Stilisierte Glühbirne

Sensoren sollen klein, effizient und am besten noch multifunktional sein, dadurch sind sie in zahlreichen Anwendungen einsetzbar.(Bild: iconimage @ AdobeStock)

Das Wachstum bei Anwendungen für Industrie, IoT, medizinische Wearables, Fitness- und Gesundheitsmonitore ist enorm – und die Systeme werden immer datenzentrierter. Dabei steigt ständig der Bedarf an mehr Funktionalität bei diesen datenzentrierten Systemen, während der Energiebedarf stetig sinken soll. Der Trend geht zu intelligenten Systemen, die eine Person oder eine Umgebung aktiv überwachen, um vorausschauend mit Warnungen, Maßnahmenempfehlungen oder Aktionen zu reagieren. Doch die Reaktion kann nur so gut sein, wie die zur Verfügung gestellten Daten. Deshalb benötigen diese Systeme große Mengen hochpräziser Daten, die über einen einzelnen Sensor oder ein Netz drahtloser Sensoren erfasst werden.

Für Entwickler von Sensoranwendungen besteht die Herausforderung darin, ein Sensormodul mit minimalem Platzbedarf zu entwickeln, das sowohl eine hohe Genauigkeit bietet als auch über eine lange Batterielaufzeit verfügt. Hierfür gibt es zwei Ansätze: Maximierung der Energieeffizienz von Komponenten und Systembetrieb oder Investition in eine neue Architektur mit geringerem Energieverbrauch. Der erste Ansatz verspricht den Entwicklern ein kurzfristiges Erreichen ihrer Ziele, indem sie Systeme entwickeln, die länger mit einer Batterieladung auskommen und dadurch reaktionsschneller und genauer sind.

Sensoren als Innovationstreiber

Mit der zunehmenden Nachfrage für intelligentere KI-Systeme steigt auch der Bedarf an Sensoren mit zusätzlichen Funktionen, höherer Genauigkeit und längerer Lebensdauer. Die Sensoren müssen eine kleine Schaltungsgröße bieten, die entweder von einer Person getragen oder miteinander vernetzt werden können, um den Gesundheitszustand einer Person oder den Status einer Produktionshalle, eines Gebäudes oder einer Stadt zu bestimmen, damit die Systeme proaktiv statt reaktiv agieren können. Die Innovation findet auf vielen verschiedenen Ebenen im Netz der Sensoren statt, die KI-Systeme ermöglichen. In erster Linie sind es die Halbleiterhersteller, die Sensor-Bausteine mit geringem Stromverbrauch und niedriger Versorgungsspannung bereitstellen und damit den Ingenieuren von heute helfen, intelligentere und effizientere Systeme für die Zukunft zu entwickeln.

Digitaler Thementag IoT-Applikation am 09.11.2021

Digitaler Thementag IoT-Applikation am 09.11.2021

Welche Komponenten sind für das Internet of Things (IoT) erforderlich, welche Sensoren, Aktuatoren, Connectivity/Netzwerkanbindung, Gateways, Protokolle, Software, Security-Lösungen, etc.? Wie werden die Daten gesammelt, gesendet und ausgewertet? Welche Benutzer will ich mit dem System erreichen? Wie mache ich das Produkt letztlich auch zu einem geschäftlichen Erfolg?

Genau hier setzt der Thementag IoT von all-electronics.de an, denn an diesem Tag geht es nicht nur um irgendein Einzelelement, sondern um die Auswahl für und das Zusammenwirken im Zielsystem und darum, was bei der Auswahl der passenden Komponenten, Technologien und Software wirklich wichtig ist.

Weitere Informationen und die Anmeldung finden Sie hier.

Maximierung der Energieeffizienz

Die vier grundlegenden Blöcke einer Sensor-Systemlösung sind die Stromversorgung des Systems, der Sensor, die Sensorsignalverstärkung und die Signalverarbeitung. Die Auswahl der richtigen Bausteine ist entscheidend für die Maximierung der Batterielaufzeit des Sensormoduls. Für eine Verbesserung der Energieeffizienz und der Messgenauigkeit lohnt sich ein Blick auf die einzelnen Blöcke.

Sensorauswahl

Der erste Blick gilt dem Sensor. Es gibt zwei Haupttypen von Sensoren, die in den derzeitigen Sensormodulen verwendet werden: Single-Ended- und Differentialsensoren. Zu den Single-Ended-Sensoren zählen elektrochemische Sensoren für die Blutzuckermessung, Gassensoren und tragbare medizinische Sensoren. Differentialsensoren verwenden in der Regel einen Messgerät-Verstärker für Anwendungen wie industrielle Druck- oder Kraftanwendungen, industrielle Temperaturanwendungen sowie Luftströmungs- und Okklusionssensoren in medizinischen Anwendungen.

Die gängigste Art von Sensoren sind die elektrochemischen Sensoren. Das sind Sensoren mit geringem Stromverbrauch, zu denen auch Blutzuckersensoren gehören. Andere Anwendungen sind Gassensoren wie Kohlendioxidsensoren (CO2), Sensoren für die Wasserqualität (Leitfähigkeit, pH-Wert usw.), Alkoholsensoren für die Messung des Motorölverschleißes und Sensoren zum Nachweis von Sprengstoffen.

Die meisten Anwendungen für elektrochemische Sensoren sind tragbar und batteriebetrieben. Ein CO2-Sensor für den Hausgebrauch hält in der Regel fünf bis sieben Jahre und benötigt alle sechs bis zwölf Monate eine neue Batterie. Um die Batterielaufzeit zu verlängern, verwenden die Hersteller die Komponenten, die der Batterie nur wenig Strom entziehen.

Herkömmliche 1,8-V-Sensor-Systemlösung.
Bild 1: Herkömmliche 1,8-V-Sensor-Systemlösung. (Bild: Maxim Integrated)

Ethanolsensor-Betrieb

Eine spezielle Art elektrochemischer Sensoren ist der Ethanolsensor. Der in Bild 1 gezeigte Ethanolsensor ist ein amperometrischer Gassensor, der einen Strom proportional zum Volumenanteil des Gases erzeugt. Dabei handelt es sich um ein Drei-Elektroden-Gerät, bei dem das Ethanol an der Arbeitselektrode (oder Sensorelektrode) gemessen wird. Die Gegenelektrode schließt den Stromkreis, während die Referenzelektrode ein stabiles elektrochemisches Potenzial im Elektrolyten liefert, das nicht mit dem Ethanol in Berührung kommt. Im Falle des elektrochemischen Sensors wird an die Referenzelektrode eine Vorspannung von +600 mV angelegt.

Da viele elektrochemische Sensoren eine feste Vorspannung benötigen, um korrekt zu funktionieren, belasten sie die Batterielaufzeit zusätzlich.

Leistungsanforderungen

Das Energiebudget des Systems und seine Batteriekapazität bestimmen letztlich die Betriebsdauer des Sensors. Das typische Ziel für eine batteriebetriebene Lösung, die einen kleinen Bauraum erfordert, ist die Verwendung einer einzelnen Batterie. Die Verwendung einer einzelligen Batterie verringert die Kapazität und wirkt sich auf die Betriebsdauer des Sensors aus. Wie lässt sich also die Betriebsdauer der Einzelzelle optimieren?

Folgend eine Betrachtung bei der Verwendung einer Alkali-Mangan-Zelle, die am Anfang ihrer Lebensdauer eine Spannung von 1,5 V hat. Diese Spannung sinkt mit der Zeit immer weiter ab, bis die Batterie bei 0,9 V ihr Lebensende erreicht. Um die Lebensdauer dieser Batterie zu maximieren, muss die Anwendung zwischen 0,9 V und 1,5 V arbeiten können, um die längst mögliche Betriebszeit der Anwendung zu erreichen. Da andere Systemkomponenten mit 1,8 V betrieben werden, ist es wichtig, einen DC/DC-Boost-Wandler zu wählen, der die Effizienz des Aktiv- und Standby-Stroms maximiert und innerhalb eines Betriebsbereichs von 0,9 V bis 1,5 V arbeitet.

Ein hoher Wirkungsgrad von 95 Prozent ist nicht das einzige Kriterium für eine effiziente Leistungsumwandlung. Aufwärtsregler müssen auch über einen breiten Strombereich hinweg effizient sein. Dies ermöglicht einen niedrigeren Ruhestrom (IQ) der Gesamtschaltung und reduziert darüber hinaus die Wärmeabgabe während des Betriebs. Da die Anwendung die meiste Zeit im Standby-Modus verbringt, ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Boost-Wandler während des Standby-Zustands mit geringer Last effizient arbeitet, um die Batterielaufzeit zu verlängern. Eine Abschaltfunktion kann den Stromverbrauch ebenfalls erheblich reduzieren, indem Teile der Schaltung deaktiviert werden und dadurch der Stromverbrauch in den Nanoampere-Bereich sinkt.

Aktuelle 1-V-Verstärker-Sensorlösung mit dem MAX40108, MAX17220, MAX32660.
Bild 2: Aktuelle 1-V-Verstärker-Sensorlösung mit dem MAX40108, MAX17220, MAX32660. (Bild: Maxim Integrated)

Signalketten-Lösung

Sensoren erzeugen in der Regel ein schwaches Ausgangssignal in der Größenordnung von Mikrovolt, während Analog-Digital-Wandler ein Signal in der Größenordnung von Volt benötigen. Daher ist die Auswahl eines hochpräzisen Verstärkers mit niedrigem Energieverbrauch die nächste wichtige Überlegung beim Design. Zwei wichtige Aspekte bei Low-Power-Verstärkern sind die Stromaufnahme und die Betriebsspannung, da viele Sensoren zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit einen Vorspannungsstrom benötigen. Dies bedeutet, dass der Sensorpart der Anwendung eingeschaltet sein muss, um eine genaue Messung zu gewährleisten. Außerdem ermöglicht eine niedrige Betriebsspannung von 0,9 V bis 1,5 V den Betrieb mit einer Einzelbatterie, was einen Boost-Wandler überflüssig macht.

Bei der Auswahl von Verstärkern mit geringem Stromverbrauch sind in der Regel Kompromisse erforderlich, das bedeutet, dass eine geringere Genauigkeit in Kauf genommen werden muss. Es gibt jedoch Verstärker mit geringem Stromverbrauch, die auch bei niedrigen Betriebsströmen und -spannungen ein hohes Maß an Genauigkeit aufrechterhalten können. Zu den Merkmalen von Präzisionsverstärkern gehören Eingangs-Offset-Spannungen im Bereich von wenigen Mikrovolt (µV), eine Offset-Spannungsdrift von nV/°C und Eingangs-Biasströme im Picoampere-Bereich.

Durch die Kombination eines Low-Power-Mikrocontrollers mit einem integrierten Analog-Digital-Wandler entsteht eine stromsparende Sensorlösung, die die Batterielaufzeit maximiert und gleichzeitig die Schaltungsgröße der Anwendung klein hält.

Messungen der Ethanolsensorlösung

Neben den Verbesserungen auf Komponentenebene kann auch die Systemarchitektur optimiert werden, um einen geringeren Stromverbrauch bei gleichbleibender Messgenauigkeit zu erzielen. Dies belegt ein Vergleich von zwei Labormessungen einer Ethanolsensorlösung mit ähnlichen Bauelementen mit einer theoretischen Messung für eine zukünftige Sensorlösung, der die Energieeinsparungen zeigt.

In diesem Experiment werden die unten aufgeführten Komponenten und Bausteine von Maxim Integrated verwendet, die identische Arbeitszyklen für elektrochemische Ethanolsensormessungen haben.

  • Elektrochemischer Ethanolsensor
  • MAX40108 Präzisions-Operationsverstärker (VDD 0,9 V bis 3,6 V)
  • MAX17220 synchroner nanoPower Boost-Wandler mit Vin von 0,4 V bis 5,5 V und True Shutdown
  • MAX6018A Präzisions-Spannungsreferenz mit 1,8 V und niedrigem Dropout
  • MAX32660 1,8-V-Ultra-Low-Power Arm Cortex-M4-Mikrocontroller
  • Einzelne 1,5-V-AA-Alkali-Mangan-Batterie

Herkömmliches 1,8-V-System

Die 1,8-V-Systemlösung wird mit einer einzelligen Batterie betrieben, die einen effizienten Boost-Wandler verwendet, um den Ethanolsensor, den Operationsverstärker und die MCU mit einem Analog-Digital-Wandler mit 1,8 V zu versorgen. Der aktive Arbeitszyklus von 0,1 Prozent wird vom Mikrocontroller gesteuert, der für eine Messung aufwacht und dann wieder in den Schlafmodus wechselt.

Der Sensor im Standby-Modus nutzt den Boost-Wandler, um die Stromversorgung des Sensors, des Operationsverstärkers und des Mikrocontrollers im Ruhezustand aufrechtzuerhalten. Im Standby-Zustand nimmt das System einen Strom von 150,8 µA auf. Für den aktiven Zustand wacht der Mikrocontroller auf und führt eine Sensormessung durch. Im aktiven Zustand zieht das System für kurze Zeit 14 mA. Da der aktive Zustand nur bei 0,1 Prozent der Zeit eintritt, beträgt der berechnete Durchschnittsstrom der Kombination aus Aktiv- und Standby-Modus 164 µA, was typisch ist für eine reale Sensoranwendung.

Blockdiagramm einer 1-V-Sensor-Lösung für zukünftige Anwendungen.
Bild 3: Blockdiagramm einer 1-V-Sensor-Lösung für zukünftige Anwendungen. (Bild: Maxim Integrated)

1-V-Verstärker-System

Bei der 1-V-Verstärkerlösung sind sowohl der elektrochemische Ethanolsensor als auch der 1-V-Operationsverstärker MAX40108 direkt an die Batterie angeschlossen. Dies erfordert einen Verstärker, der bis zu 0,9 V arbeiten kann, ein hohes Maß an Präzision beibehält und die Batterielaufzeit der einzelligen Batterie maximiert.

Der Rest der Schaltung ist ähnlich, nämlich ein Aufwärtsregler, der den Mikrocontroller und die unterstützenden Schaltungen mit 1,8 V versorgt. In dieser Konfiguration sinkt der Strom deutlich auf 81,9 µA, was einer Reduzierung von 45 Prozent entspricht. Der durchschnittliche Strom fällt ab auf 95,7 µA, was einer Reduzierung von 41,79 Prozent entspricht. Dadurch ist die Batterielaufzeit des Systems mit dem 1-V-Operationsverstärker MAX40108 fast doppelt so lang wie die des herkömmlichen Systems.

1-V-Signalketten-System für die Zukunft

In dieser 1-V-Signalketten-Lösung für zukünftige Anwendungen arbeiten der Verstärker, der Analog-Digital-Wandler und der Mikrocontroller mit einer Spannung von bis zu 0,9 V, wobei ein hohes Maß an Präzision erhalten bleibt. Dadurch kann die gesamte Signalketten-Lösung von einer einzelnen einzelligen Alkali-Mangan-Batterie gespeist werden. Ein Aufwärtswandler wird überflüssig und die Batterielaufzeit der Sensorlösung maximiert. (prm)

Autor

Tom Bui, Maxim Integrated
Tom Bui, Maxim Integrated

Tom Bui

Principal Member of Technical Staff der Power Management Business Unit bei Maxim Integrated

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