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Bausteindesign für industrielle Umgebungen

01 Der Chip DP83460 bietet integrierte IEEE- 1588-Funktionalität und eine hochgenaue Zeitsynchronisation

Das Design robuster und zuverlässiger Lösungen für industrielle Anwendungen birgt eine Vielzahl von Herausforderungen, die bei der Auswahl der Bauelemente zu beachten ist. Die Einsatzumgebung ist nicht nur durch hohe Temperaturen und Schmutz geprägt, sondern häufig erstrecken sich die Installationen auch über größere Entfernungen. Die dadurch notwendig werdende Vernetzung erfordert Lösungen für eine präzise Synchronisation. Mit etablierten Protokollen und der Verwendung von Bauteilen, die speziell für industrielle Anwendungen konzipiert sind, lassen sich viele der angeführten Probleme einfach lösen.

In einer Rollenoffsetdruckmaschine müssen die verschiedenen Farbstationen im Interesse einer einwandfreien Druckqualität präzise zueinander synchronisiert werden. Die Geschwindigkeit des Papiers, das dem Offsetdruckprozess von einer Rolle zugeführt wird, kann bis zu ca. 50 km/h betragen, sodass eine zeitliche Abweichung von nur 0,1 s zwischen zwei Motoren bereits zu einem Längenfehler von knapp 1,4 m führt. Selbst wenn es gelingt, die Genauigkeit auf 10 ms zu steigern, beträgt der Fehler immer noch knapp 14 cm, sodass das Papier in Stücke gerissen würde. In der Praxis äußern sich die Fehler als Versatz zwischen den Druckstationen, durch den die verschiedenen Farben nicht genau aufeinander ausgerichtet sind. Wenn gemäß der Norm ISO 12647-2 bei voller Druckgeschwindigkeit ein Farbversatz von unter 13 μm eingehalten werden soll, müssen die Stationen mit einer Genauigkeit von 100 μs oder besser zueinander synchronisiert werden.

Mikrosekunden-genaue Synchronisation
Die Anbieter der Steuerungssysteme wissen um diese Problematik. Sie versehen die Steuerbefehle deshalb mit Zeitinformationen, mit denen sich das Anlaufen, das Stoppen und der Betrieb aller Motoren koordinieren lassen. Mit dem Aufkommen des nicht deterministischen Ethernet in der Industrie entstand jedoch ein Problem. Beim Standard-Ethernet kann man nicht vorhersagen, in welcher Zeitspanne eine Nachricht den Empfänger erreicht. In der IP-Welt behalf man sich mit dem Network Time Protocol (NTP), das die Synchronisation mehrerer Uhren zu einem Master ermöglicht. Die Genauigkeit ist jedoch auch hier begrenzt. Im Jahr 2002 veröffentlichte das IEEE deshalb die erste Version des Precision Time Protocol (PTP) in der Norm IEEE 1588. Die zweite Version von 2008 fand Eingang in verschiedene Automatisierungsprotokolle wie Devicenet, Controlnet und Profinet. PTP nutzt eine Master-Uhr (GPS oder Atomuhr) als Zeitnormal, zu dem mit einer Reihe von Meldungsaustausch-Vorgängen die dezentralen Uhren synchronisiert werden können – mit einer im zweistelligen μs-Bereich liegenden Genauigkeit. Die verbleibende Ungenauigkeit ist das Ergebnis des mangelnden Determinismus auf der Bit-Übertragungsschicht (Physical Layer). In Physical-Layer-Bausteinen, wie dem DP83640 (Bild 1) von Texas Instruments, ist die PTP-Funktion deshalb direkt in die Ethernet-Verbindung integriert, sodass nicht-deterministische Latenzen aus dem Physical Layer nicht mehr zum Tragen kommen. Die zeitliche Synchronisation zur Master-Uhr verbessert sich hierdurch um mehrere Größenordnung auf besser als 10 ns.

Die Temperaturproblematik
Die Synchronisation ist jedoch nur ein Teil der Probleme, die beim Einsatz von Elektronik in industriellen Umgebungen auftreten. Wärme und elektrische bzw. elektromagnetische Störbeeinflussungen kommen als zwei weitere gravierende Phänomene hinzu. Die meisten für industrielle Anwendungen ausgelegten Bauelemente können in einem Temperaturbereich von –40 °C bis 85 °C eingesetzt werden. Je nach ihrer Funktion erzeugen die Bausteine jedoch auch selbst Wärme. Linearregler etwa sind bei höheren Temperaturen ein klassisches Problem. Entsprechend dem Wärmewiderstand des verwendeten Gehäuses führt die in einem Baustein anfallende Verlustleistung direkt zu einem Anstieg der Chip-Temperatur. Gehäusebauarten wie TO-220, TO-263, SOT-223 und DPAK mit Kühlfahne helfen beim Abführen der Verlustwärme. Letztendlich entscheidet die Sperrschichttemperatur über die Leistungsfähigkeit (und Lebensdauer) eines Bausteins. In vielen industriellen Anwendungen mindern Designer deshalb die maximal zulässige Chip-Temperatur mit dem Ziel, die Lebensdauer zu erhöhen. Equipment, das bei hohen Temperaturen zum Beispiel in einem Walzwerk eingesetzt wird, ist während des Betriebs in der Regel nicht für Menschen zugänglich. Ein Ausfall hätte hier deshalb möglicherweise katastrophale Folgen. Zum Berechnen der maximalen Chip-Temperatur müssen die Wärmewiderstände zwischen der Sperrschicht und dem Gehäuse (Θ jc ) sowie zwischen Gehäuse und Umgebung (Θ ca ) bekannt sein – ersatzweise auch der kombinierte Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung (Θ ja ). Unter Zugrundelegung von Kühlkörper- oder Gebläsekühlung lässt sich anschließend die Erwärmung gegenüber der Umgebungstemperatur berechnen.

Beeinflussung durch elektromagnetische Felder
Auch hohe Feldstärken wirken sich auf die Leistungsfähigkeit eines Bausteins aus. Ein Beispiel sind präzise Messsysteme, in denen ein Operationsverstärker Signale von einem Sensor puffern oder verstärken muss. Nicht selten sind solche Sensoren direkt an oder in unmittelbarer Nähe von Motoren oder HF-Erhitzern angebracht, die sehr starke Felder emittieren können. Wenn Operationsverstärker nicht speziell für solche Bedingungen ausgelegt sind, können die in ihnen enthaltenen parasitären Dioden im Substrat diese Felder demodulieren. Die dadurch in der Signalkette induzierten Ströme können sich als Offset oder in Form anderer Fehler äußern. Beispielsweise sind die Opamps der LMV851-Familie durch zusätzliche Schaltungen gegen diese Art von HF-Einstrahlung geschützt. (no)

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Autor:
Rick Zarr ist Technologe bei Texas Instruments in Santa Clara, Kalifornien/USA. rzarr@ti.com