Schaltungstipp

Bewegungsschalter mit geringem Strombedarf schützt Festplatten

| Autor / Redakteur: Thomas Tzscheetzsch* / Lea Drechsel

Bild 1: Grundschaltung des Bewegungsschalters
Bild 1: Grundschaltung des Bewegungsschalters (Bild: Analog Devices)

Besonders in batteriebetriebenen Geräten ist Stromaufnahme ein wichtiges Kriterium für die Schaltungsentwicklung. Im folgenden Artikel wird ein Bewegungsschalter mit geringem Strombedarf und gleichzeitig hohem Laststrom beschrieben.

In Bild 1 ist die Grundschaltung dargestellt, die durch einen zweiten, programmierbaren Ausgang sowie die SPI Schnittstelle erweitert werden kann.

Das Herzstück der Schaltung ist ein MEMS (Mikroelektromechanisches System) 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 Beschleunigungsaufnehmers arbeitet kapazitiv. In Ruhestellung sind die Abstände des beweglichen Aufnehmers zum nicht beweglichen 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 verursacht 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 wird mit voreingestellten Schwellwerten verglichen und wie in der Beispielschaltung, an INT2 ausgegeben. Das Signal geht dann auf den Eingang des Leistungsschalters ADP195, um die Last (z.B. ein Sendemodul) zu versorgen.

Die Spannungsversorgung der Schaltung ist im Bereich von 1,6 V bis 3,5 V möglich, was in bestimmten Fällen direkt aus der Batterie erfolgen kann. Für die Funktion wird kein Mikroprozessor benötigt, da der MEMS im Stand-Alone-Modus betrieben wird. So erkennt der Baustein sowohl eine Bewegung die einen absoluten Beschleunigungswert überschreitet als auch eine relative Änderung der Beschleunigung. Im absoluten Modus prüft der Baustein ob der Wert von 1 g auf einer Achse überschritten wird. Dabei ist Vorsicht geboten, da der Wert der Erdanziehung (1g) mit in die Auswertung einfließt.

Der referenzierte (relative) Modus reagiert nur auf eine Änderung der Beschleunigung. Dazu werden die ersten Daten als Referenzwert gespeichert. Anschließend werden alle Änderungen mit dieser Referenz verglichen. 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) kann in Registern eingestellt werden. Der Arbeitsbereich des Sensors ist einstellbar für ±2 g, ±4 g und ±8 g. Neben der Messung von Beschleunigung kann der Sensor auch Temperaturen mit einer absoluten Genauigkeit von ±0,5°C Messen und über die SPI Schnittstelle ausgeben. Um den Stromverbrauch auch im Betrieb mit Mikroprozessor zu minimieren, ist ein 512 bit FIFO implementiert, der Daten über einem einstellbaren Grenzwert zwischenspeichert.

Eine Anwendung des Sensors ist die Freifallerkennung, wie sie in Notebook-Festplatten eingebaut ist. In diesem Fall müssen alle drei Achsen eine Beschleunigung nahe 0 g aufweisen, da die Erdanziehung im freien Fall nicht auf den Sensor wirkt. Typische Einstellungen sind 300 mg bis 600 mg und Inaktivitäten von 150 ms bis 350 ms.

* Thomas Tzscheetzsch ist Senior Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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