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Kommunikation

Bewegungsschalter mit geringem Strombedarf

| Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch, Analog Devices. / Kristin Rinortner

Grundschaltung des Bewegungsschalters
Grundschaltung des Bewegungsschalters (Bild: ADI)

Dieser Artikel beschreibt einen Bewegungsschalter mit geringem Strombedarf und gleichzeitig hohem Laststrom.

Besonders in batteriebetriebenen Geräten ist Stromaufnahme ein wichtiges Kriterium für die Schaltungsentwicklung. In der Abbildung ist die Grundschaltung dargestellt, die durch einen zweiten, programmierbaren Ausgang sowie die SPI-Schnittstelle noch erweitert werden kann.

Grundschaltung des Bewegungsschalters (Bild: ADI) Grundschaltung des Bewegungsschalters (Bild: ADI)

Das Herzstück der Schaltung ist ein auf einem Mikroelektromechanischen System (MEMS) basierter Beschleunigungsaufnehmer mit drei Achsen. Dieser Baustein, der ADXL362 von Analog Devices, hat in Kombination mit dem ADP195 einen Ruhestrom von 300 nA. Bei aktiviertem Leistungsschalter sind es weniger als 3 µA. Der Sensor des 3-achsigen Beschleunigungsaufnehmers arbeitet kapazitiv.

In Ruhestellung sind die Abstände des beweglichen Aufnehmers zum statischen Teil gleich groß (Mittelstellung). Findet eine Bewegung oder Lageänderung statt, ändern sich die Abstände und damit die Spannung am kapazitiven Spannungsteiler.

Die bewegliche Masse wird über Polysilizium-Federn im Gleichgewicht gehalten. Eine Kraft auf diese Masse, die durch die Erdanziehung oder eine Bewegung bewirkt werden kann, verursacht eine Kapazitätsänderung zwischen beweglicher Masse und der festen Struktur. Das hieraus gewonnene Signal wird verstärkt, gefiltert und durch einen ADC gewandelt. Dieser Wert kann mit voreingestellten Schwellwerten verglichen werden und wie in der Beispielschaltung an INT2 ausgegeben werden. Das Signal geht dann auf den Eingang des Leistungsschalters ADP195, um die Last (beispielsweise ein Sendemodul) zu versorgen.

Die Spannungsversorgung der Schaltung ist von 1,6 V bis 3,5 V möglich, dies erfolgt in bestimmten Fällen direkt aus der Batterie. Für die Funktion wird kein Mikroprozessor benötigt, da der ADXL362 im Stand-Alone-Modus betrieben wird. Der Baustein erkennt eine Bewegung, die einen absoluten Wert einer Beschleunigung überschreitet oder relativ ändert. Im absoluten Modus vergleicht der Baustein, ob der Wert von 1 g auf einer Achse überschritten wird. In diesem Modus ist Vorsicht geboten, da auf jeden Fall der Wert der Erdanziehung (1 g) mit in die Auswertung einfließt. Der referenzierte (relative) Modus reagiert nur auf eine Änderung der Beschleunigung. Dazu werden die ersten Daten als Referenzwert gespeichert. Wichtig ist bei beiden Modi die Zeit, in der die Änderungen über der eingestellten Grenze liegen müssen. Die Zeit für Aktivität (Aufwachen) und Inaktivität (Ruhemodus) wird in Registern eingestellt.

Der Arbeitsbereich des Sensors ist einstellbar für ±2 g, ±4 g und ±8 g. Neben der Messung von Beschleunigung kann der Sensor Temperaturen mit einer absoluten Genauigkeit von ±0,5 °C messen und über die SPI-Schnittstelle ausgeben. Um den Stromverbrauch im Betrieb mit Mikroprozessor zu minimieren, ist ein 512-bit-FIFO implementiert. Dieser speichert Daten, die über einem einstellbaren Grenzwert liegen, zwischen.

Eine weitere Anwendung mit dem Sensor ist die Freifallerkennung, wie sie in Notebook Festplatten eingebaut ist. In diesem Fall müssen alle drei Achsen eine Beschleunigung nahe null g aufweisen, da die Erdanziehung im freien Fall nicht mehr auf den Sensor wirkt. Typische Einstellungen sind 300 mg bis 600 mg und eine Zeit für Inaktivität von 150 ms bis 350 ms.

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