Sensor- und Stromkreisschutz im IoT

IoT-Geräte decken heute ein breites Spektrum an Anwendungen für Unternehmen und Konsumenten ab. Dazu zählen unter anderem industrielle Steuerungen, intelligente Messungen, automatische Heimlösungen, Sicherheitssysteme sowie Anwendungen aus der Landwirtschaft, Medizin und anderen Bereichen. Aber auch der Personentransport wird Teil des IoT, da die Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation die Fähigkeiten der autonomen Fahrzeuge verbessert.

Die Zahl der IoT-Anwendungen und -Geräte wächst exponentiell, da die fortschreitende Miniaturisierung von Komponenten und die fallenden Preise für Hochleistungselektronik mit immer geringerem Energieverbrauch die Einbettung von Prozessoren, Kommunikationsmodulen, Stromquellen und anderen elektronischen Komponenten in ein immer größeres Spektrum von Objekten ermöglicht. So schätzen Marktforscher, dass die Zahl der Menschen, Maschinen und Objekte, die weltweit mit dem Internet verbunden sind, in diesem Jahr auf mehr als 31 Milliarden ansteigen wird.

Das Produktportfolio von Littelfuse umfasst verschiedene Sicherungen, Reed-Schalter und Dioden, die sich für den Einsatz in IoT-Anwendungen eignen. Littelfuse

Alle diese angeschlossenen Geräte benötigen eine Stromquelle und Verbindungsmöglichkeiten. Wenn diese ungeschützt bleiben, können sie bei elektrischen Fehlern zu Ausfällen führen. Beispielsweise entwickelt Littelfuse verschiedene Sensor- und Stromkreisschutzlösungen, die die Zuverlässigkeit und Sicherheit der mit dem IoT vernetzten Geräte erhöhen. Damit entwickeln Unternehmen ausfallsichere Geräte, die ihre Kunden vertrauensvoll nutzen können. Gerade dieses Vertrauen der Kunden in die Leistungsfähigkeit von IoT-Geräten ist im Alltag unerlässlich. Und dies gilt überall: vom eigenen Zuhause über den Transport bis hin zu industriellen Anwendungen am Arbeitsplatz.

Zwei Risikokategorien

Der Hochtemperatur-Reedsensor 59135 von Littelfuse misst bis zu einem Arbeitsbetrieb von 150 °C. Littelfuse

Internetfähige Geräte sind zwei großen Risiken ausgesetzt. Die erste Gefahr besteht darin, dass Außenstehende die Übertragungswege dieser Geräte angreifen, was die Privatsphäre und die Datensicherheit gefährdet. Eine zuverlässige Verschlüsselungstechnologie ist daher notwendig, um diese Art von Risiko zu reduzieren.

Die zweite Gefahr sind physische Schäden an den Geräten selbst, die durch eine Vielzahl von elektrischen Belastungen entstehen können. Leider vernachlässigen viele Hersteller von IoT-Geräten die Suche nach Lösungen, um diese Risiken zu minimieren, oft bis spät in den Designprozess hinein oder vergessen sie sogar ganz. Um diese Art von Gefahr zu reduzieren, müssen Geräteentwickler das Spektrum an Sensoren und Schutzkomponenten zur Absicherung ihrer Lösungen kennen und anhand von gerätespezifischen Anwendungsfällen auswählen.

Zum Beispiel enthalten internetfähige Geräte immer häufiger Touchscreen-Schnittstellen. Häufig greifen viele empfindliche Halbleitersteuerungen und Chipsätze auf diese Schnittstellen zu. Allerdings sind Chipsätze wiederum anfällig für Schäden durch elektrostatische Entladungen (ESDs) oder andere Spannungsspitzen, sofern sie nicht einen ausreichenden Stromkreisschutz aufweisen. ESD-Schwankungen ergeben sich häufig aus normalen Benutzerinteraktionen. So können Schwankungen von mehr als 10 kV entstehen, wenn eine Person das Gerät berührt, nachdem sie über einen Teppichboden gelaufen ist.

Drahtlose Geräte gelten dabei als besonders empfindlich, denn Wi-Fi-, Bluetooth- und Zigbee-Systeme sind anfällig für ESD-Belastungen. Obwohl es zahlreiche Möglichkeiten gibt, ESD-Schäden zu vermeiden, sind polymere ESD-Suppressoren und Solid-State-ESD-Schutzgeräte meist die bevorzugte Wahl, um hohe Stromstärken und -spannungen zu unterdrücken, bevor sie empfindliche Chipsätze beschädigen können.

Um die optimale Lösung für eine bestimmte Anwendung zu finden, ist häufig das Abwägen einiger technischer Kompromisse nötig: Bei einer Antenne beispielsweise hat ein Polymer-ESD-Suppressor eine geringere Kapazität, die aber die Signale abschneiden könnte. Ein TVS-Diodenarray kann daher vorzuziehen sein, wenn der verfügbare Platz stark begrenzt ist und mehrere Geräte benötigt werden.

Integrierter Stromschutz

Jedes IoT-Gerät benötigt eine Stromquelle, sei es Wechselstrom aus dem Netz, in Akkus und Batterien gespeicherter Gleichstrom oder sogar Strom aus Energiegewinnungsgeräten wie Solarzellen. Der Schutz der Stromversorgung sehen viele Entwickler allzu oft als selbstverständlich an. Doch netzbetriebene Geräte unterliegen wiederholten Spannungs- und Stromspitzen oder schwankenden Spannungen im Stromnetz. Gleichzeitig müssen sie den gesetzlichen Sicherheitsanforderungen entsprechen, die in verschiedenen Normen von IEC, UL oder CE festgelegt sind.

Bei batteriebetriebenen und Energiegewinnungsgeräten handelt es sich in der Regel um Lithium-Ionen-Energiespeicher, die regelmäßigen Ladezyklen ausgesetzt sind. Ladegeräte, Stecker und Kabel erfordern aber einen umfassenden Überstrom- und Übertemperaturschutz. Zwar ist es nötig, Zeit und Geld zu investieren, um einen angemessenen Schutz der Schaltung zu gewährleisten, jedoch verlängert dies die Lebensdauer der Geräte, reduziert Garantie-Rückgaben und senkt zudem die Gesamtbetriebskosten.

Da tragbare Geräte auf Akkus als Stromquelle angewiesen sind, muss ein System den Ladevorgang kontrollieren, um sie vor Überstrom- und Übertemperatureffekten zu schützen. Ansonsten kann sich ihre Lebensdauer verkürzen. Externe Kurzschlüsse, unkontrollierte Ladezustände oder missbräuchliches Laden können sowohl primäre (nicht wiederaufladbare) als auch sekundäre (wiederaufladbare) Lithium(Li)-Zellen beschädigen. Rücksetzbare Polymer-Positive-Temperature Coefficient-Geräte (PPTC) sind in einer breiten Palette von oberflächenmontierbaren Gehäusen in kleinen Größen bis zu 0402 erhältlich. Diese PPTC-Geräte bieten einen Überstromschutz für den Akku während des Ladevorgangs und tragen so zur Erhaltung seiner Lebensdauer bei.

Ultrakompakte oberflächenmontierbare Geräte mit niedrigem Widerstand eignen sich gut für mobile Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen. Die Geräte können sowohl Überstrom- als auch Übertemperaturschutz für Akkupack-PCMs (Schutzschaltmodule) bieten, die in immer kleineren Endgeräten wie Smartphones und tragbaren Mediaplayern zum Einsatz kommen. Auch akkubetriebene Produkte unterliegen wie netzbetriebene Geräte einer Vielzahl von Sicherheitsvorschriften und müssen zahlreichen Normen entsprechen.

Das TVS-Diode-Array SP1013 umfasst Back-to-Back-Zener-Dioden zum Schutz elektronischer Geräte, die elektrostatischen Entladungen (ESD) ausgesetzt sein könnten. Littelfuse

Mit dem IoT vernetzte, tragbare Geräte wie Smart Watches, Fitnesstracker oder aktuelle Medizintechnik wie Herzschrittmacher und Insulinpumpen stellen aufgrund ihrer geringen Größe besondere Anforderungen an den Stromkreisschutz. So muss die gewählte Lösung ein hohes Maß an ESD-Schutz mit einer kompakten Form verbinden. Häufig wählen Entwickler TVS-Dioden-Arrays in Gehäusen der Größe 0201 (0,6 mm × 0,3 mm) für HF-Schaltungen und Universalschaltungen oder sogar in TVS-Dioden-Arrays der Größe 01005 (0,4 mm × 0,2 mm) für noch enger gepackte Schaltungen. Alternativ können auch polymerbasierte ESD-Suppressoren zum Schutz Verwendung finden, wenn eine minimale Beeinflussung der Signal-/Datenraten erforderlich ist.

Die Cloud und das IoT

Damit das IoT Realität wird, braucht es immer kleinere Fitnessarmbänder oder industrielle Geräte, welche die Produktivität überwachen. Ebenso kritisch sind die Möglichkeiten, mit denen diese Geräte kommunizieren und die erzeugten Daten austauschen können. Der steigende Bedarf an Rechenzentrums- und Cloud-Ressourcen sowohl aus Sicht der Unternehmen als auch der Verbraucher hat zur Entwicklung von großen Public-Cloud-Rechenzentren geführt. Diese sogenannten Hyperscale-Data-Center sind für die wachsenden Datenmengen ausgelegt, die Milliarden von Menschen, Maschinen und andere Objekte erzeugen, aus denen das IoT besteht.

Möglicher Datendiebstahl stellt bei weitem nicht die einzige Bedrohung für diese Einrichtungen dar. Um die Funktionsfähigkeit von Rechenzentren zu gewährleisten, müssen ihre Entwickler und Betreiber auf eine breite Palette an modernen Komponenten zum Schutz von Schaltkreisen, Sensoren, Schaltern und Energiemanagement setzen. Sie nutzen häufig Polymer-ESD-Suppressoren, Multilayer-Varistoren und TVS-Dioden-Arrays, um vor der Gefahr eines fehlerhaften Schaltungsbetriebs, latenter Defekte und sogar katastrophaler Ausfälle empfindlicher Komponenten durch ESDs zu schützen.

Der ESD-Entstörer der Xtreme-Guard schützt empfindliche elektronische Geräte vor extremen elektrostatischen Entladungen. Littelfuse

Ohne Lösungen wie Metalloxidvaristoren (MOVs), Gasentladungsröhren (GDTs) und TVS-Dioden können Lastschalttransienten in Leistungselektronikschaltungen und induzierte Überspannungen durch Blitzschlag Geräteausfälle oder fehlerhaften Betrieb auslösen. Dadurch kann es zu teuren Ausfallzeiten oder beschädigten Daten kommen. Nur sorgfältig ausgewählte Sicherungen und rücksetzbare PTCs können Überlastungen und Kurzschlüsse sowie dadurch ausgelöste Brände, Explosionen, Lichtbögen oder Stromschläge verhindern.

Die physische Sicherheit eines Rechenzentrums ist ebenfalls nur so gut wie das schwächste Glied. Daher ist es auch notwendig, die Leitungen zu schützen, die Sicherheitskameras mit Strom versorgen und die Daten der Kameras an das Sicherheitssystem weiterleiten. Ebenso wichtig ist eine funktionierende Zugangskontrolle. Hier kommen häufig Reedsensoren zum Einsatz, die den Öffnungs- und Schließzustand von Serverschranktüren melden und so den Zugriff auf die Schränke überwachen.

Fazit 

Das IoT wird in den kommenden Jahren zunehmend zu einem zentralen Bestandteil der Geschäftsstrategie für Unternehmen, da es in allen Märkten große Chancen öffnet. Doch Lösungen für Konsumenten müssen zuverlässig funktionieren und die Lebensqualität erhöhen. Business-Anwendungen sollen dabei helfen, eine bessere Kontrolle über Gesamtbetriebskosten zu erlangen und Kundenanforderungen flexibler zu erfüllen. In allen Fällen ist ein robuster Sensor- und Stromkreisschutz notwendig, um das IoT sicher und fehlertolerant zu realisieren.

(prm)