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Synchroner Buck-Wandler Buck-Wandler für intelligente Feldsensor-Applikationen

| Autor / Redakteur: Timothy Hegarty * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Intelligente Feldsensor-Applikationen stellen hohe Anforderungen an eine Stromversorgung, da die vom Sensor kommenden Signale möglichst ungestört übertragen werden sollen.

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Dicht bestückte Implementierung eines synchronen Buck-Wandlers.
Dicht bestückte Implementierung eines synchronen Buck-Wandlers.
(Bild: Bild: Texas Instruments)

Die Funktionalität von Feldsensor-Transmittern, die in industriellen Automations- und Steuerungsanlagen zum Messen von Temperaturen, Drücken, Durchflussmengen, Füllständen und zahlreichen weiteren Prozessgrößen eingesetzt werden, hat viele Dimensionen. Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Drucksensor-Transmitters. Enthalten sind ein Quarter-Bridge-Dehnmesstreifen, ein Mikrocontroller (MCU), ein Datenwandler, ein Eingangsverstärker, ein Ausgangstreiber, Isolatoren, eine Displayeinheit, Anschlussoptionen und ein Power-Management-Teil. Bei der Erfassung von Messgrößen in industriellen Umfeldern besteht die entscheidende Herausforderung darin, die vom Sensor kommenden Signale mit ihren geringen Amplituden in der Gegenwart starker Störungen und hoher Stoßspannungen aufzubereiten [1].

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Das Eingangssignal des Drucksensors muss in eine präzise elektrische Größe verwandelt und anschließend aus dem Feld über eine robuste Schnittstelle an eine zentrale Steuerungseinheit übertragen werden. Ein Beispiel für eine solche Schnittstelle ist die traditionelle zweiadrige 4-20-mA-Stromschleife, die nach wie vor große Beliebtheit genießt, wenn in industriellen Umgebungen mit hohem Störaufkommen Signale über längere Strecken übertragen werden müssen. Die analoge Schleife kommuniziert einerseits die erfasste Primärvariable (PV) und versorgt andererseits die Messwertgeber-Schaltung mit Strom, sofern dabei die Grenze des minimalen Schleifenstroms nicht überschritten wird [2].

Intelligente Sensorsysteme mit hohem Strombedarf

Während der Mikrocontroller und die Datenwandler einer grundlegenden Messwertgeber-Schaltung in der Regel für geringe Stromaufnahme optimiert sind (Bild 2), haben die Feature-Ausstattung und die umfangreichere Funktionalität von Hochleistungs-Sensoranwendungen einen höheren Strombedarf zur Folge. Intelligente Sensorsysteme dieser Art sind möglicherweise nicht in der Lage, die typischen Bereichsunterschreitungs-Grenzströme oder den Nullpunkt-Strom von 4 mA, wie er von der 4-20-mA-Stromschleife verlangt wird, einzuhalten. Zum Beispiel besitzt ein programmierbarer D/A-Wandler (DAC) und Schleifentreiber wie der DAC161S997 von sich aus einen ERROR_LOW-Grenzstrom von 3,375 mA. Ströme unterhalb dieses Werts werden zur Übertragung von Fehlerinformationen zu Diagnosezwecken verwendet [3].

Um einem über die Stromschleife gespeisten Messwertgeber mehr Leistung zur Verfügung stellen zu können, bietet ein hocheffizienter, geschalteter Hochvolt-Gleichspannungswandler eine eingebaute Stromvervielfachungs-Funktion, die man bei einem klassischen LDO (Low-Dropout-Linearregler) vergeblich sucht.

Ein erhöhtes, über den Bereichsuntergrenzen-Alarm von 3,375 mA hinausgehendes Strombudget gibt den Entwicklern intelligenter Sensorapplikationen den nötigen Freiraum zur Umsetzung neuer Funktionen. Hierzu werden nachfolgend einige Beispiele angeführt.

Messwertgeber mit isoliertem Eingang

Sensor-Messwertgeber mit isoliertem Eingang benötigen eine von der Stromschleifen-Versorgung galvanisch isolierte Versorgungsspannung zum Speisen des Sensors. Die Kommunikation des Sensors über die Isolationsbarriere hinweg erfolgt in der Regel über eine SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) und einen Digitalisolator. Sowohl der Digitalisolator selbst als auch die isolierte Leistungsstufe ziehen allerdings relativ viel Strom. Darüber hinaus benötigt das System auch einen A/D-Wandler (ADC), einen Mikrocontroller und einen DAC, die alle aus dem Strombudget von weniger als 4 mA versorgt werden müssen.

Eine leistungsfähigere Stromquelle ermöglicht auch mehrkanaligen Digitalisolatoren den Betrieb mit schnelleren digitalen Signalen.

Hochleistungs-MCUs für komplexe Berechnungen

Die Linearisierung des Sensorausgangs ist eine wichtige Funktion zur Einhaltung der Genauigkeitsvorgaben. In der Regel werden Hochleistungs-MCUs benötigt, um komplexe Berechnungen auszuführen und unterschiedliche Grade an Rechenleistung bereitzustellen. Hierdurch eröffnen sich vielfältige MCU-Optionen beispielsweise in Bezug auf Taktfrequenz, Speicherausstattung, Konnektivität, Peripherie und Verlustleistungs-Optimierung.

Kalibrierung und erweiterte Diagnosefunktionen

Statusinformationen, Kalibrierung und Diagnose lassen den Strombedarf weiter ansteigen. Zum Beispiel beruht die Funktion des HART®-Protokolls darauf, dass dem Gleichstrom der 4-20-mA-Stromschleife ein Signal mit einer Amplitude von 1 mA (Peak to Peak) überlagert wird [4]. Auch die WirelessHART®-Adapter, die zum Abrufen und Übermitteln von Diagnoseinformationen dienen, ziehen Strom aus der Stromschleife des leitungsgebundenen Messwertgebers [5].

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