Sensoren Bild 6:
Sensoren Bild 6: Weiterentwicklung der IO-Link-Transceiver-Technologie Bild 5: Die Größe ist ein weiteres zentrales Problem bei den neuesten IO-Link- Sensordesigns LDO-Leistung @30 mA = (24-3,3) x 30 mA = 621 mW Im Vergleich dazu verbraucht ein DC/DC-Abwärtswandler, der einen 30 mA-Sensor mit einer Ausgangsspannung von 3 V versorgt, nur 90 mW. Unter der Annahme, dass der Wandler einen Wirkungsgrad von 90 % hat (nur 9 mW Verlustleistung), beträgt die Gesamtleistungsaufnahme nur 90 + 9 = 99 mW [3]. Die neuesten IO-Link-Transceiver von Analog Devices haben einen hocheffizienten DC/DC-Regler integriert, wie in Bild 4 dargestellt. Baugröße von IO-Link-Sensoren Neben der Wärmeableitung ist die Baugröße das nächstgrößte Problem bei allen industriellen Sensoren, was auch für die neuen IO- Link-Sensoren gilt. Der Platinenplatz wird immer knapper, da zunehmend zu kleineren Formfaktoren übergegangen wird. Bild 5 zeigt, dass bei einem Gehäuse mit einem Durchmesser von 12 mm der Transceiver (in einem Wafer-Level-Package (WLP)- Gehäuse) und der DC/DC-Wandler nebeneinander auf einer normalen Leiterplatte mit 10,5 mm Breite untergebracht werden können. Es ist noch Platz für Durchkontaktierungen und Anschlüsse auf derselben Seite vorhanden. Wenn das Sensorgehäuse 6 mm breit ist, verringert sich die Leiterplattenbreite auf 4,5 mm. Die Chips müssen auch bei kleinen WLP-Gehäusen auf beiden Seiten der Leiterplatte bestückt werden. Wafer-Level-Package (WLP)-Gehäuse Um diese Baugrößen zu ermöglichen, muss der Transceiver in einem Wafer-Level-Package (WLP)- Gehäuse verfügbar sein, das die kleinstmögliche Bauform zulässt. Diese Größenbeschränkung ist auch einer der Gründe, warum wir einen DC/DC-Wandler in unseren neuesten IO-Link-Transceiver integriert haben. Die meisten industriellen Sensoren müssen jedoch auch für den Einsatz in rauen Umgebungen ausgelegt sein, was bedeutet, dass sie mit Schutzschaltungen wie TVS-Dioden ausgestattet sein müssen, die in Bild 5 nicht dargestellt sind. An dieser Stelle ist es wichtig, die spezifizierten Grenzwerte der IO-Link- Transceiver zu beachten. Lassen Sie uns das näher beleuchten: Warum verringert eine maximale Nennspannung von 65 V an den IOs die Größe des Sensor-Subsystems? Üblicherweise muss der Sensor Überspannungsimpulse zwischen den folgenden 4 Pins überstehen: GND, C/Q, DI, DO. Die IO- Link-Transceiver von Analog Devices sind für eine maximale Spannung von 65 V ausgelegt. Nehmen wir als Beispiel einen Spannungsstoß von 1 kV bei 24 A zwischen C/Q und GND. Spannung zwischen C/Q und GND = TVS-Klemmspannung + TVS- Durchlassspannung IO-Link-Transceiver mit absolut maximaler Nennspannung 65 V Mit der höheren maximalen Nennspannung kann der Entwickler eine kleine TVS-Diode wie die SMAJ33 verwenden, die eine Klemmspannung von 60 V bei 24 A und eine TVS-Durchlassspannung von 1 V bei 24 A aufweist. Spannung zwischen C/Q und GND = 61 V Dieser Wert liegt innerhalb der spezifizierten Grenzwerte des Transceivers von Analog Devices. Wenn jedoch die maximale Nennspannung niedriger spezifiziert ist – in der Industrie liegt sie typischerweise bei 45 V – ist eine viel größere TVS-Diode erforderlich, um die Spannung auf ein akzeptables Niveau zu klemmen. Diese Diode ist mehr als dreimal so groß wie die für den Transceiver von Analog Devices erforderliche Diode. Der Einfluss einer größeren TVS-Diode auf die Gesamtgröße des Sensordesigns ist erheblich, wenn die maximale Nennspannung (Abs Max) des Transceivers niedriger liegt. Tabelle 1 zeigt den abgeschätzten Unterschied hinsichtlich der Platinen fläche. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Sensor einem Hochspannungsstoß von ±1 kV/24 A standhalten muss. Bei der nächsten Generation von IO-Link-Transceivern wurde dies sogar noch verbessert. Die neueren IO-Link-Transceiver von Analog Devices verfügen jetzt über einen integrierten Schutz an den Schnittstellenpins der IO-Link-Leitung (V24, C/Q, DI und GND). Alle Pins verfügen über einen integrierten ±1,2 kV/500 Ω-Überspannung sschutz. Darüber hinaus sind alle IO-Link-Transceiver mit absolut maximaler Nennspannung 45 V Kleinste TVS-Diode SMAJ33 SMCJ33 Max. Spannung 61 V 45 V Gesamte Platinenfläche 40,5 mm 2 144 mm 2 Tabelle 1: Vorteile einer maximalen Nennspannung von 65 V in Bezug auf die Sensorgröße Pins verpolungssicher, kurzschlussund Hot-Plug-fest. Trotz aller integrierten Schutzfunktionen und des integrierten DC/DC-Abwärtsreglers sind diese Bausteine in einem winzigen WLP- Gehäuse (4,1 mm x 2,1 mm) erhältlich und ermöglichen ein wirklich kleines IO-Link-Sensordesign. Schlussfolgerung Bild 6 zeigt die kontinuierliche Weiter entwicklung der IO-Link-Transceiver-Technologie von Analog Devices. Die IO-Link-Transceiver- Technologie der ersten Generation bestand aus einfach zu handhabenden TQFN-Gehäusen mit integrierten LDOs, die den Anforderungen eines kleinen Sensordesigns entsprachen. Nachdem Verlustleistung und Platzbedarf an Bedeutung gewannen, wurde mit der zweiten Generation von Transceivern der Stromverbrauch optimiert, indem man zu einer Technologie mit niedrigerem RON-Widerstand überging, um den Stromverbrauch weiter zu senken, dabei wurden noch kleinere WLP- Gehäuse verwendet. Die neueste Generation von Trans ceivern trägt der Notwendigkeit Rechnung, sowohl die Schutzfunktion als auch einen hocheffizienten DC/DC-Abwärtsregler zu integrieren, um die Größe und die Verlustleistung des Sensor-Subsystems weiter zu reduzieren. Da die IO-Link-Technologie in immer mehr industriellen Sensoren zum Einsatz kommt, sind diese Gerätespezifikationen der Schlüssel zur Implementierung kleiner, robuster und energieeffizienter Sensoren. Literatur 1.) https://www.maximintegrated. com/content/dam/files/design/ technical-documents/handbooks/io-link-handbook.pdf 2.) https://www.eletimes.com/iolink-enables-industrial-iot 3.) https://www.maximintegrated. com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6908.html ◄ 24 PC & Industrie 8/2022
Sensoren Komplett auf Sensorik basierender Drehgeber Mit Drehgebern sind wir in jeglichen Situationen des täglichen Lebens konfrontiert. Ein völlig neues Konzept eines Drehgebers komplett basierend auf Sensorik stellte EBE als Neuheit auf der SENSOR + TEST 2022 vor. EBE Elektro-Bau-Elemente GmbH www.ebe.de Auf Basis der hauseigenen kapazitiven capaTEC-Technologie entwickelt EBE einen Drehgeber ohne jegliche mechanische Teile. Der Drehgeber wird durch eine Gleitbewegung mehrerer Finger über den Zylinder eingestellt. Die Finger des Anwenders dienen als einzelne Einflussgrößen, die via kapazitiver Messung ermittelt werden können. Von innen eingebrachte Elektroden werden innerhalb des Drehgebers über ein Trägerelement justiert. Die Gehäusewand bleibt durchgängig geschlossen und beinhaltet keine mechanischen oder anderweitig drehenden Komponenten. Unempfindliche Technik gegenüber äußeren Umwelteinflüssen Die Vorteile eines solchen Drehgebers liegen auf der Hand. Das Konzept ist absolut dicht. Da die Ausbuchtung für den Sensor-Drehgeber direkt mit in das Frontpanel des Endgeräts eingegossen wird, bleibt die Ober fläche vollständig geschlossen. Ideal integrierbar ist dieser in Acrylglas- oder Kunststoff-Oberflächen. Dadurch, dass keine beweglichen Teile vorhanden sind ist ein Verschleiß durch Reibung oder Verschmutzungen ausgeschlossen. Das ganze System ist somit extrem robust gegenüber äußeren Umweltbedingungen und die Montage sehr leicht umsetzbar. Flexible Anpassung des Bedien-Konzepts Durch ein dynamisches Bedien- Konzept kann der Drehgeber während des Betriebs von einem kontinuierlichen Steller zu einem Stufenschalter umgeschaltet werden. Auch die Auflösung des Dreh gebers kann flexibel auf zusätzliche benötigte Stellgrößen angepasst werden. Nicht nur in der Bedienung ist der Sensor-Drehgeber anpassbar, auch Größe und Durchmesser des Gebers sowie Anzahl der Sensorflächen, Auflösung oder die Einbringung haptischen Feedbacks sind individuell nach den jeweiligen Anforderungen der Applikation umsetzbar. Eine zusätzliche Tasterfunktion kann ebenso realisiert werden wie auch alternativ ein Display an der Stirnseite des Drehgebers. Mit dieser neuartigen Lösung lassen sich komplett neue Bedienoberflächen- Designs entwickeln. Breites Einsatzgebiet des Sensor-Drehgebers Ganz besonders eignet sich der kapazitive Drehgeber in Umgebungen, welche regelmäßig ge reinigt oder desinfiziert werden müssen. Auch im industriellen Umfeld und im Outdoorbereich überzeugt die neue Technologie. Hier sind oftmals Staub und Feuchtigkeit eine Herausforderung für herkömmliche Drehgeber und -schalter. Im Gegensatz dazu bietet der neue Sensor- Drehgeber eine attraktive Alternative. ◄ Digitales Retrofit für analoge Sensorsignale Mit dem neuen multifunktionalen IO-LINK-Konverter IOL-KONV- UIS-01 präsentiert EGE eine äußerst kompakte und einfache Lösung zur störfreien digitalen Signalübertragung von herkömmlichen Sensoren per IO-Link. Je nach Konfiguration kann der Konverter bis zu zwei analoge Ausgangswerte (0…10 V, 4…20 mA) oder Schaltsignale des angebundenen Sensors erfassen, die er anschließend in digitalisierter Form an einen IO- Link-Master überträgt. Neben dem Digital-Ausgang zur Prozessdatenübermittlung hat das Gerät einen zweiten, analogen Ausgang zur Ausgabe programmierbarer Strom- oder Schaltsignale. Alle herkömmlichen Sensoren von EGE oder anderen Herstellern lassen sich unabhängig von Funktionsprinzip und Messzweck daran anschließen. Darüber hinaus bietet der IO-LINK-Konverter zusätzliche Überwachungsfunktionen: Weichen Stromverbrauch oder Betriebsspannung des angeschlossenen Sensors z.B. korrosionsbedingt von den hinterlegten Sollwerten ab, sendet der Konverter eine Fehlermeldung als IO-Link-Event an die Steuerung. Zum Schutz der eigenen Elektronik verfügt der Wandler über eine Temperaturüberwachung, Kurzschlusserkennung sowie eine einstellbare Abschaltfunktion bei Überlastung. Eine Mehrfarb-LED in der Gehäusefront zeigt gut erkennbar den Betriebszustand an. Durch den Anschluss an Sensoren und IO- LINK-Master über M12-Steckverbinder entfällt jeglicher Verkabelungsaufwand. Die Befestigungslaschen am kompakten, in Schutzart IP67 ausgeführten Konverter-Gehäuse ermöglichen unter allen Einbaubedingungen eine flexible Montage in der Nähe des Sensors. Die Parametrierung des Konverters gemäß IO- Link-Device Description V1.1 erfolgt mittels eines Engineering-Tools über die IO-Link-Schnittstelle. • EGE-Elektronik Spezial- Sensoren GmbH www.ege-elektronik.com PC & Industrie 8/2022 25
