Sensor-ICs sind nahezu überall zu finden und können praktisch jede Art von physikalischen Messgrößen erfassen. Ob es um das Messen der Umgebungstemperatur oder der Luftfeuchtigkeit in einem Raum geht oder um das Detektieren von Fahrzeugen und anderen Hindernissen auf der Straße – Sensor-ICs sind so etwas wie die Sinnesorgane moderner Systeme und helfen diesen, schneller und zuverlässiger auf ihre Umgebung zu reagieren
Aktuelle Entwicklungen bei Sensor-ICs: höhere Leistungsfähigkeit und Effizienz
Meist sind Sensor-ICs für eine bestimmte Modalität wie Strom, Spannung, Feuchtigkeit, Nähe, Radar oder ähnliches ausgelegt. Die aktuellen Entwicklungen bei diesen Bausteinen konzentrierten sich darauf, mehr Fähigkeiten in den IC zu integrieren und gleichzeitig die Genauigkeit und Zuverlässigkeit für die jeweilige Modalität zu steigern. Das Resultat dieser Entwicklungen ist eine Verbesserung der Systemperformance, verbunden mit erhöhter Energieeffizienz und in manchen Fällen auch mit erweiterten Anwendungsmöglichkeiten.
Ein Beispiel für solch eine Entwicklung ist die fortlaufende Überwachung des Innenraums und der näheren Umgebung eines Autos mithilfe stromsparender Radartechnik. In der Vergangenheit hatten Radarsysteme den Nachteil, dass sie viel Strom verbrauchten, weshalb sie bei abgestellten Fahrzeugen nicht ständig eingeschaltet bleiben konnten. Innovationen auf dem Gebiet der Millimeterwellen-Radarsensoren (mmWave) ermöglichen inzwischen jedoch eine ununterbrochene 360°-Überwachung eines Fahrzeugs, um unbefugte Zugangsversuche oder zurückgelassene Kinder detektieren zu können.
Sensor-ICs für Ladestationen von Elektrofahrzeugen
Eine wichtige Rolle spielen Sensor-ICs auch bei der Umstellung von Verbrennungsmotoren auf Elektroantrieb. Dies betrifft insbesondere die Strom- und Spannungsüberwachung in Batteriemanagement-Systemen, Bordladegeräten und Gleichstrom-Schnellladestationen (Bild 1).
Speziell die DC-Schnellladestationen machen deutlich, wie bedeutsam Stromsensoren in Elektrofahrzeugen (EVs) sind, und zwar insbesondere für den Leistungsregelkreis der Ladestation. Stromsensoren überwachen die Signalbandbreite sowie etwaige Verstärkungs- und Offsetfehler, die die Fähigkeit des Power-Moduls beeinflussen können, die AC/DC-Wandlung zum schnellen Aufladen der Batterie zuverlässig zu regeln. In Systemen, in denen der Stromverbrauch ein wichtiges Designkriterium ist, kann außerdem eine Shunt-basierte Strommesslösung mit isolierten Verstärkern oder Delta-Sigma-Modulatoren wie dem AMC1306M05 oder dem AMC3302 implementiert werden.
Einsatzbereiche von Sensor-ICs im Automotive-Bereich für mehr Komfort und Sicherheit
Sensor-ICs kommen im Automotive-Bereich jedoch nicht nur im Batteriemanagement und in Ladesystemen, sondern in weitaus mehr Anwendungen zum Einsatz. Die Elektrifizierung von immer mehr Systemen im Auto, von den Scheibenwischern bis hin zur Sitzverstellung, mag zwar nicht neu sein, schafft aber weiterhin Gelegenheit, mithilfe von Sensorik für effizientere Systemdesigns zu sorgen.
Schaltende und selbsthaltende Halleffekt-Sensoren für lineare und dreidimensionale Bewegungen und Winkel ermöglichen präzise Echtzeit-Rückmeldungen zur genauen Ansteuerung von Aktoren oder Motoren, sodass die Systeme im Fahrzeug eine schnell reagierende und komfortable Nutzererfahrung ermöglichen.
In modernen Fahrzeugen werden Sensoren jedoch nicht nur genutzt, um den Insassen mehr Komfort zu bieten. Sie kommen vielmehr auch in Systemen zum Einsatz, die mehr Sicherheit gewährleisten sollen, indem bevorstehende Ausfälle erkannt werden, noch bevor sie tatsächlich geschehen. Notwendig sind hierfür Sensor-ICs mit Diagnose-Features zur Unterstützung von Funktionen auf der Baustein- und System-Ebene, mit denen Ausfälle bei laufendem Betrieb erkannt, überwacht und gemeldet werden können. Positionsgeber wie die Bausteine TMAG5170-Q1, TMAG5170D-Q1 oder TMAG5173-Q1 sind dafür ausgelegt, die Funktion von Systemen im Auto zu überwachen und etwaige Fehler schnell zu detektieren, um die Einhaltung von Vorschriften, wie sie etwa in der Norm ISO 26262 festgelegt sind, bis zur Stufe ASIL D zu ermöglichen.
Stromerfassung mit isolierten Verstärkern und Halleffekt-Stromsensoren in aktuellen Rechenzentren
Die Server in aktuellen Rechenzentren (Bild 2) müssen immer größere Datenmengen speichern und analysieren, was ihren Stromverbrauch ebenfalls ansteigen lässt. Vor diesem Hintergrund stellt das Anheben der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads von Server-Stromversorgungen (Power Supply Units, PSUs) eine Möglichkeit dar, den Betrieb von Rechenzentren zu optimieren.
Die Effizienzstufe 80 Plus Titanium ist bei PSUs inzwischen als Mindestanforderung für Rechenzentren der aktuellen und der nächsten Generation etabliert. Die Stromerfassung, die eine bedeutende Rolle beim Erreichen dieses Effizienzgrads spielt, lässt sich mit isolierten Verstärkern und Halleffekt-Stromsensoren implementieren. Sensoren wie die isolierten Stromerfassungs-ICs AMC3302 und TMCS1100 können in PSUs dazu beitragen, die für 80 Plus Titanium erforderliche Effizienz von mehr als 96 % zu erreichen.
Der isolierte Verstärker AMC3302 liefert Eingangsspannungen von ±50 mV und erlaubt damit die Verwendung von Shunt-Elementen mit kleineren Widerstandswerten, was die Verlustleistung des jeweiligen Verstärkers senkt und den Systemwirkungsgrad entsprechend verbessert. Der Halleffekt-Sensor TMCS1100 verwandelt Signale mithilfe des Magnetfelds im IC selbst und kommt daher ohne isolierte Stromversorgung aus. Mit ihrem Eingangswiderstand, der beim Erfassen hoher Ströme > 1 mΩ sein kann, sorgen diese Sensoren außerdem für geringere Verluste.
Sensor-ICs für Energiemanagement-Anwendungen
Bei der Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen ist es nicht damit getan, nur die Energieerzeugung selbst zu ändern. Gefragt sind stattdessen auch eine effiziente Verteilung und Koordination der Energie auf dem Weg zu den einzelnen Gebäuden und Haushalten. Ein simultan abtastender A/D-Wandler (ADC) wie der ADS131M04, der einen weiten Dynamikbereich besitzt und mit interner Kalibrierung aufwartet, eignet sich in einem Stromzähler zum Einholen von Energieverbrauchsdaten, deren Genauigkeit so verlässlich ist, dass sie für ein effizientes Energiemanagement herangezogen werden können.
Der ADS131M04 lässt sich direkt mit einem Widerstandsteiler, Stromwandler oder Shunt verbinden, wenn das vorliegende Design einen Mehrphasen-Zähler mit Shunt-Messung benötigt. Er erreicht eine hohe Genauigkeitsklasse (Klasse 0,1) und eignet sich mit seiner hohen Abtastrate auch zum Messen von Oberschwingungen, um im Lastmanagement und für weitere anspruchsvolle Features eingesetzt zu werden.
Sensor-ICs für Kollaboration und Sicherheit in der Robotik
Der über sämtliche Branchen hinweg wachsende Automatisierungsbedarf führt zu einem vermehrten Einsatz von Robotern sowohl in Fabriken als auch im täglichen Leben. Damit autonome Robotersysteme erfolgreich eingesetzt werden können, müssen sie mit ihrem Umfeld interagieren können, wenn sie gemeinsam mit Menschen oder anderen Robotern arbeiten und existieren. Um die Voraussetzungen für Kollaboration und Sicherheit zu schaffen, werden die Roboter mit Sicht-, Radar- und Lidarsystemen bestückt, da diese Modalitäten ihnen die Fähigkeit verleihen, die Nähe und die Art von Objekten in ihrer Umgebung wahrzunehmen.
In Fahrassistenzsystemen stellen Sensor-ICs nötige Informationen zur Verfügung
Ganz ähnlich wie Menschen, nutzen auch Roboter ihren Seh-, Hör- und Tastsinn zum Reagieren auf die Welt um sie herum. Auf diese Weise können sie beispielsweise ihre Geschwindigkeit vermindern oder ganz anhalten, wenn sie sich einem Menschen oder einem anderen Roboter nähern oder wenn sie sich auf ein Hindernis zubewegen. Nicht viel anders ist es bei Fahrassistenzsystemen: hier sind die Autos rundherum mit Sensoren bestückt, die in Echtzeit eine 360°-Sicht auf das Umfeld bieten (Bild 3). Diese „Sinnesorgane“ stellen dem Autofahrer aussagefähige Informationen zur Verfügung, um etwaige Gefahren erkennen und entsprechend reagieren zu können.
Sensoren zur Abstandsbestimmung und Navigation
Radarsensoren für den mmWave-Bereich von TI wie der AWRL6432 liefern präzise Messwerte für Robotik- und Automotive-Anwendungen. Sensoren dieser Art erfassen nicht nur die Entfernung von Objekten in ihrem Sichtfeld, sondern auch die relativen Geschwindigkeiten etwaiger Hindernisse – und dies auch unter erschwerten Bedingungen wie etwa bei Dunkelheit.
Diese Sensoren nutzen elektromagnetische Wellen und deren Reflexionen zur Bestimmung der Richtung und Distanz beweglicher Objekte, indem deren Geschwindigkeit, Winkel und Entfernung gemessen wird. Anhand der Geschwindigkeit, mit der sich Objekte dem Sensor nähern, können Roboter und Fahrzeuge ihre Aktionen vorausschauender planen. Zusätzlich sind die mmWave-Sensoren von TI gemäß Safety Integrity Level 2 zertifiziert und mit eingebauten Sicherheitsfunktionen ausgestattet, um kommende Sicherheitsnormen auf Systemebene zu erfüllen.
Für die Navigation autonomer mobiler Roboter (Bild 4) ist eine präzise Wegstreckenzählung notwendig, die durch Erfassung der Radumdrehungen umgesetzt wird. 3D-Halleffekt-Positionssensoren wie der TMAG5170 bieten ultrahohe Genauigkeit bei Abtastraten bis zu 20 KSPS in Verbindung mit einem reduzierten Stromverbrauch. Ein weiterer Vorteil des TMAG5170 ist seine eingebaute Winkelberechnungs-Einheit, die den Mikrocontroller entlastet und ihn für andere Aufgaben freistellt.
TI investiert Entwicklungsarbeit und Finanzmittel in Sensortechnologien, die die Möglichkeiten der Sensorik in modernen Systemen weiter vorantreiben und der Elektronik, mit der wir Tag für Tag umgehen, ein schnelleres und präziseres Agieren und Reagieren mit ihrer Umgebung ermöglichen. Mit dem umfangreichen Sensing-Portfolio von TI lassen sich präzise und zuverlässige Überwachungs-, Schutz- und Steuerungslösungen für Systeme realisieren.