Spitzenverbrauchszeiten bieten, um die elektrische Last zu bestimmten Tages- oder Nachtzeiten geschickt zu verteilen. Hierzulande können Verbraucher sogar Steuervorteile geltend machen, wenn sie Lastspitzen reduzieren. Damit Unternehmen Strategien zur Einsparung von Energie entwickeln können, sind sie auf Möglichkeiten zur Überwachung ihres Energieverbrauchs angewiesen.

Intrusives Messen ein No-Go Bei traditionell intrusiven Messmethoden müssten Unternehmen mehrere Multioder Single-Point-Nebenzähler installieren, die Ein- bis Drei-Phasen-Schaltkreise in jedem lastbezogenen Versorgungsschrank überwachen (Bild 1). Je nach Struktur des Betriebs kann sich die elektrische Verteilung in verschiedenen Versorgungsschränken im gesamten Gebäude befinden, was viele Nebenzähler in nächster Nähe erfordern würde. Diese Methode ist teuer und erfordert einen erheblichen Installations- und Wartungsaufwand. Eine andere Lösung, um verbraucherspezifische Daten zu erhalten, besteht darin, die Gesamtverbrauchsdaten am Haupttrennschalter aufzuteilen. Die kann mit der NIALM-Methode (Non-Intrusive Appliance Load Monitoring oder nicht-intrusive Lastüberwachung) erfolgen, die auf nur

einem Messpunkt und speziellen Signalverarbeitungstechniken basiert (Bild 1). Die NIALM-Methode zur Ermittlung der Aufteilung des Energieverbrauchs (Bild 2) arbeitet mit einer Reihe von statistischen Ansätzen sowie auf Basis von Verbrauchsdaten von Systemen und Geräten, um ein Signal für das gesamte Gebäude zu erhalten, ohne dass dazu Sensoren an jedem Stecker beziehungsweise Stromentnahmepunkt erforderlich sind.

Aufklappbare Stromwandler Der Energieverbrauch eines Gebäudes lässt sich mit aufklappbaren Stromwandlern der Serie ATO von LEM und anderer Hardware ermitteln (Bild 3). Die Lösung besteht aus drei Elementen: • Drei ATO Split-Core CT (aufklappbare Stromwandler) für das gesamte Gebäude: Eine elektrische Vorrichtung aus Ferritmaterial mit einer aufklappbaren Öffnung für das nicht-intrusive Umschließen elektrischer Leitungen im Hauptstromversorgungskreis des Gebäudes. • Ein NIALM-Nebenzähler, der den Energieverbrauch in Echtzeit ermittelt (Bild 2) und die Daten an einen Gateway überträgt. • Ein Gateway zum Datenempfang und zum Versenden der Verbrauchsdaten an Cloud-basierten Speicher. Der Gebäu-

Bild 2: Mit der NIALM-Methode lassen sich Informationen über den Energieverbrauch einzelner Geräte erheben.

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Mess- und Prüftechnik Smart-Meter

Bild 4: Die nach IEC 61869-2 zertifizierten Split-CoreWandler der Serie ATO mit teilbarem Kern ermöglichen die Messung von Wechselströmen bis 125 A.

Bild 3: Lösung zur Ermittlung des Energieverbrauchs in einem Gebäude, bestehend aus drei Stromwandlern und einem NIALM-Nebenzähler.

demanager kann somit Möglichkeiten finden, mithilfe einer Energiemanagement-Anwendung den Stromverbrauch zu senken. • Obwohl Ferritmaterialien für Stromsensoren seit Jahren zum Einsatz kommen, sind sie hinsichtlich Sättigung und magnetischer Permeabilität eher ungeeignet. Ihr Einsatz war daher bei niedrigen Frequenzen von 50/60 Hz nicht möglich. Weiterentwicklungen haben die Eigenschaften von Ferriten bei diesen Frequenzen verbessert. Die neuen Ferrite bieten bessere Permeabilität und eignen sich trotz ihrer niedrigen magnetischen Sättigung als Ersatz für FeSi- oder FeNiKerne in 50/60-Hz-Stromwandlern. Mit aufklappbaren Stromwandlern auf Basis der neuen Ferrite lassen sich ACMessungen im genannten Frequenzbereich durchführen. Die überarbeiteten Werkstoffe nutzen die Ferriteigenschaften

und ermöglichen bei niedrigen Primärströmen hohe Genauigkeit und Linearität.

Immun gegen Alterung Zudem bieten sie eine geringe Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangsströmen, was für die Messung der Wirkleistung oder Energie erforderlich ist. Der harte, kompakte Kern minimiert Luftspalte und ist, im Gegensatz zu anderen Materialien wie FeSi oder FeNi, nahezu immun gegen Alterung und Temperaturschwankungen. Enthalten sind die neuen Ferrite beispielsweise in den Split-Core-Wandlern der Serie ATO von LEM (Bild 4). Die Modelle der Serie ATO sind die einzigen aufklappbaren Stromwandler (CT), zertifiziert nach IEC 61869-2 und eine Nennspannungsausgang von 333 und 225 mV bei Nennstrom I Pr (Rated Nominal Current) bieten. Außerdem sind sie für die Genauigkeitsklassen 1 und 3 ausgelegt,

eck-Daten Stromnebenzähler auf Basis der nicht-intrusiven Lastüberwachung (NIALM-Methode) bilden zusammen mit aufklappbaren Stromwandlern der Serie AOT von LEM eine Lösung, mit der sich der Energieverbrauch in Gebäuden in Echtzeit ermitteln lässt.

die Maximalwerte für Verhältnis- und Phasenverschiebungsfehler vorschreiben. Welche Anforderungen die Norm IEC 61869-2 bei Genauigkeit und Phasenverschiebung stellt, zeigt Bild 5. So ist bei einem Primär-Nennstrom (I Pr) von 75 A (Genauigkeitsklasse 1) eine Genauigkeit von ±1 beziehungsweise ±3 % erforderlich. Diese Werte gelten für I Pr = 120 % beziehungsweise 5 %. Die Stromwandler der Serie ATO erfüllen diese Anforderungen. Der Gesamtprozentsatz korrekter Messungen mit Nebenzählern auf Basis des NIALM-Algorithmus beträgt etwa 80 bis 90 % – Tendenz steigend. Informationen zum Energieverbrauch können mit Nebenzählern auf Basis von Stromwandlern der ATO-Serie das Verbraucherverhalten beeinflussen und Einsparungen bewirken. Die Nebenzähler lassen sich aus der Ferne ansteuern und auslesen. Nachfrage/Angebot-Programme lassen sich auf dieser Grundlage umsetzen und validieren sowie Unklarheiten zwischen Versorgern und Verbrauchern vermeiden. (hb) n Der Artikel beruht auf Unterlagen von LEM.

Bild 5: Anforderungen der Norm IEC 61869-2 hinsichtlich Genauigkeit und Phasenverschiebung. www.elektronik-journal.de

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960ejl0716 elektronik journal 07/2016

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Mess- und Prüftechnik Drahtlos

die vierte industrielle revolution auf dem vormarsch

Bild fotolia: Neyro

drahtloses echtzeit­ temperaturmesssystem für die Fertigung

Bis 2020 will die deutsche Industrie jährlich 40 Milliarden Euro in Anwendungen von Industrie 4.0 investieren. Eine Möglichkeit für die geglückte Verknüpfung informations- und softwaretechnischer Systeme aus mechanischen und elektronischen Komponenten ist das hier vorgestellte echtzeitfähige drahtlose Temperaturmesssystem (WTMIA) für Fertigungsprozesse, die ein Temperaturprofil genau einhalten müssen. Autoren: Martin Kemmerling, Frederic Meyer, Dr. Michael Marx, Kai Grundmann

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enn Bauteile autark mit der Fertigungsanlage kom­ munizieren, technische Module eigenständig Repa­ raturen veranlassen und sich Maschinen, Sensoren, Mitarbeiter und industrieller Prozess intelligent vernetzen, dann ist von Industrie 4.0 die Rede. Smarte Analyseprozesse sollen Unternehmen und ganze Wertschöpfungsnetzwerke in Echtzeit steuern und optimieren. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in einer geglückten Verknüpfung informations­ und softwaretechnischer Systeme aus mechanischen und elektronischen Komponenten. Im Folgenden geht es um Konnektivität im Bereich Wireless Temperature Measurement for Industrial Applications (WTMIA).

Drahtlose Temperaturmessung Um die angestrebte Produktqualität zu erreichen, erfordern zahl­ reiche Fertigungsprozesse die genaue Einhaltung eines Tempe­ raturprofils. Für die Temperaturüberwachung lassen sich dabei meist problemlos Sensoren an den jeweiligen Messpunkten befes­ tigen und mit einem Kabel für die Stromversorgung zu verbinden. Wenn jedoch zum Beispiel versiegelte Kammern innerhalb des Produktionsprozesses keine Kabeldurchdringung erlauben, sich der zu messende Bezugspunkt bewegt oder die Umgebung kei­ ne sicherere Kabelverlegung erlaubt, ist eine Verdrahtung sehr aufwendig oder sogar unmöglich. An dieser Stelle setzt Wireless Temperature Measurement for Industrial Applications (WTMIA) an. Um die Integration eines derartigen Systems in einen rund­ laufenden Produktionsprozess mit vier hintereinander angeord­ neten Kammern geht im folgenden Beispiel.

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Systemarchitektur und Energiehaushalt Das Gesamtsystem besteht aus einer Basisstation (Bild 1) mit UHF­Funkfrontend und USB­Schnittstelle (optional LAN­ Schnittstelle/CAN/Profibus) zur Prozesssteuerung. Der Haut­ prozessor der Basisstation verwaltet das TDMA­Kommunikati­ onsprotokoll und das Systemhandling. Die Sensorknoten sind für einen Arbeitstemperaturbereich bis 125 °C ausgelegt und bestehen aus einem kleinen Mikrocontrol­ ler, einem Funkfrontend, Anpassnetzwerk, Wake­up­Empfänger und analogem Sensorfrontend für die Auswertung der verwen­ deten Thermoelemente Typ K (Bild 2). Die Auswahl dieser Kom­ ponenten erfordert besondere Sorgfalt. Drahtlose Sensorsysteme im Industrie­Umfeld müssen beschränkte Ressourcen effizient nutzen. Dazu zählt die zur Verfügung stehende Energie – und zwar unabhängig davon, ob sie von einer Batterie oder einem Harvester kommt. Bei drahtlo­ sen Sensoren muss die Batterielebensdauer möglichst lang sein. Wird die Energie per Harvesting aus einer Temperaturdifferenz

eck-daten Das Fraunhofer-Institut IMS hat ein Kommunikationsprotokoll für ein drahtloses Temperaturmesssystem entwickelt, dass sich durch deterministische und echtzeitfähige Datenübertragung auszeichnet. Das vorgestellte WTMIA-System lässt sich in einen rundlaufenden Produktionsprozess integrieren und gewährleistet die Einhaltung eines vorgegebenen Temperaturprofils.

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gewonnen, ist der für den Betrieb des Sensors erforderliche Leis­ tungsbedarf zu minimieren. Ein erheblicher Teil der benötigten Energie entfällt auf den für die Datenübertragung verwendeten Transceiver. Mit Reduzierung der Funkrate von 1 auf 0,2 Hz lässt sich die Lebensdauer von 373 Tagen einer 7500­mAh­Batterie mehr als verdoppeln. Der Transceiver sollte daher die über­ wiegende Zeit in einen Schlafmodus mit einer zu vernachlässi­ genden Stromaufnahme verharren. Beim hier vorgestellten System ist der Transceiver nur wenige Millisekunden pro Sekun­ de aktiv geschaltet. In Industrieumgebungen mit einer großen Anzahl von Mess­ punkten und somit einer Vielzahl drahtloser Sensoren pro Fläche gilt es, eine weitere Ressource effizient zu nutzen: das zur Ver­ fügung stehende Frequenzspektrum. Daher verbieten sich beim Design des Kommunikationsprotokolls einfache Medienzugriffs­ verfahren wie zum Beispiel reines Listen­before­Talk von selbst, da solche Verfahren eine zu geringe Ausnutzung der bereitste­ henden Bandbreite erreichen.

Bilder: Fraunhofer-Institut IMS

Mess- und Prüftechnik Drahtlos

bild 1: blockschaltbild der basisstation. das gesamtsystem besteht aus basisstation mit uhF­Funkfrontend und usb­schnittstelle.

Deterministische Datenübertragung Das vorgestellte drahtlose Messsystem verwendet ein am Fraun­ hofer­Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) entwickeltes Kommunikationsprotokoll, das sich durch geringen Energiebedarf und gute Ausnutzung des Spektrums auszeichnet und mithilfe eines Zeitmultiplexverfahrens (TDMA, Time Division Multiple Access) eine deterministische und echt­ zeitfähige Datenübertragung bietet. Die grundlegende TDMA­ Rahmenstruktur des Protokolls wiederholt sich ein Mal pro Sekunde (Bild 3). Zu Beginn des TDMA­Rahmens befindet sich ein schmaler Downlink­Kanal, auf dem die Basisstation Telegramme an die Sensorknoten sendet. So können Anwender die Sensoren auch während des Betriebs von der Basisstation aus neu konfigurieren. Dies betrifft Frequenzkanäle, Sendeleistung, Synchronisations­ zeiten, Messraten und Funkrate.

2016

inside tomorrow

bild 2: Prinzipielles blockschaltbild des sensorknotens mit Mikrocontroller, Funkfrontend, Anpassnetzwerk, Wake­up­empfänger und analogem sensorfrontend.

Timing synchronisieren Dann folgt ein Random­Access­Kanal, über den sich noch nicht bei einer Basisstation angemeldete Sensorknoten im System ein­ buchen können. Dazu lauscht der einzubuchende Sensorknoten auf Beacon­Telegramme, die die Basisstation zu genau definier­ ten Zeitpunkten auf den Downlink­Kanal sendet. Nach Empfang

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Mess- und Prüftechnik Drahtlos

bild 3: die grundlegende tdMA­rahmen­ struktur des Protokolls wiederholt sich ein Mal pro sekunde.

bild 4: Prinzipielle signalverarbeitung zur tempe­ raturmessung in WtMIA. ein zusätzlicher sensor (oben li) erfasst die absolute temperatur.

eines solchen Telegramms kann der Sensorknoten das eigene Timing mit dem der Basisstation synchronisieren. Sobald das geschehen ist, fordert der Sensorknoten bei der Basisstation die Zuteilung eines Uplink­Zeitslots an. Dazu sendet er auf dem Random­Access­Kanal eine Anforderung, wofür zunächst noch Listen­before­Talk zum Einsatz kommt. Die Basisstation reagiert und sendet auf dem Downlink­Kanal eine Konfigurationsnachricht an den Knoten. So erfährt der Sensorknoten neben weiteren Konfigurationsparametern die Nummer des nun reservierten Uplink­Slots. Jetzt sind alle Voraussetzungen erfüllt, damit der Sensorkno­ ten den Messbetrieb aufnehmen kann. Um die kollisionsfreie Übertragung der Daten sicherzustellen, sendet der Knoten die Messergebnisse ausschließlich im eigenen Uplink­Slot. Da sich dieser Zeitschlitz genau im Sekunden­Raster wiederholt, erfolgt die Übertragung absolut deterministisch. Gehen die vom System ermittelten Messwerte als Ist­Größe in ein komplexes Regelungssystem ein, sollten die Messzeitpunkte untereinander synchronisiert sein, also alle angemeldeten Sen­ sorknoten die Messung zum exakt gleichen Zeitpunkt durchfüh­ ren. Weil eine zeitliche Synchronisation aller Knoten mit der Basisstation von vornherein für das Kommunikationsprotokoll notwendig ist, verfügen alle beteiligten Knoten bereits über eine gleiche Zeitbasis. Somit lässt sich der Messzeitpunkt auf der Zeitachse kurz vor dem Down­Link­Slot ansiedeln, was eine möglichst verzögerungsfreie Weitergabe des Messwerts ermög­ licht.

Skalierbarkeit Das System lässt sich in mehreren Ebenen skalieren. So kann eine Basisstation bei einem Messintervall von einer Messung pro Sekunde bis zu 84 Sensorknoten verwalten. Erhöht sich das Messintervall auf beispielsweise drei Messungen pro Sekunde, so werden jedem Sensorknoten drei äquidistante Zeitslots im Uplink­Kanal zugeteilt. Bei einem Messintervall von drei Mes­ sungen pro Sekunde kann die Basisstation jetzt also bis zu 84:3=28 Sensorknoten verwalten. Dieses Verfahren funktioniert auch in die entgegengesetzte Richtung: Durch eine Halbierung des Messintervalls lässt sich die Anzahl möglicher Sensorknoten verdoppeln. Soll die Anzahl noch weiter steigen, so können mehrere Basisstationen parallel arbeiten. Dazu bekommt jede Basisstation eine eigene Sendefre­ quenz. Auf diese Weise können wie beim Mobilfunk Funkzellen gebildet werden, die sich durch die innerhalb einer Zelle verwen­ dete Sendefrequenz gegeneinander abgrenzen. Eine weitere Möglichkeit, die Anzahl der Teilnehmer zu erhöhen, bietet das ebenfalls aus dem Mobilfunk bekannte SDMA­Verfahren (Space Division Multiple Access). Hier wird das Umfeld der Basisstation über Richtantennen in unterschiedliche Sektoren eingeteilt, was eine effektivere spektrale Nutzung ermöglicht. Im Rahmen des Produktionsprozesses ist es möglich, die Sen­ sorknoten auch über längere Zeiträume zu lagern. Während des Lagervorgangs befinden sich die Knoten in einem Tiefschlafmo­ dus, in dem die Stromaufnahme nahezu Null beträgt. Das Auf­ wecken der Knoten erfolgt über LF­Antennen, wie auch aus der RFID­Technik bekannt. Dazu ist am Anfang jeder Produktions­ straße eine LF­Antenne positioniert. Außerdem teilt die Antenne dem Sensorknoten mit, auf wel­ chem Kanal er sich bei welcher Basisstation anmelden soll. So können die Knoten mühelos von einer Funkzelle zur nächsten wandern. Zusätzlich erfolgt ein Selbsttest des mobilen Sensors, um den Ladezustand der Batterie zu prüfen, ob ein Defekt an einem Thermoelement vorliegt und ob die Thermoelemente richtig kontaktiert sind. Damit gelangen nur funktionsfähige Sensoren in den Produktionsprozess.

Temperaturmessung mit Thermoelementen bild 5: typische stromaufnahme über die zeit für ein tdMA­basierendes echtzeitfähiges kabelloses temperaturmesssystem. der sensor befindet sich die meiste zeit in einem energiesparmodus.

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Das System ist auf eine Temperaturmessung mit Thermoelemen­ ten ausgelegt. Thermoelemente können Temperaturen bis 2500 °C messen, sind sehr robust gegenüber mechanischem Stress und können sehr kompakt sein. Die Verbindungsstelle der zwei www.elektronik-journal.de

systemeigenschaften des wtmia-sensors

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Resistenz gegen aggressive Medien im industriellen Umfeld keine Prozessbeeinflussung durch Ausgasungen (einsetzbar in der Lebensmittelherstellung und für Vakuumbetrieb) bis 125 °C temperaturfest minimaler Stromverbrauch durch Wake-up-Mechanismus echtzeitfähige deterministische Funkübertragung kollisionsfreie Funkübertragung mit bis zu 84 Sensoren Messrate bis zu 3 Hz mobile Sensorknoten

Leiter wird auf die vom Messsystem zu erfassende IST­Tem­ peratur (Werkstück) gebracht. Die Anschlussstelle der beiden Leiter mit der Signalerfassung und Signalverarbeitung ist nachfolgend als Cold Junction bezeichnet. Näherungsweise ist die Thermospannung proportional zur Differenz der bei­ den Temperaturen. Zum Bestimmen der absoluten Tempe­ ratur muss ein separater Sensor die Temperatur an der Cold Junction erfassen. Dieser Vorgang wird auch Cold Junction Compensation (CJC) bezeichnet).

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Normierte Thermokennlinie berücksichtigen Die Thermospannung ist nur näherungsweise linear zur Temperaturdifferenz. Die DIN EN 60584 beschreibt in Form sogenannter Grundwertreihen den nichtlinearen Zusam­ menhang zwischen Thermospannung und den Temperatu­ ren in tabellarischer Form. In WTMIA sind diese Grund­ wertreihen digital im Speicher der Sensorknoten abgelegt. Zwischen den Werten wird interpoliert. Insbesondere Abweichungen der Thermoelemente von den Norm­Kennlinien führen in der Praxis zu vergleichs­ weise großen Fehlern. Nach der Norm können beispielswei­ se Thermoelemente vom Typ K in der höchsten Genauig­ keitsklasse 1 im Temperaturbereich bis 1000 °C im Ausliefe­ rungszustand immer noch bis zu ±4 °C von der Normkenn­ linie abweichen. Durch Alterungsprozesse können sich die­ se Abweichungen noch deutlich vergrößern. In WTMIA ist eine Korrekturmöglichkeit dieser Abweichungen implemen­ tiert. Details zur Fehlerkorrektur finden Sie in der Online­ Version dieses Beitrags per infoDIREKT 203ejl0716. (mou) n

autor

Dipl.-Ing. Martin Kemmerling Abteilungsleiter Transpondersysteme und Anwendungen bei Fraunhofer IMS in Duisburg Dipl.-Ing. Frederic Meyer Gruppenleiter Hochfrequenzsysteme bei Fraunhofer IMS in Duisburg Dr.-Ing. Michael Marx Projektleiter bei Fraunhofer IMS in Duisburg Dipl.-Ing. Kai Grundmann Projektleiter bei Fraunhofer IMS in Duisburg

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Mess- und Prüftechnik IoT-Sensoren

langzeitstrommessung herausforderung batterielebensdauer von drahtlosen Iot­sensoren Ein neues Verfahren zur unterbrechungsfreien Wahl des Strommessbereichs in Verbindung mit einem hochauflösenden Datenlogger mit langer Aufzeichnungsdauer hilft Ingenieuren, den winzigen und impulsweisen Stromverbrauch eines drahtlosen IoT-Sensors in einem Zug genau zu messen. Autoren: Carlo Canziani, Dimitri Malsam

D

rahtlose Sensoren sind die ideale Lösung zur Erfassung von Umweltdaten oder Betriebsparametern von Indus­ trieanlagen. Sie sind unproblematisch zu installieren und können an vielen Stellen eingesetzt werden. In wenigen Jahren werden solche Sensoren in großer Zahl im Rahmen des „Internets der Dinge“ (IoT) eingesetzt werden. Momentan steht dem Einsatz solcher Sensoren noch entgegen, dass sie ihre Auf­ gabe nur eine begrenzte Zeit lang erledigen können. Wird ein drahtloser Sensor von einer Batterie gespeist, ist er nur noch Elektroschrott, wenn die Batterie leer ist.

Sparspam mit der Batterieladung haushalten Das wichtigste Kriterium bei der Konstruktion eines batteriebe­ triebenen drahtlosen Sensors ist daher ein sparsamer Stromver­ brauch. Ziel ist, dass das Gerät mit einer Batterie eine vernünf­ tige Zeitspanne läuft. Die Problem löst man üblicherweise so, dass man große Teile der Schaltung nur für die gewünschte Aktivität einschaltet und das Gerät danach in den Tiefschlaf ver­ setzt. Der einfachste Weg zu längerer Batterielaufzeit ist eine größere Batterie mit höherer Kapazität. Das macht das Gerät allerdings räumlich größer, und Ihre Kunden hätten gern einen möglichst kleinen, aber leistungsfähigen Sensor (der viele Daten senden kann und eine Menge lokale Prozessorleistung hat). Die­ se Erwartung des Kunden ist somit diametral entgegengesetzt zur einfachsten Lösung des Batterielaufzeitproblems.

wenn man sie braucht. Ein solches Gerät ist meist so konstruiert, dass es sich den Großteil der Zeit mit minimalem Stromverbrauch im Tiefschlaf befindet. In dieser Betriebsart läuft lediglich eine Uhr, die den Rest des Gerätes periodisch für eine Messung auf­ weckt. Die gesammelten Daten werden dann zu einem Empfän­ ger gefunkt, danach wird der Großteil der Schaltung wieder schlafen gelegt. Nachfolgend sind typische Stromaufnahme und zugehörige Zeiten im jeweiligen Betriebsmodus aufgeführt: • Senden: 20 … 100 mA, 1 … 100ms • Aktiv: 100µA … 10 mA, 10 … 100 ms • Schlafen: 500 nA … 50 µA, 100 ms … Minuten Die Stromaufnahme unterscheidet sich in verschiedenen Betriebs­ phasen sehr stark, sie reicht von sub­µA bis 100 mA, das ist näherungsweise ein Verhältnis von 1:1.000.000.

Innovationen bei der Messung der Stromaufnahme

In batteriebetriebenen Geräten wie drahtlosen Sensoren sind verschiedene Subsysteme aus Stromspargründen nur dann aktiv,

Herkömmliche Messverfahren wie ein Digitalmultimeter mit hochohmigem Stromshunt oder ein Oszilloskop mit Stromtast­ kopf oder Strommesszange stoßen bezüglich Genauigkeit und zeitlichem Auflösvermögen an ihre Grenzen. Insbesondere ist es schwer mit diesen Messmethoden dynamische und impuls­ förmige Ströme im Mikroamperebereich zu erfassen. Die speziell für Stromverbrauchsanalysen über lange Zeit ent­ wickelte SMU (Source/Measure Unit) N6781A von Keysight über­ windet die Grenzen herkömmlicher Messmethoden mit zwei Innovationen: Nahtloser Messbereichswechsel und Langzeitauf­ zeichnung ohne Pausen. Die SMU ist ein Modul, das mit einem flachen modularen Stromversorgungssystem N6700 von Keysight oder einem DC­

bild 1: Impulsartige stromaufnahme über zeit eines drahtlosen sensors in verschiedenen betriebsphasen.

bild 2: die sMu n6781A von Keysight erlaubt genaue strommessungen über einen großen dynamikbereich.

Bilder: Keysight

Dynamische Strommessungen sind schwierig

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eck-daten Drahtlose Sensoren müssen mit ihrer Batterieladung sparsam haushalten. Damit der Entwickler über lange Zeit die kurzen und oft nur wenige Mikroampere großen Strompulse sicher erfassen kann, bietet Keysight ein geeignetes Messsystem. Die speziell für Stromverbrauchsanalysen entwickelte SMU (Source/Measure Unit) N6781A überwindet die Grenzen herkömmlicher Messungen mit zwei Innovationen: Nahtloser Bereichswechsel und Langzeitaufzeichnung ohne Pausen.

Leistungsanalysator N6705 eingesetzt werden kann. Der nahtlose Bereichswechsel ist eine patentierte Technik, mit der die SMU den Messbereich wechseln kann, ohne dass sich die Ausgangsspannung beim Bereichswechsel ändert (oder sie gar aussetzt). Diese Funktion erlaubt es, einerseits die hohen Stromaufnahmen zu messen, andererseits aber auch den kleinen Strom im Schlafzustand. Der Messbereich von 1 mA hat einen niedrigen absoluten Messfehler von nur 100 nA (das sind 10% bei 1 µA oder 1% bei 10 µA). Die Messgenauigkeit ist damit um Größen­ ordnungen besser als bei einem traditionellen Digital­Multimeter. Zudem enthält die SMU zwei A/D­Wandler, die simultan Spannung und Strom mit einer Abtastrate von 200 kSa/s messen (Zeitauflösung 5 µs). Bei voller Auflösung können Messungen 2 Sekunden lang erfasst werden (entsprechend länger mit reduzierter Zeitauflösung). Für Langzeitmessungen kann der interne Daten­ logger im modularen DC­Leistungsanalysator N6705B von Keysight die Messungen mit 200 kSa/s über ein vom Anwender vorgegebenes Intervall (20 µs bis 60 s) integrieren und verliert dabei kein einziges Samp­ le. Alle Samples fallen entweder in ein Integrations­ intervall oder das nächste. Mit diesem Datenlogger können Ingenieure nun Strom­ und Energieverbrauch eines drahtlosen Sensors bis zu 1000 Stunden lang aufzeichnen.

Incircuit-Funktionstestsysteme, Adaptionen, Kabeltester, Präzisions-Mikrodosiersysteme Testsysteme für Incircuit- und Funktionstest mit hoher Prüfschärfe und Prüftiefe, praxisnaher und anwenderfreundlicher Testprogrammerstellung, über 2600 Testsysteme geliefert manuelle und pneumatische Adaptionen, Niederhaltersysteme für bis zu 1000/2000 N, austauschbareAdapterplatten (Schubladen), Inlinesysteme mikroprozessorgesteuerter Kabel- und Backplanetester bis maximal 192 Kanäle, auch Stand-alone-Betrieb, inkl. Software Präzisions-Mikrodosiersystem dosiert exakt zwischen 20 nl und 50 ml, einstellbare Dosiergeschwindigkeit, kalibrierfähig, RS232Schnittstelle, robustes Metallgehäuse

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System- und Messelectronic GmbH Bergstr. 33 D-86911 Diessen Tel. 08196 934100 Fax 08196 7005 E-Mail: [email protected] http://www.reinhardt-testsystem.de Wir stellen aus: Electronica 2016 - Halle A1 Stand 401

ABSOLUTDRUCKSENSOREN bild 3: der datenlogger erfasst alle samples lückenlos, nix geht verloren. Für jede sampleperiode werden neben dem durchschnitt auch Minimal­ und Maximalwert ermittelt. www.elektronik-journal.de

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Mess- und Prüftechnik IoT-Sensoren

bild 4: der über 200 sekunden betrieb aufgezeichnete strom liefert einen neuen einblick in die dynamische stromaufnahme eines gerätes.

bild 5: Mit der software 14585A von Keysight kann man energieverbräuche direkt in Joule messen.

Überraschende Phänomen aufgedecken

spielsweise mittels einer getriggerten Messung die Energie mes­ sen, die das Senden eines Datentelegramms verbraucht (Bild 5). Hier erweist sich als Vorteil, dass die SMU zwei separate A/D­ Wandler hat, die simultan Strom und Spannung messen. Daraus kann man ganz einfach Punkt für Punkt die Leistungsaufnahme errechnen. Man kann den Energieverbrauch in Joule als Wert zwischen zwei Markern anzeigen lassen; ein Entwicklungsin­ genieur kann sogar noch einen Schritt weitergehen und einen Wert „Joule pro übertragenes Bit“ definieren.

Für die Messung des Stroms im Tiefschlaf muss man in einer Langzeitmessung lediglich die Marker passend positionieren und kann dann den Messwert direkt auslesen (Bild 4). Das liefert ein vollständiges Bild des Stromverbrauchs und dazu einen genauen Messwert im Tiefschlaf (599 nA). Man kann durch diese Messung scrollen und ins Bild hinein­ zoomen. Damit kann man mit hoher Genauigkeit die Stromauf­ nahme zu einer bestimmten Zeit ermitteln und wie lange diese Stromaufnahme bestanden hat. Einzelheiten, die man mit her­ kömmlichen Messwerkzeugen nicht sehen konnte, kann man nun identifizieren und quantifizieren. Die Messung in Bild 4 hat dieses überraschende Phänomen aufgedeckt: Das Gerät nahm hier etwa 500 ms lang etwa 90 µA auf (Durchschnitts­ stromaufnahme 3,3 µA). Addiert man diese Stromaufnahme zu den 599 nA im Tiefschlaf, so ergibt sich ein Durchschnittsstrom von 730 nA, 22% höher als erwartet. Derlei Überraschungen sind möglicherweise der Grund dafür, dass der Stromverbrauch eines Geräts unterschätzt wird und diese kürzer läuft, als berechnet. Bei der Optimierung der Stromaufnahme drahtloser Sensoren ist es für Ingenieure ausgesprochen wertvoll, die Details zu ver­ stehen. Weiß man, wie viel Energie es kostet, ein einzelnes Daten­ telegramm zu senden, kann man einen guten Kompromiss finden zwischen Stromverbrauch und Nutzererfahrung, und man kann Fragen beantworten wie etwa diese: „Soll ich ein Datentelegramm alle Sekunde, alle 5 Sekunden oder nur alle 10 Sekunden senden?“ Die Ingenieure können nun seriös abschätzen, welche Auswir­ kung eine bestimmte Firmwareänderung auf die Batterielaufzeit hat und diese Abschätzung mit vernünftigem Zeitaufwand durch reale Messungen bestätigen.

Joule-Messungen einfach gemacht Bei der Abschätzung von Batterielaufzeiten sind Joule nützlich, denn jede Aktivität hat einen bestimmten Energiebedarf. Man kann beispielsweise auch eine Maßzahl „Joule pro übertragenes Bit“ ausrechnen. Aber Ingenieure rechnen selten mit Joule, denn sie müssen diese aus Spannung, Strom und Zeit erst errechnen. Mit der Steuer­ und Analysesoftware 14585A von Keysight kann man Energieverbräuche direkt in Joule messen. Man kann bei­

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Die Stromaufnahme genau erfassen Entwicklungsingenieure, die batteriebetriebene Geräte für das Internet der Dinge entwickeln, arbeiten mit ausgefeilten Strom­ spartechniken, um eine möglichst lange Batterielaufzeit zu erzie­ len. Herkömmliche Messtechniken sind komplex, zeitaufwendig und bringen nicht die Messgenauigkeit, die man braucht, um den Batteriestromverbrauch zu optimieren und zu validieren. Das führt oftmals dazu, dass man die Stromaufnahme eines Gerätes unterschätzt. Die für Stromverbrauchsanalysen optimierte SMU von Keysight ermöglicht genaue Strommessungen und zeigt sie auf nur einem Bildschirm vollständig und detailliert an. Analy­ sesoftware erleichtert dem Ingenieur seine Arbeit, indem sie ihm Details zeigt, die er vorher nicht gesehen hat. Mit Keysights neuester SMU N6785A sind diese Funktionen nun bis zu 80 W und von nA bis 8 A verfügbar. Die neuen SMUs kann man für viele Messaufgaben einsetzen, über das Testen von Smartphones und Tablets bis zu Steuergeräten in der Kfz­Elek­ tronik sowie drahtlosen Sensoren und Chipsätzen für das Internet der Dinge. (jwa) n

autoren

Carlo Canziani Account Manager bei Keysight Technologies Dimitri Malsam Field Engineer for Power Products bei Keysight Technologies

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808ejl0716 www.elektronik-journal.de

Mess- und Prüftechnik Highlights

temperatur – analogspannungen – Digitalsignale

Bild: Measurement Computing

Kleine messmodule mit ethernet-schnittstelle

Ethernet-Messmodule von Measurement Computing (MCC) für die DIN-Hutschiene.

Measurement Computing (MCC) stellt drei kompakte Messmodule mit Ethernet-Schnittstelle von Data Translation vor. Es handelt sich dabei um ein Gerät für den Anschluss von Thermoelementen, ein High-Speed Multifunktions-Messmodul mit 16 Bit A/D-Wandler und ein Digital-I/O-Modul mit 24 Kanälen. Die auf DIN-Hutschienen montierbaren Geräte unterstützen viele in der Messtechnik gängige Softwarelösungen (unter anderem LabView, DASYLab, DAQami, TracerDAQ) und sind dank der mitgelieferten Softwarebibliotheken sowie entsprechender Programmierbeispiele unter Windows, Linux und Android besonders leicht zu integrieren.

Das neue 8-Kanal-Thermoelement-Messmodul E-TC mit 24-BitA/D-Wandler ermöglicht den Direktanschluss von Thermoelementen der Typen J, K, R, S, T, N, E und B und verfügt über eine eingebaute Kaltstellenkompensation. Die Sensoranschlüsse sind gegenüber dem Host isoliert ausgeführt, und ein Kabelbruch des Thermoelements wird automatisch erkannt. Die maximale Abtastrate beträgt 4 S/s pro Kanal. Darüber hinaus stehen ein 32-Bit-Zähler und acht ebenfalls isoliert ausgeführte digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Diese High-DriveAusgänge lassen sich beispielsweise für Temperaturalarme konfigurieren. Mit dem Modell E-1608 ist ein schnelles Multifunktions-Messmodul mit acht SE- oder vier DI-Analogeingängen mit 16 Bit A/DAuflösung und 250 kS/s Abtastrate sowie mit zwei analogen Ausgängen, acht digitalen I/O-Kanälen und einem 32-Bit-Zähler erhältlich. Das Digital-I/O-Modul E-DIO24 schließlich ist mit 24 TTLkompatiblen Kanälen ausgestattet, welche die Anwender individuell über das Netzwerk als Ein- oder Ausgang konfigurieren können. An die Ausgänge, die jeweils ±24 mA Treiberleistung liefern, lassen sich bei Bedarf auch Relais anschließen. Ein digitaler Ausgang kann den Verbindungsstatus des Moduls signalisieren. Außerdem besteht die Möglichkeit einen Kanal als 32-Bit-Ereigniszähler zu nutzen. Alle Modelle verfügen über einen 10/100-Mbit/s-EthernetAnschluss und unterstützen die Protokolle TCP/IP sowie UDP. Neben den Gehäuseversionen sind auch Platinenvarianten für OEMs erhältlich. (jwa) n

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815ejl0716

multitalent mit vielen gesichtern

Siglent Technologies erweitert mit dem neuen Multimeter SDM3045X seine X–Serie. Auf dem 4,3 Zoll großen TFT-Farbdisplay mit 480 × 272 Bildpunkten kann das SDM3045X eine 4½-stelligen Ziffernanzeige mit einer Auflösung von 60.000 Counts gemischt mit grafischen Anzeigen darstellen. Mit einer Messgeschwindigkeit von bis zu 150 rdgs/s verfügt das Gerät über eine echte Effektivwerterfassung (TRMS) bei der AC-Spannungs- und Strommessung. Ein interner 1 Gbyte großer NANDFlash-Speicher bietet genügend Platz für Messdaten und Konfigurationsdateien. Speziell der Steckanschluss für Thermoelemente ist intern kompensiert. Das Geräte-Design unterstützt einen Dual-Display-Modus mit den Menüsprachen Englisch und Chinesisch inklusive Hilfesystem. Per PC-Software EasyDDM ist das Mutimeter steuerbar. Die Standard-Schnittstellen USB und LAN unterstützen den allgemeinen SCPI-Befehlssatz und sind damit kompatibel mit andewww.elektronik-journal.de

Bild: Siglent

universell nutzbares Digital-multimeter Das SDM3045X.22 arbeitet mit den Menüsprachen Englisch und Chinesisch.

ren DMMs auf dem Markt. SDM3045X unterstützt Funktioen wie Histogramm, Trenddiagramm, Balkendiagramm und bis zu sieben Arten von Messungen. Typische Anwendungsgebiete dieses Multimeters sind Forschung und Entwicklung, Wartung und Service, Kalibrierlabor sowie automatisierte Produktionstests. (jwa) n

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811ejl0716 elektronik journal 07/2016

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Impressum/Verzeichnisse

inserenten AMSYS 63 Beta LAYOUT 61 Bicker 31 Blume 51 Bürklin 37 CTX Thermal Solutions 5 Deutronic 27 Digi-Key Titelseite, 2.US E-A Elektro-Automatik 59

Elektrosil EMTRON Fischer FORTEC GAÏA CONVERTER HKR inpotron Intersil iseg

41 Titelseite, 23 3 40 63 47 30 26 33

LEM Linear Technology Mesago PCIM MTM Power Murata Nova Elektronik RECOM Reinhardt Rogers Germany

25 13 55 29 4.US 43 9 63 49

Rohm Semiconductor Rohrer Schukat Schulz-Electronic TDK-Lambda TRACO ELECTRONIC GmbH Würth Elektronik eiSos

7 23 19, 39 17 21 15 45

unternehmen Bicker Elektronik BSW Testsystems Caltest Compu-Mess Elektronik Data Translation Emtron Fischer Elektronik Fraunhofer-Institut ISE Fraunhofer-Institut IMS Green Watt Power GS Yuasa

23 24 31 7 65 10 42 27 58 31 7

Infineon Technologies Intersil Kamaka Keysight Keysight Technologies LEM Linear Technology Littelfuse Maxim Mean Well Measurement Computing

38 10 28 8 62 8 58

Harpain, Jürgen Kemmerling, Martin Koschnick, Gunther Ladiges, Falko Loata, Gabriel Loh, Debora Loh, Friedhelm

52 9, 14 31 7 62 56 20 9 9 10 65

Molex 51 Mouser Electronics 8 MTM Power 27 ON Semiconductor 9, 38 Pacific Power Source 31 Panasonic Electric Works 48 Rittal 8 Rohm 37 RS Components 9, 51 Rutronik Elektronische Bauelemente 6 Samsung SDI 6

Schurter SE Spezial-Electronic Siglent Technologies Silica TDK Texas Instruments Torex Semiconductor Toshiba Electronics Trumpf Hüttinger WDI ZVEI-Fachverband Automation

Malik, Frank Malsam, Dimitri Mangler, Andreas Marx, Michael Meyer, Frederic Miedl, Benjamin Rambow, Wolfgang

Röttchen, Carsten Schramm, Mario Schuster, Wolfgang Sethna, Meenal Tooth, Daniel Werner, Christian Witte, Hellmuth

28 14 65 9 52 8, 16 8 32 27 46 6

personen Akiba, Takashi Bergstein, Stefan Blum, Herbert Bouffier, Volker Canziani, Carlo Dr. Köhler Grundmann, Kai

42 58 6 46 24 8 8

32 62 6 58 58 48 52

8 8 8 9 16 14 20

impressum www.elektronikjournal.com ISSN: 0013-5674 51. Jahrgang 2016 Das Themen-Magazin für den Entwickler

redAKtIOn Chefredaktion: Dipl.-Ing. Alfred Vollmer (av) (v.i.S.d.P.) Tel: +49 (0) 8191 125-206, E-Mail: [email protected] Redaktion: Dipl.-Ing. Andrea Hackbarth (ah) Tel: +49 (0) 8191 125-243, E-Mail: [email protected] Jennifer Cathrin Kallweit (jck) Tel: +49 (0) 8191 125-145, E-Mail: [email protected] Dipl.-Ing. Jens Wallmann (jwa) Tel: +49 (0) 8191 125-494, E-Mail: [email protected] Freie Mitarbeiter:

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

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elektronik journal 07/2016

Verlagsleitung: Rainer Simon Herstellungsleitung Fachzeitschriften: Horst Althammer Art Director: Jürgen Claus Layout und Druckvorstufe: JournalMedia, München-Haar Druck: pva GmbH, Landau © Copyright Hüthig GmbH 2016, Heidelberg. Eine Haftung für die Richtigkeit der Veröffentlichung kann trotz sorgfältiger Prüfung durch die Redaktion, vom Verleger 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 Veröffentlichung 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 eigene Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen Verwertung, z. B. Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen,

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