9-2022

Kommunikation

Kommunikation Entwicklung eines digitalen I/O-Moduls mit hoher Kanaldichte Diskrete Lösungen Bild 1: Eigenschaften von digitalen Ein- und Ausgangsmodulen Über das Thema Industrie 4.0 und den zunehmenden Einsatz von intelligenten Sensoren in Fabriken wurde bereits ausgiebig berichtet. Besonders stark verbreitet sind Sensoren in der Produktion, in verfahrenstechnischen Anlagen sowie in neueren Gebäudeautomationssystemen. Die Allgegenwart von Sensoren bringt jedoch mit sich, dass eine Reihe von Ein-/Ausgängen (I/Os) von Controllern im bisher üblichen Formfaktor verarbeitet werden müssen, wobei die I/Os digital oder analog sein können. Für dieses Szenario sind I/O-Module mit hoher Packungsdichte erforderlich, die bestimmte Vorgaben hinsichtlich Abmessungen und Verlustwärme erfüllen. Der folgende Beitrag konzentriert sich auf die digitalen I/Os. Der integrierte Ansatz Die digitalen Ein-/Ausgänge von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) wurden bisher mit diskreten Bauteilen wie Widerständen/ Kondensatoren konditioniert oder mit einzelnen FETs angesteuert. Aufgrund der Forderung, den Platzbedarf der Steuerungen zu minimieren und Signale auf der zwei- bis vierfachen Anzahl von Kanälen verarbeiten zu können, wenden sich die Hersteller von der diskreten Implementierung hin zu einem integrierten Ansatz. Diskret aufgebaute Lösungen bringen gleich mehrere Nachteile mit sich. Dies gilt vor allem für Module mit acht oder mehr Kanälen. Die hohe Verlustleistung und die damit verbundene Verlustwärme, hervorgerufen durch die hohe Anzahl von Bauteilen, lassen diskrete Lösungen als wenig praktikabel erscheinen. Hinzu kommen ein hoher Platzbedarf sowie die Tatsache, dass wegen der MTBF der einzelnen Bauteile die Forderung nach möglichst robusten Systemspezifikationen und hoher Zuverlässigkeit unerfüllt bleibt. Bild 1 zeigt die technischen Herausforderungen bei der Entwicklung eines digitalen Eingangs- (DI) und eines digitalen Ausgangsmoduls (DO) mit hoher Packungsdichte. Digitale Ein- und Ausgänge Bei den digitalen Eingängen ist es auch wichtig, dass verschiedene Arten von Eingängen unterstützt werden - Typ 1, 2 oder 3 und in einigen Fällen 24- und 48-V-Eingänge. In allen Fällen sind robuste Betriebsspezifikationen von Bedeutung: Manchmal ist auch eine Erkennung von Drahtbrüchen erforderlich. Bei den digitalen Ausgängen nutzen die Systeme verschiedene FET- Konfigurationen, um die Last anzusteuern. Die Genauigkeit des Treiberstroms ist im Allgemeinen ein Autor: Suhel Dhanani war Director of Business Development for the Industrial & Healthcare Business Unit bei Maxim Integrated (jetzt Analog Devices Inc.) Analog Devices Inc. www.analog.com Bild 2: Herkömmliches digitales Eingangsdesign mit diskreter Logik 170 PC & Industrie 9/2022

Kommunikation Bild 3: Geschätzte Leistungsaufnahme für ein digitales Eingangsmodul mit diskreter Logik Bild 4: Geschätzte Leistungsersparnis bei digitalen Eingangsmodulen mit integriertem DI-Chip wichtiger Aspekt. Und in vielen Fällen sind Diagnosefunktionen wichtig. Wie sich diese Herausforderungen mit einer integrierten Lösung vereinfachen lassen, wird im Folgenden erläutert. Entwicklung eines digitalen Eingangsmoduls mit hoher Kanaldichte Ein herkömmliches Design mit diskreten Bauteilen enthält einen Bild 5: Verwendung von zwei Kanälen parallel für einen digitalen Typ-2-Eingang Widerstandsteiler, um ein 24- oder 48-V-Signal in eine vom Mikrocontroller verwendbare Spannung umzuwandeln. Es kann auch ein diskreter RC-Filter am Eingang vorhanden sein. Wenn eine galvanische Trennung erforderlich ist, kommt manchmal ein externer Optokoppler zum Einsatz. Bild 2 veranschaulicht einen typischen diskreten Ansatz zur Implementierung einer digitalen Eingangsschaltung. Diese Art von Design eignet sich für Lösungen mit vier bis acht digitalen Eingängen pro Leiterplatte. Bei Systemen mit mehr als acht Kanälen wird es schnell unzweckmäßig. Bei einer solchen diskreten Umsetzung gibt es folgende Probleme: • Hohe Leistungsaufnahme und damit verbundene Hotspots auf der Leiterplatte. • Ein Optokoppler pro Kanal erforderlich. • Zu viele Bauteile erhöhen die Ausfallrate (FIT) und führen zu einem größeren Formfaktor. Vor allem aber bedeutet ein diskretes Designkonzept, dass der Eingangsstrom linear mit der Eingangsspannung steigt. Beispielsweise ergibt sich bei einem Eingangswiderstand von 2,2 kΩ und einer Eingangsspannung (V IN ) von 24 V folgendes Szenario. Wenn der Eingang 1 ist, d. h. 24 V, beträgt der Eingangsstrom 11 mA, was einer Leistungsaufnahme von 264 mW entspricht. Bei einem Modul mit acht Kanälen liegt die Leistungsaufnahme bei über 2 W und bei einem 32-kanaligen Modul bei über 8 W (Bild 3). Geringere Leistungsaufnahme In Anbetracht der Wärmeentwicklung eignet sich das diskrete Design nicht für Entwicklungen mit mehreren Kanälen auf einer einzigen Platine. Ein wesentlicher Vorteil eines integrierten digitalen Eingangsdesigns ist dessen deutlich geringere Leistungsaufnahme und die PC & Industrie 9/2022 171