Moderne Fabriken setzen immer mehr auf Automatisierung und Roboter. Die wiederum brauchen Näherungssensoren, um festzustellen, wann sich ein Objekt in einer bestimmten Entfernung von einem Bezugspunkt befindet. Näherungssensoren können als Schalter fungieren, der umschaltet, sobald das Zielobjekt eine vorgegebene Grenzentfernung passiert. Andererseits können sie kontinuierlich Messwerte liefern, wenn die Objekte innerhalb des Einzugsbereichs des Sensors ihren Abstand ändern. Näherungssensoren können optisch, induktiv, magnetisch, kapazitiv oder per Ultraschall funktionieren, sogar mechanische Ausführungen existieren. Jede Anwendung stellt ihre spezifischen Anforderungen, für die sich jeweils ein bestimmter Typ besser eignet als andere. Optische Sensoren sind dank des hohen Entwicklungstempos der photoelektrischen Technik extrem vielseitig und können deshalb den Großteil der Näherungssensor-Aufgaben in der Industrie abdecken. Dies umfasst beispielsweise die Erfassung von metallischen und nichtmetallischen Objekten und von sehr kleinen Objekten über große Distanzen und mit kurzen Ansprechzeiten.

Auf einen Blick

Maxim zeigt mit Saratoga ein Näherungssensor-Referenzdesign für kompakte, preisgünstige Industriesensoren. Die Leistungsaufnahme liegt bei nur 150 mW, das Sensorsystem ist konform zu den IO-Link-Versionen 1.1 und 1.0 und verfügt über Überspannungs-, Verpolungs- und Kurzschlussschutz.

Mit dem reinen Sensorelement ist es aber nicht getan: Viele Fabriken stellen ihre Automatisierung auf universell akzeptierte Industrieprotokolle um. IO-Link ist das erste offene, an keinen bestimmten Feldbus gebundene und kostengünstige serielle Punkt-zu-Punkt-Protokoll für die Kommunikation mit Sensoren und Aktoren, das in eine internationale Norm (IEC 61131-9) übernommen wurde. Mit IO-Link gelingt die Standardisierung der Interoperabilität industrieller Ausrüstungen aus aller Welt. IO-Link kann direkt von der SPS aus funktionieren, lässt sich aber ebenso in alle standardmäßigen Feldbusse integrieren. Ein modernes Sensorsystem sollte sich daher an diesen De-facto-Standard für die universelle Kommunikation anbinden lassen.

Bild 1: Mit dem Saratoga genannten Referenzdesign MAXREFDES27# zeigt Maxim, wie man aus einem Näherungssensor ein 8,2 mm × 31,5 mm kleines industrielles Sensorsystemen herstellt.

Bild 1: Mit dem Saratoga genannten Referenzdesign MAXREFDES27# zeigt Maxim, wie man aus einem Näherungssensor ein 8,2 mm × 31,5 mm kleines industrielles Sensorsystemen herstellt.Maxim

Praktisches Referenzdesign

Wer Produkte für die Automatisierungsbranche entwickelt, braucht daher recht umfangreiches Wissen, von der Sensorik angefangen über die Kommunikationstechnik bis hin zur Datenaufbereitung in Mikrocontrollern. Hier helfen Rederenzdesigns, schneller zu einer eigenen Entwicklung zu kommen und sich auf die erfolgsrelevanten Funktionen zu fokussieren. Maxim präsentiert nun mit dem „Saratoga“ getauften MAXREFDES27# (Bild 1) eine Entwicklerhilfe, die den Einsatz des Sensors in der industriellen Automatisierung illustriert.

Der Infrarot-Näherungssensor MAX44000 arbeitet zunächst als Umgebungslichtsensor. Um die Annäherungen zu erkennen, muss man den Sensor mit einer Infrarot-LED kombinieren: Der Baustein sendet Infrarot-Pulse aus und erkennt anhand der Reflexionen, ob sich Personen oder Gegenstände annähern. Für ein komplettes Sensor-System sind neben dem Sensor-Element daher eine IR-LED und ein dazu passender LED-Treiber, eine Stromversorgung, Signalverarbeitung und Kommunikation nötig.

Bild 2: Neben dem Näherungssensor enthält Saratoga eine Infrarot-LED, DC/DC-Wandler, IO-Link-Transceiver sowie einen Mikrocontroller von Renesas.

Bild 2: Neben dem Näherungssensor enthält Saratoga eine Infrarot-LED, DC/DC-Wandler, IO-Link-Transceiver sowie einen Mikrocontroller von Renesas.Maxim

Intelligente Kommunikation

Saratoga nutzt das für industrielle Anwendungen konzipierte IO-Link-Protokoll 1.1/1.0, um eine effiziente bidirektionale Kommunikation zwischen einer Steuerung und dem optischen Sensor herzustellen. Dazu ist auf dem Board der IO-Link-Transceiver MAX14821 integriert (Bild 2). Das Referenzdesign gibt Anwendern die Möglichkeit, den optischen Sensor mit hoher Genauigkeit und einer Auflösung von 14 Bit einzustellen und für unterschiedliche Oberflächen und Lichtstärken zu kalibrieren. Maxim hat neben dem Linearregler MAX8532 auch den stromsparenden Hochvolt-Abwärtswandler MAX17552 integriert, um einen hohen Systemwirkungsgrad sicherzustellen. Als Mikrocontroller ist ein Renesas RL78 integriert, auf dem der IO-Link-Device-Stack von TMG TE läuft (Technologie Management Gruppe, Technologie und Engineering aus Karlsruhe).

Im Ergebnis erreicht Maxim damit eine typische Leistungsaufnahme von lediglich 150 mW auf einer 8,2 × 31,5 mm2 kleinen Platine. Da das Board nur sehr wenig Wärme entwickelt, kann der Sensor zuverlässig und sehr lange arbeiten. Der verbaute IO-Link-Transceiver sorgt für eine robuste IO-Link-Performance: Er besitzt eine Selbstkonfigurations-Funktion und ermöglicht eine effiziente bidirektionale Kommunikation zwischen Sensor und Steuerungsmodul. Außerdem enthält er mehrere Schutzmechanismen.

Bild 3: Der Näherunssensor MAX4400 integriert neben dem Lichtsensor das Analog-Frontend inklusive Umgebungslichtfilter, zwei 14-Bit-AD-Wandler sowie eine digitale Schnittstelle.

Bild 3: Der Näherunssensor MAX4400 integriert neben dem Lichtsensor das Analog-Frontend inklusive Umgebungslichtfilter, zwei 14-Bit-AD-Wandler sowie eine digitale Schnittstelle.Maxim

MAX44000

Wesentlicher Bestandteil des Referenzdesign ist der digitale Umgebungslicht- und Infrarot-Näherungssensor MAX44000 (Bild 3), der das Licht wie ein menschliches Auge wahrnimmt. Der Baustein wurde auf Basis der unternehmenseigenen BiCMOS-Technologie entwickelt und integriert drei optische Sensoren, zwei Analog-Digital-Wandler und verschiedene Digitalfunktionalitäten in einem winzigen 2 × 2 × 0,6 mm3 großen UTDFN-Opto-EP-Gehäuse mit 6 Pins. Diese Integration spart Platz auf der Leiterplatte und bietet gleichzeitig hohe optische Funktionalität und hervorragende Lichtmesseigenschaften. Dabei begnügt sich der MAX44000 mit einer Stromaufnahme von nur 5 µA bei aktiviertem Umgebungssensor und nur 7 µA beim parallelen Betrieb von Näherungs- und Umgebungslichtsensor.

Außer für den Einsatz in Industriesensoren und Präsenzmelder eignet sich der MAX44000 auch für berührungsempfindliche Bildschirme von Smartphones und Mobilgeräten: Wenn der Besitzer sein Smartphone an das Ohr heranführt, muss das Gerät seinen Touchscreen abschalten, um Gesprächsunterbrechungen durch ungewollte Berührungen zu verhindern. Dank des Näherungssensors erkennt das Handy, wenn sich ein Objekt innerhalb einer bestimmten Entfernung befindet.

Nach Empfang eines Sensorsignals durchläuft dieses im MAX44000 zunächst eine eingangsseitige Schaltung, um die Infrarotanteile des Umgebungslicht zu unterdrücken, bevor ein ADC das Signal digitalisiert. So kann der Sensor auch bei starker Umgebungs-IR-Strahlung problemlos eingesetzt werden. Durch die Speisung der externen Infrarot-LED mittels Einzelpulsverfahren ist der Sensor auch gegenüber externer, festfrequenter Infrarotstrahlung unempfindlich. Aufgrund dieser Störimmunität lässt sich ein zuverlässigerer Sensorbetrieb gewährleisten. Herkömmliche Lichtsensoren werden durch UV- und IR-Licht, welches für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist, stark in ihrer Messleistung beeinträchtigt, was zu ungenauen Umgebungslichtwerten führen kann.

Mit seiner BiCMOS-Technologie integriert Maxim zwei Fotodioden und einen optischen Filter, um IR- und UV-Anteile zu unterdrücken. So ist der MAX44000 in der Lage, die optische Wahrnehmung des menschlichen Auges für eine Vielzahl denkbarer Umgebungen nachzubilden. Der erweiterte Betriebstemperaturbereich von -40 bis +105 °C trägt zur verbesserten Robustheit des Gesamtsystems bei und ermöglicht im industriellen Umfeld den Einsatz an schwierigen Orten.

Der Beitrag basiert auf Textmaterial von Maxim.