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Wie sich intelligente Messwert­geber zuverlässig versorgen lassen

| Autor / Redakteur: Timothy Hegarty * / Thomas Kuther

Stromschleifengespeister Messwertgeber mit BLE-Konnektivität

Auf der Basis des in Bild 1 gezeigten Systems stellt die in Bild 3 dargestellte Leiterplatte die praktische Umsetzung eines Messwertgebers für relative Luftfeuchte und Temperatur dar, der die leitungsgebundene Kommunikation per 4-20-mA-Stromschleife sowie die drahtlose Anbindung per BLE unterstützt [1]. Implementiert ist die Lösung auf einer einseitig bestückten, vierlagigen FR4-Leiterplatte mit den Maßen 45 mm x 45 mm. Die wichtigsten Bauteile sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die für Micropower-Applikationen optimierte MCU des Typs CC2650 ist auf einzigartige Weise flexibel, denn sie lässt sich sowohl hardware- als auch softwaremäßig dynamisch für die Unterstützung eines von mehreren 2,4-GHz-Funkstandards konfigurieren, was die Kommunikation mit ZigBee- und Bluetooth-basierten Geräten erlaubt. BLE ist in dieser Implementierung das Protokoll der Wahl, denn die Leistungsaufnahme ist gering, es gibt einen Bluetooth-4.2-zertifizierten Software-Stack mit allen Features [5] und es steht ein umfangreiches Ökosystem an Bauelementen zur Verfügung.

Der Feuchte- und Temperatursensor HDC1080 ist über ein I2C-Interface an die MCU angeschlossen. Er ist werksseitig für eine Messgenauigkeit von ±2% (relative Feuchte) bzw. ±0,2% (Temperatur) kalibriert. Der Mikrocontroller wiederum kommuniziert per SPI mit einem Schleifentreiber des Typs DAC161S997, um die Feuchtedaten mit 16 Bit Genauigkeit über eine 4-20-mA-Stromschleife zu übertragen. 0% relative Feuchte werden mit einem Schleifenstrom von 4 mA signalisiert, 100% dagegen mit 20 mA.

Stromschleifengespeister Abwärtswandler

Um einem fortschrittlichen, stromschleifengespeisten Messwertgeber mehr als die 3,6 mA zur Verfügung zu stellen, die maximal aus der 4-20-mA-Stromschleife bezogen werden können, wird ein hocheffizienter Gleichspannungswandler eingesetzt, dessen prinzipbedingte Stromvervielfachungs-Fähigkeit von einem herkömmlichen LDO-Regler nicht geboten wird. Eine gute Wahl ist ein hocheffizienter synchroner Abwärtswandler wie der LM5165 von TI, der für einen Laststrombereich von 1 mA bis 25 mA optimiert ist [4].

Bild 4 zeigt die Beschaltung dieses Wandlers, der bei einer Nenn-Eingangsspannung von 24 VDC mit einer Schaltfrequenz von etwa 220 kHz arbeitet. Diese Stromversorgungs-Lösung ist einfach anzuwenden und benötigt keine Bauteile zur Regelkreiskompensation. Die Version mit einer fest eingestellten Ausgangsspannung von 3,3 V erfordert für ihren Betrieb lediglich eine Spule und zwei Kondensatoren.

Zu den eingebauten Features, die den Platzbedarf verringern und die Zuverlässigkeit verbessern, gehören eine zyklusweise Strombegrenzung, eine intern fest eingestellte oder von außen variierbare Softstart-Funktion, eine präzise Enable-Funktion mit individuell einstellbarer Hysterese für die programmierbare UVLO-Funktion (Under­voltage Lockout) sowie eine als Open-Drain-Ausgang ausgeführte Power-Good-Funktion (PGOOD) für Sequencing und Fehlermeldung.

EMV-Eigenschaften

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung elektronischer Produkte jeglicher Art und von kritischer Bedeutung für die Systemintegration. Tabelle 2 nennt eine Reihe wichtiger EMV-Normen und die empfohlenen Messpegel für Sensoranwendungen.

Das in Bild 4 gezeigte Eingangsfilter enthält Schottkydioden für den Verpolungsschutz des Eingangs und eine TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor) für den Surge-Schutz. Der mit RIN bezeichnete, mit dem Eingang in Reihe geschaltete Widerstand ist typisch für Schaltungen mit 4-20-mA-Stromschleife. Er sorgt nicht nur für eine gedämpfte EMI-Filterung, die Abschwächung der Eingangswelligkeit und den Schutz vor Inrush-Strömen, sondern verbessert auch die Kleinsignal-Stabilität der Stromschleife. Ein zur Messung des Schleifenstroms dienender 40-Ω-Widerstand ist explizit eingezeichnet, obwohl er meist in den Schleifentreiber integriert ist (Bild 1).

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