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Kommunikation Bild 6:

Kommunikation Bild 6: Verschiedene Konfigurationen für DO-Treiber damit verbundene niedrige Verlustwärme. Bei den meisten integrierten Lösungen mit digitalen Eingängen lässt sich der Eingangsstrom begrenzen, was die Leistungsaufnahme drastisch senkt. Bei einer Strombegrenzung auf 2,6 mA verringert sich die Verlustleistung erheblich auf etwa 60 mW pro Kanal. Ein achtkanaliges Digitaleingangsmodul lässt sich nun mit weniger als einem halben Watt betreiben (Bild 4). Gegen eine diskrete Logikimplementierung spricht auch, dass DI- Module manchmal verschiedene Arten von Eingängen unterstützen müssen. Die von der IEC veröffentlichte Spezifikation für Standard-Digitaleingänge mit 24 V ist in die Typen 1, 2 und 3 unterteilt. Die Typen 1 und 3 werden in der Regel gleichgesetzt, da Strom und Grenzwerte sehr ähnlich sind. Bei Typ 2 gilt eine Stromgrenze von 6 mA, die viel höher ist als bei den Typen 1 und 3. Bei einem diskreten Ansatz würde dies eine Überarbeitung des Designs erfordern, da die Werte der meisten diskreten Bauteile aktualisiert werden müssten. Integrierte Bauteile mit digitalen Eingängen können jedoch in der Regel alle drei Typen unterstützen. Standardmäßig werden die Typen 1 und 3 immer von Bauteilen mit integrierten digitalen Eingängen unterstützt. Um jedoch die Mindeststromanforderung von 6 mA für Typ- 2-Eingänge zu erfüllen, müssen zwei Kanäle parallel für einen Feldeingang verwendet werden. Dazu werden lediglich die Strombegrenzungswiderstände angepasst. Dies würde minimale Änderungen an der Platine mit sich bringen. Die aktuellen DI-Bauteile von Analog Devices haben zum Beispiel eine Stromgrenze von 3,5 mA/Kanal. Man würde also, wie gezeigt, zwei Kanäle parallel verwenden und den Widerstand REFDI sowie die Eingangswiderstände RIN anpassen, wenn das System mit Eingängen des Typs 2 arbeiten muss. Bei neueren Bauteilen lässt sich die Höhe des Stromes auch über einen Pin oder per Software auswählen (Bild 5). Um ein digitales Eingangssignal von 48 V zu unterstützen (eine eher seltene Anforderung) wäre eine ähnliche Vorgehensweise erforderlich. So müsste man die Schaltung um einen externen Widerstand erweitern, um die feldseitige Spannungsschwelle einzustellen. Der Wert des externen Widerstands wird so gewählt, dass Stromgrenze x R + Grenzwert am Pin die Spezifikation des feldseitigen Spannungsgrenzwerts erfüllt (im Datenblatt definiert). Robuste Betriebsspezifikationen Da die DI-Module mit Sensoren verbunden sind, müssen sie für robuste Betriebsspezifikationen ausgelegt sein. Bei einem Aufbau mit diskreten Bauteilen müssen die Schutzmaßnahmen sorgfältig geplant werden. Bei der Wahl von integrierten DI-Modulen ist darauf zu achten, dass diese industrietaugliche Spezifikationen aufweisen: • Großer Eingangsspannungsbereich (beispielsweise bis 40 V). • Fähigkeit zum Betrieb an der Spannungsversorgung im Feld (7 bis 65 V). • Hoher ESD-Schutz von ±15 kV (Luftentladung) und tolerant gegenüber Spannungsspitzen (typisch 1 kV). Auch sehr nützlich sind Funktionen, die Überspannung und Übertemperatur erkennen, damit die MCU entsprechende Maßnahmen einleiten kann. Entwicklung eines DO-Moduls mit hoher Kanaldichte Ein typisches diskretes DO- Modul enthält einen FET mit einer vom Mikrocontroller gesteuerten Treiber schaltung. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den FET für die Ansteuerung des Mikrocontrollers zu konfigurieren. Ein High-Side-Lastschalter (PNP) wird durch ein externes Freigabesignal gesteuert und verbindet oder trennt eine Spannungsquelle mit einer bestimmten Last. Gegenüber einem Low-Side-Lastschalter (NPN) liefert ein High-Side-Schalter (PNP) Strom an die Last, während der Low-Side-Typ (NPN) die Last mit Masse verbindet oder von ihr trennt und somit Strom von der Last ableitet. Beide Lastschalter verwenden einen einzigen FET. Das Problem beim Low-Side-Schalter besteht jedoch darin, dass die Last gegen Masse kurzgeschlossen werden könnte. High-Side-Schalter (PNP) schützen die Last vor Kurzschlüssen gegen Masse. Low-Side-Schalter (NPN) sind jedoch etwas kostengünstiger. Manchmal werden die Ausgangstreiber auch als Push-Pull-Treiber (PP) konfiguriert, was zwei MOS- FETs erfordert (Bild 6). Integrierte DO-Module können mehrere DO-Kanäle enthalten. Da die FET-Konfiguration für High-Side (PNP), Low-Side (NPN) und Push- Pull (PP) unterschiedlich ist, gibt es für jede Art von Ausgangstreiber unterschiedliche Bauteile. Interne Entmagnetisierung für induktive Lasten Einer der Hauptvorteile von integrierten DO-Modulen ist deren interne Entmagnetisierung für induktive Lasten. Eine induktive Last ist jedes Gerät mit Drahtwicklungen, die bei Erregung mechanische Arbeit verrichten, beispielsweise Solenoide, Motoren und Aktuatoren. Das durch Stromfluss erzeugte Magnetfeld kann die Schaltkontakte in einem Relais oder Schütz bewegen, Magnetventile betätigen oder eine Motorwelle drehen. Zur Steuerung induktiver Lasten verwenden Entwickler meist einen High-Side-Schalter. Die Herausforderung besteht darin, die in der Induktivität enthaltene Energie abzuleiten, wenn sich der Schalter öffnet und der Strom nicht mehr an die Last gelangt. Negative Auswirkungen vermeiden Zu den negativen Auswirkungen einer nicht fachgemäßen Entladung der Energie gehören mögliche Licht- 172 PC & Industrie 9/2022

Kommunikation Auch Diagnoseinformationen sind von Bedeutung, damit sich das Modul aus bestimmten Betriebszuständen außerhalb des zulässigen Bereichs befreien kann. Zunächst möchten Entwickler, dass die Diagnoseinformationen pro Ausgangskanal zur Verfügung stehen. Dies sind Temperatur, Überstrom, Leitungsunterbrechung und Kurzschluss. Auf Chip-Ebene sind die Abschaltung bei Übertemperatur, Erkennung von Unterspannung (VDD) und SPI- Diagnose wichtige Funktionen. Entwickler sollten auf einige oder auf alle diese Funktionen im integrierten DO-Modul achten. Bild 7: Konfigurierbares DI/DO-Bauteil mit vier Kanälen bogenbildung an Relaiskontakten, hohe negative Spannungsspitzen, die empfindliche ICs beschädigen können, und die Erzeugung von hochfrequenter elektromagnetischer Störungen (EMV), welche die Leistungsdaten des Systems beeinträchtigen können. Bei einer diskreten Implementierung wird zur Entladung der induktiven Last meist eine Freilauf diode verwendet. In dieser Schaltung ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt, während der Schalter geschlossen ist, und leitet keinen Strom. Sobald sich der Schalter öffnet, wird die Diode durch die negative Spannung an der Induktivität in Durchlassrichtung betrieben und die gespeicherte Energie kann abklingen. Dabei wird der Strom durch die Diode geleitet, bis ein stabiler Zustand erreicht ist und kein Strom mehr fließt. Bei vielen Anwendungen, speziell aber bei solchen für die Industrie, die pro I/O-Karte viele Ausgangskanäle haben, ist die Diode oft recht sperrig und erhöht die Kosten sowie die Baugröße des Designs erheblich. Moderne DO-Module enthalten diese Funktion in Form einer Art aktiver Klemmschaltung. Analog Devices implementiert zum Beispiel eine patentierte Funktion zur sicheren Entmagnetisierung (SafeDemag), die es Modulen mit Digitalausgang ermöglicht, Lasten mit unbegrenzter Induktivität sicher abzuschalten. Details findet man in einer Applikationsschrift auf https://www.maximintegrated.com/en/design/technicaldocuments/app-notes/6/6307.html. Bei der Auswahl eines DO- Moduls sind viele wichtige Kriterien zu berücksichtigen. Entwickler sollten folgende Datenblattspezifikationen besonders beachten: • Maximaler Dauerstrom. Es muss sichergestellt werden, dass sich bei Bedarf mehrere Ausgänge parallel schalten lassen, um einen höheren Strom zu erhalten. • Das Ausgangsmodul sollte mehrere Kanäle mit hohen Strömen treiben können (über den Temperaturbereich). • Die Werte für Einschaltwiderstand, Versorgungsstrom und Wärmewiderstand sollten so niedrig wie möglich sein. • Die Genauigkeit des Ausgangstreiberstromes ist ebenfalls wichtig. Diagnoseinformationen Programmierbare Digital- I/O-Module Sobald die Funktionen DI und DO in einen IC integriert werden können, lassen sich konfigurierbare Bauteile realisieren. Bild 7 zeigt ein vierkanaliges Bauteil, welches als DI oder DO konfigurierbar ist. Das Bauteil enthält einen DIO- Core, was bedeutet, dass sich ein einzelner Kanal als DI (Typ 1/3 oder Typ 2) oder als DO ent weder im High-Side- (PNP) oder im Push- Pull-Modus (PP) konfigurieren lässt. Die Stromgrenze am DO ist von 130 mA bis 1,2 A einstellbar. Eine interne Entmagnetisierung ist vorhanden. Um zwischen digitalen Eingängen des Typs 1/3 oder 2 umzuschalten, muss nur ein Pin gesetzt werden, und es sind keine externen Widerstände erforderlich. Das Bauteil ist sehr gut konfigurierbar und eignet sich für den Einsatz in industriellen Umgebungen. Das bedeutet hoher ESD-Schutz, Versorgungsspannungsschutz bis 60 V und Schutz vor Überspannungen zwischen Versorgungsleitung und Masse. Dies ist ein Beispiel wie etwas völlig anderes (ein konfigurierbares DI/DO-Modul) durch ein integriertes Konzept ermöglicht wird. Schlussbemerkung Sobald man mit der Entwicklung eines digitalen I/O-Moduls mit hoher Kanaldichte beginnt, zeigt sich, dass ab einer bestimmten Anzahl von Kanälen ein Aufbau mit diskreten Bauteilen nicht sehr sinnvoll ist. Im Hinblick auf Kriterien wie Wärmeentwicklung, Zuverlässigkeit und Baugröße muss die Möglichkeit eines integrierten Bauteils als Alternative sorgfältig geprüft werden. Bei der Wahl integrierter DIoder DO-Bauteile sind die robusten Betriebsspezifikationen, die Diagnosefunktionen und die Unterstützung von mehreren I/O-Konfigurationen wichtigen Kriterien, die es zu beachten gilt. ◄ PC & Industrie 9/2022 173