Das Themen-Magazin für Entwickler · Darstellung der Umgebung die Geschwin-digkeit abbildet. Bestimmend für die Auflö-sung eines Radars sind Antennenfläche und Anzahl der Kanäle:

2 elektronik journal 06 / 2019

www.all-electronics.de


Das Themen-Magazin für Entwickler

BAUELEMENTEAnwendungen konkret: Die

passenden Sensoren für

Lidar-Systeme fi nden 08

POWERRaue Bedingungen:

DC/DC-Wandler für das

Transportwesen 18

ELEKTROMECHANIKSignalverdrahtung und

-absicherung für eine

ausfallsichere Verbindung 32

Vom Auto über Bahn bis Flugzeug

DAS GANZE SPEKTRUM

Juli 2019

AUTOMOTIVE + TRANSPORTATION

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Editorial

EDITORIAL

Transportation-Synergien

Die Entscheider im Bereich Auto-

mobil-Elektronik sind sich sicher,

dass derzeit drei Megatrends die

(Entwicklungsaktivitäten in der) Automo-

bilbranche beherrschen: Elektromobilität,

Automatisierung der Fahrfunktion sowie

Vernetzung; letztere sowohl intern (Netz-

werke im Fahrzeug) als auch extern (Con-

nectivity) in Form von Anbindung an das

Internet). Aber ist das wirklich nur in der

Automobilbranche so?

Auch Züge sollen möglichst elektrisch

unterwegs sein (siehe Elektrifizierung

neuer Strecken wie München – Zürich)

und gut an das Internet angebunden sein

– Zugfahrer wissen, dass Deutschland hier

im Vergleich zu seinen Nachbarländern

extrem signifikante Defizite aufweist.

Auch im Bereich der Lkws schreitet die

Elektrifizierung des Antriebsstrangs vor-

an, und eine gute Datenanbindung bringt

große logistische Vorteile, während auto-

matisiert fahrende Lkw das Problem des

Fahrermangels lösen sollen. In modernen

Schiffen wiederum sorgt längst ein Elek-

troantrieb für den Vortrieb und eine gute

Manövrierfähigkeit – natürlich bei bester

datentechnischer Anbindung und exakter

Steuerung des Kurses per GNSS. Bleibt

noch das Flugzeug, in dem wir auch über

den großen Ozeanen surfen können, wäh-

rend der Autopilot am Steuer sitzt.

Ob Straße, Schiene, Wasserstraße oder

Luftkorridor: Stets sind die neusten Tech-

nologien gefragt, die vielleicht in einzelnen

Zweigen schon entwickelt oder gar etab-

liert sind, während sie in der anderen

Branche noch fast nicht bekannt sind. Wer

hätte jemals gedacht, dass einmal eine für

den Automotive-Bereich entwickelte Tech-

nologie zur Entwicklung von Luftfahrt-

Elektronik zum Einsatz kommt? Auf Sei-

te 40 finden Sie Details hierzu. Im profes-

sionellen Bereich sind die Anforderungen

jeweils extrem hoch, sodass zum Beispiel

DC/DC-Wandler, die ursprünglich für

Bahn-Anwendungen entwickelt wurden,

plötzlich auch für Nutzfahrzeuge interes-

sant werden (Seite 18). Die Transportation-

Welt ist nämlich viel enger verzahnt als

viele von uns denken. Genau das macht

diese Ausgabe so interessant!

von Chefredakteur Alfred Vollmer

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Vom Auto ins Flugzeug: Testen

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4 elektronik journal 06/2019

Juli 2019


MÄRKTE + TECHNOLOGIEN

06 News und Meldungen

BAUELEMENTE

08 Lidar-Anwendungen auf dem

Prüfstand

Die passenden Sensoren für Lidar-

Systeme finden

12 Magnetsensoren im Fahrzeug

Streufeld-Immunität ist für die Magnet-

felderkennung unerlässlich

14 Strommessung ohne Ringkern

Stromsensor bietet Vorteile gegenüber

konventionellen Stromwandlern

17 Highlights

Rohm, Infineon

POWER

18 Raue Bedingungen im Transport-

wesen

DC/DC-Wandler halten stand

22 Wo Industrielösungen an ihre

Grenzen stoßen

AEC-Q-Standard erleichtert die Auswahl

von Automotive-Sicherungen

26 Aktuelle Normen und Vorschriften

auf der Schiene

Anforderungen an Stromversorgungs-

lösungen für die Bahntechnik

30 Highlights

Hella, Minmax, Nexperia

ELEKTROMECHANIK

32 Für eine ausfallsichere Verbindung

Signalverdrahtung und -absicherung mit

Push-in-Reihenklemmen

35 Highlight

Harting

36 Ethernet in der Landwirtschaft

Hochspannungsstecker übertragen

Energie vom Traktor zum Anbaugerät

39 Highlights

Zabel Technik, ODU

TOOLS + TESTEN

40 Komplexe elektronische Aerospace-

Systeme in allen Phasen testen

Von der Automotive- in die Luftfahrt-

Welt

44 Software ermöglicht Monitoring des

Bahn-Funks

Überwachungs- und Analyse-Tool

47 Highlight

Renesas

48 Erfüllt die Ansprüche der Auto-

motive-Lieferkette

Modulare Technologie ermöglicht

KI-fähige Systeme im Auto

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50 Entwicklungsprojekt DIAS

Digitale Mobilitäts-Services unterstützen

Autofahrer

INFOTAINMENT

54 Design-Überlegungen beim

Upgrade auf USB 3.1

Smart-Hub-Bausteine mit Funktionen für

USB 2 und USB 3

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RUBRIKEN

03 Editorial

Transportation-Synergien

58 Impressum

58 Verzeichnisse

Inserenten-/Personen-/

Unternehmensverzeichnis

Aktuelle Radarsysteme können ihre Umge-

bung als dreidimensionalen Raum nicht in

ausreichend feiner Auflösung erfassen. Ne-

ben Geschwindigkeit und Entfernung bil-

den sie den Horizontalwinkel und damit die

Breite eines Gegenstandes ab. Über die Hö-

he (Elevation) sind nur grobe Abschätzun-

gen möglich. Das Full-Range-Radar von ZF

Friedrichshafen ist eine hochauflösende Al-

ternative für automobile Anwendungen,

die neben einer verbesserten Auflösung

auch den Elevationswinkel erfasst. Ziel ist,

Radarsysteme als bildgebende Technologie

zu eta blieren, die neben einer räumlichen

Darstellung der Umgebung die Geschwin-

digkeit abbildet. Bestimmend für die Auflö-

sung eines Radars sind Antennenfläche und

Anzahl der Kanäle: Im Automotive-Bereich

verfügen Mid-Range-Radarsensoren über

zwölf Kanäle, beim Full-Range-Radar von

ZF ist die Kanalzahl 16 Mal so hoch: Dort

gibt es 192 Kanäle. Die Technologie erzeugt

ein quasi dreidimensionales Bild, das Auf-

schluss über die Höhe von Objekten gibt.

Dabei erfasst das System auch Ziele, die

sich in gleicher Entfernung befinden und

die gleiche Relativgeschwindigkeit haben.

Ein Fahrzeug kann so ein Stauende unter ei-

ner Brücke frühzeitig erkennen und ab-

bremsen. Sehr viele Details und Bilder fin-

den Sie in dem ausführlichen exklusiven

Fachbeitrag per InfoDIREKT.

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Umgebungserkennung in neuer Dimension

Hochauflösendes Full-Range-Radar für das automatisierte Fahren

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Das ZF-Full-Range-Radar erfasst den Elevationswinkel.

200.000 einzeln steuerbare MikrooptikenSegmentiertes LED-Fernlicht soll das Blenden verhindern

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Segmentiertes,

automotives LED-

Fernlicht realisiert

als mikroopti-

scher, irregulärer

Wabenkondensor.

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Module sind um

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tituts für Angewandte Optik und

Feinmechanik IOF haben einen Pro-

totypen eines segmentierten Fern-

lichts mit vermindertem Streulicht

vorgestellt. Dieser basiert auf einem

weiterentwickelten Multiapertur-

Projektor. Darin bündeln 200.000

Mikrooptiken, die sich ohne Zeitver-

zögerung einzeln abschalten lassen,

das Licht in Fahrtrichtung. So soll

das Blenden entgegenkommender

Kfz verhindert werden.


FahrerassistenzsystemeNXP und Momenta entwickeln DMSNXP Semiconductors und Momenta, Anbieter von Softwarelösungen für

das autonome Fahren, arbeiten bei

Driver Monitoring-Systemen (DMS)

für die Automobilindustrie zusam-

men. DMS sollen dabei helfen, die

Fahreraufmerksamkeit zu überwa-

chen und die Sicherheit auf den

Straßen zu erhöhen. Sie sind ein Be-

standteil aktueller Fahrerassistenz-

systeme (ADAS) und für Fahrsysteme

auf Level 3 oder höher unverzicht-

bar. Die Systeme verwenden Deep-

Learning-Algorithmen, die ein Aufmerksamkeitsdefizit des Fahrers im

Straßenverkehr visuell überwachen, erkennen und Kollisionswarnungen

ausgeben sollen.

Die erste aus der Kooperation entstandene Lösung kombiniert die Archi-

tektur der Open Vision-Plattform von NXP mit der Deep Learning Software

und dem Know-how von Momenta. Sie zielt darauf ab, neuronale Netze zu

verbessern, zu komprimieren und zu beschleunigen, sodass diese auf ei-

ner nach Automobilstandards konzipierten DMS-Embedded-Plattform

ausgeführt werden können.


Trennung von AuroraVW will mit Ford-Gründung Argo AI kooperierenVolkswagen hat die Zusammenar-

beit mit dem Technologieanbieter

für selbstfahrende Autos, Aurora aus

Palo Alto, beendet. Laut Bloomberg

wollen die Wolfsburger nun mit Ford

kooperieren: Offenbar haben sie In-

teresse an einer Kooperation mit

Fords Firma für autonomes Fahren,

Argo AI. Sie hätten sich bereits auf

eine Kooperation bei Lieferwagen

verständigt. In das Unternehmen

Aurora investieren jetzt die Hyundai Motor Group und die Kia Motors Cor-

poration, um die Entwicklung autonomer Fahrzeugtechnologien zu be-

schleunigen. Sie wollen erforschen, wie diese Technik in einer breiten Pa-

lette von Fahrzeugen eingesetzt werden kann und eine Plattform für au-

tonome Fahrzeuge von Hyundai und Kia schaffen. Der Technologieanbie-

ter hatte das System Aurora Driver entwickelt, das aus Lidar, Radar und Ka-

meras besteht. Mit der Integration dieses Systems wollen Hyundai und Kia

erreichen, dass ihre Fahrzeuge die Umgebung besser wahrnehmen und

darauf reagieren können. Zuletzt hatte auch Fiat Chrysler Automobiles ei-

ne Partnerschaft mit Aurora vereinbart.


NXP und Momenta kooperieren bei

Driver Monitoring-Systemen.

VW will laut Bloomberg mit der

Ford-Gründung Argo AI kooperieren.

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Märkte + Technologien Meldungen


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Hochautomatisiertes Fahren bei Nutzfahrzeugen

Level-4-Systeme von Continental und Knorr-BremseEin Ansatz, die Kosten für die Level-

4-Automatisierung von Nutzfahr-

zeugen zu begrenzen, liegt in der

Bündelung von Kompetenzen. Des-

wegen entwickeln Continental und

Knorr-Bremse gemeinsam Systeme

für zwei Anwendungsbereiche: für

Platooning, das kraftstoffsparende

Kolonnenfahren von Nutzfahrzeu-

gen, sowie für den Highway Pilot, mit dem das hochautomatisierte Fahren

von Nutzfahrzeugen auf Autobahnen möglich ist (SAE-Level 4). Der Fokus

von Continental liegt auf der Sensorik, also Kameras, Radar- und Lidar-

Sensoren, sowie auf der Verarbeitung der Sensorsignale. Für die Fusion der

Sensorsignale verwendet das System die Steuereinheit von Continental für

das automatisierte Fahren und erstellt ein Umfeldmodell. Zur Planung der

Spurführung bringt Knorr-Bremse seine Expertise ein. Auch kümmert sich

das Unternehmen um die Fahrstabilität, und auf dieser Grundlage auch

um die Betätigung von Lenkung und Bremsen zur Längs- und Querfüh-

rung sowie die Getriebesteuerung der hochautomatisierten Lkw.


Pre-Silizium-ValidierungsumgebungAutonome Fahrzeuge: Siemens/Mentorstellt Plattform für Chip-Design vor Siemens/Mentor hat die Pre-Silizi-

um-Validierungsumgebung PA-

VE360 vorgestellt, die es Automobil-

und Chipherstellern, Tier-One-Liefe-

ranten und Softwarehäusern ermög-

lichen soll, bei der Entwicklung und

Anpassung von komplexen Halblei-

terbauelementen für autonome

Fahrzeuge zusammenzuarbeiten.

Die Plattform soll beim schnelleren Design der Chips und der Software-Va-

lidierung helfen und so eine Herstellung von modellspezifischen Halblei-

tern für die erste Generation selbstfahrender Autos möglich machen. Mit

PAVE360 lässt sich ein Design simulieren und emulieren.

infoDIREKT 115ei0719

Investition in Höhe von 900 Millionen EuroVW und Northvolt planen Batteriezellen-Fabrik Volkswagen beteiligt sich an North-

volt und investiert 900 Millionen Eu-

ro in gemeinsame Batterieaktivitä-

ten. Die Wolfsburger übernehmen

20 Prozent der Anteile und erhalten

einen Sitz im Aufsichtsrat. Im Laufe

des Jahres will Volkswagen dann ein

50/50-Joint-Venture mit Northvolt

zum Aufbau einer 16 Gigawattstun-

den-Batteriezellen-Fabrik gründen.

Es ist geplant, das Werk frühestens ab 2020 in Salzgitter zu errichten. Mit

der Produktion der Batteriezellen wollen die Partner zum Jahreswechsel

2023/2024 beginnen. Zu den industriellen Partnern und Kunden von

North volt zählen neben Volkswagen auch Scania , ABB , BMW , Siemens ,

Vattenfall und Vestas .


Die Plattform PAVE 360 ermöglicht

eine Zusammenarbeit bei der Ent-

wicklung von Automobilchips.

Gemeinsam planen VW und North-

volt eine Batteriezellen-Fabrik.

Die Level-4-Systeme kommen vor

allem beim Platooning zum Einsatz.

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Märkte + Technologien Meldungen


Bauelemente Lidar


Lidar-Anwendungen auf dem PrüfstandDie passenden Sensoren für Lidar-Systeme finden

Lidar-Scanner entwickeln sich immer mehr zu einem festen Bestandteil von Kraftfahrzeugen und Transportsys-

temen. Eine wichtige Komponente solcher Scanner sind optische Sensoren. Entwickler von Lidar-Systemen ha-

ben allerdings die Wahl zwischen mehreren Sensor-Technologien – und alle haben ihre Vor- und Nachteile, wie

ein Vergleich zeigt. Autor: Dr. Marc Schillgalies

Aus autonomen Fahrzeugen, Sys-

temen für die automatische Kol-

lisionsverhinderung und Spur-

wechselassistenten sind Lidar-Scanner

(Light Detection and Ranging) nicht

wegzudenken. Solche Systeme müssen

die Umgebung schnell und zuverlässig

erfassen. Zu diesem Zweck erstellen sie

hochauflösende dreidimensionale Auf-

nahmen, sogenannte Punktwolken, Bil-

der von der Straße und der näheren

Umgebung. Ein Lidar-System in einem

selbstfahrenden Auto muss eine Fahr-

strecke über beispielsweise frontal eine

Distanz von mindestens 150 Metern

„ausleuchten“ und dabei auch kleine

Objekte von 10 cm Höhe erkennen.

Das erfordert Sensorsysteme mit einer

hohen Funktionssicherheit, die für

anspruchsvolle Umweltbedingungen aus-

gelegt sind. Ein Lidar-Sensor sollte bei-

spielsweise im Temperaturbereich zwi-

schen -40 und 125 °C reibungslos funk-

tionieren. Das ist wegen der Außentem-

peraturen und der Wärmeentwicklung

anderer Systemkomponenten des Fahr-

zeuges notwendig.

Technische FaktorenHinzu kommen weitere Anforderungen,

etwa ein optimales Signal-Rausch-Ver-

hältnis. Damit kann ein Sensor auch dann

Signale erfassen, wenn ein störender Hin-

tergrund vorhanden ist. Wichtig ist zudem

ein großer Dynamikbereich, um wech-

selnde Lichtverhältnisse zu kompensie-

ren. Bei Fahrzeugen mit Lidar-Systemen

großer Reichweite tastet ein Laserstrahl

die Umgebung schrittweise ab. Die Ent-

fernung liegt zwischen 30 und 300 m.

Zum Einsatz kommen vorzugsweise

Laser, die bei einer Wellenlänge von 905

nm arbeiten, also für Menschen unsicht-

bares Licht aussenden. Sie nutzen hohe

optische Leistungen von beispielsweise

75 W oder eine hohe Anzahl von Einzel-

Emittern, um kurze Impulse von 1 bis 5

ns Dauer auszusenden.

Neben technischen Vorgaben spielen

bei Lidar-Systemen auch ökonomische

Faktoren eine Rolle. So müssen die Kom-

ponenten in Fahrzeugen etwa eine hohe

Kosteneffizienz aufweisen. Letztlich grei-

fen Fahrzeughersteller lieber zu einem

System mit einem guten Preis-Leistungs-

verhältnis als zu einem, das über die bes-

te Technologie verfügt.

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Detektoren mit Silizium-PIN-DiodenEntwickler von Lidar-Systemen können

auf mehrere Sensor-Technologien zurück-

greifen. Eine Option sind Silizium-PIN-

Dioden. Sie kombinieren jeweils eine Dio-

de mit dotierten P-und N-Anschlüssen

sowie eine schwach dotierte intrinsische

Zone. Solche Dioden haben einen großen

Dynamikbereich und können starke

Schwankungen der Lichtintensität kom-

pensieren. Ein Detektor erkennt beispiels-

weise die Reflexionen eines entfernten

Objekts auch dann, wenn es Sonnenlicht

ausgesetzt wird. Ein weiterer Vorteil ist

der niedrige Preis.

Zu den Nachteilen solcher Sensoren

zählt allerdings, dass sie nicht die Band-

breite und den Signal-Rausch-Abstand

bereitstellen, den die meisten Lidar-Sys-

teme im Automobilbereich benötigen.

Zudem sind sie nicht sonderlich schnell

und weisen eine niedrige Empfindlichkeit

auf. Dennoch findet diese Art von Senso-

ren in Lidar-Systemen mit kurzen Reich-

weiten seit vielen Jahren Verwendung,

beispielsweise für den Stadtverkehr.

SiPM- und SPAD-DetektorenEine Alternative sind SiPM-Sensoren (Sili-

zium Photomultiplier) und SPAD-Dioden

(Single-Photon Avalanche Diode). Sie wur-

den für Anwendungen entwickelt, bei

denen kleine Lichtmengen bis hin zu Ein-

zelphotonen erfasst werden müssen. Neu-

erdings kommen solche Sensoren auch in

Lidar-Systemen zum Einsatz. Sie arbeiten

auf ähnliche Weise wie APD (Avalanche-

Photodioden). Dank der sehr hohen inter-

nen Verstärkung sind sie in der Lage, Licht

mit geringer Intensität zu messen. Weitere

Eigenschaften sind die kurzen Reaktions-

zeiten und die Kompatibilität zu Standard-

CMOS-Verfahren. Dadurch lassen sich die

Sensoren mit weiteren Elektronikkompo-

nenten auf einem Chip platzieren.

Im Vergleich zu einem APD-Sensor

wandeln SiPM- und SPAD-Dioden jedoch

CMOS-typisch nur einen sehr geringeren

Anteil des eingestrahlten Infrarotlichts in

elektrisches Signal um. Typischerweise

liegt die „photon detection efficiency“

(PDE) zwischen 2 und 10 Prozent. Auch

sind die einzelnen Dioden durch das

Funktionsprinzip in der Größe auf typisch

10 bis 40 μm beschränkt. Daher sind sie

auf einen hohen Multiplikationsfaktor

angewiesen, der wiederum das Rauschen

erhöht. Das geht zu Lasten des Signal-

Rausch-Verhältnisses. Außerdem kann

eine erhöhte Rate an Selbstauslösungen

(dark count rate) den Betrieb bei hohen

Temperaturen stark einschränken.

Probleme mit der SättigungDer größte Nachteil von SiPM- und SPAD-

Sensoren ist jedoch, dass in lichtintensiven

Situationen die hohen Verstärkungswerte

zu einer Sättigung der Sensoren führen.

Lichtintensive Situationen entstehen durch

Reflektion an nahen Objekten, aber auch

bei starker Sonneneinstrahlung oder wenn

Das Herzstück von Lidar-Scannern für den

Automotive-Bereich sind Sensoren, die bei

schwierigen Lichtverhältnissen reibungslos

funktionieren. Entwickler haben die Wahl zwi-

schen mehreren Sensor-Technologien: Silizi-

um-PIN-Dioden, SiPM- und SPAD-Sensoren

sowie Avalanche-Photodioden. Der Beitrag

zeigt die Stärken und Schwächen dieser Tech-

nologien auf und gibt Tipps, wie OEMs pas-

sende Sensoren finden können.

Eck-DATEN

Ein Lidar-Scanner kann Objekte vor einem Fahr-

zeug erkennen, aber auch solche, die sich seitlich

oder hinter dem Auto befinden.


Bauelemente Lidar


das Fernlicht anderer Fahrzeuge auf den

Sensor trifft. Die Möglichkeit eine Übersät-

tigung durch den Einsatz optischer Filter zu

verhindern sind durch die relativ großen

Wellenlängenbereiche der Laser im genann-

ten Temperaturbereich begrenzt, sodass das

Problem nur mit hohem statistischen Auf-

wand und hunderten von Einzelmessungen

kompensiert werden kann. Dies macht den

Einsatz in vielen scannenden Lidar-Archi-

tekturen mit breiten Sichtfeldern schwierig.

Deshalb kommen SiPM- und SPAD-Sen-

soren derzeit eher für Flash-Lidar-Systeme

in Betracht, die über eine große Reichweite

verfügen müssen.

Sensoren aus InGaAsPhotodioden, die Indiumgalliumarsenid

(InGaAs) statt Silizium verwenden, kom-

men häufig bei Glasfaserkommunikation

zum Einsatz. In Lidar-Systemen sind sie

noch nicht allzu oft anzutreffen, außer in

Anwendungen in Flugzeugen und Satelliten

sowie im militärischen Bereich. Lidar-Laser-

scanner mit InGaAs-Photodioden arbeiten

nicht im 905-nm-Spektrum, sondern im

Wellenlängenbereich von 1300 bis 1600 nm.

In diesem Spektralbereich bündelt das Auge

das Licht nicht auf der Netzhaut, sodass auch

deutlich leistungsstärkere Laser als bei 905

nm augensicher sind. Somit können Lidar-

Systeme mit InGaAs-Sensoren in Fahrzeu-

gen eine größere Reichweite aufweisen.

Hinzu kommt, dass in diesem Spektralbe-

reich schmalbandige und wellenlängenver-

stimmbare Laserdioden aus der Telekom-

munikationstechnologie verfügbar sind, die

ähnlich wie Radar-Emitter betrieben werden

können und sogenannte FMCW-Lidar-

Architekturen ermöglichen.

In der Praxis gibt es jedoch Einschrän-

kungen. So reagieren InGaAs-Sensoren

physikalisch bedingt deutlich stärker als

Silizumsensoren auf eine hohe Umge-

bungstemperatur. Daher benötigen InG-

aAs-Sensoren selbst in gemäßigten Klima-

zonen eine aktive Temperaturstabilisierung.

Ein weiterer Punkt sind die Herstellungs-

kosten von großflächigen Sensoren, die

viele Lidar-Architekturen benötigen: Sie

sind bei InGaAs-Versionen wegen des

schwierigeren Produktionsverfahrens

deutlich höher als bei Versionen aus Silizi-

um. Aufgrund der technischen Herausfor-

derungen und der fehlenden Verfügbarkeit

von preiswerten und hochvolumigen pas-

senden Sensoren sind Lidar-Systeme auf

Basis von InGaAs-Detektoren für Automo-

tive-Anwendungen bislang selten anzu-

treffen. OEMs müssten daher viel Zeit und

Geld aufwenden, um solche Lidar-Systeme

zu entwickeln.

Avalanche-Photodioden (APD)Ursprünglich wurden Avalanche-Photodi-

oden auf Silizium-Basis für industrielle und

militärische Anwendungen optimiert. Eine

APD wandelt mindestens 80 Prozent des

Lichts im Bereich 905 nm in photoelektri-

schen Strom um. Wie bei PIN-Dioden

generieren Photonen bei APD Elektron-

Lochpaare, die mithilfe der angelegten

äußeren Spannung so beschleunigt werden,

dass aufgrund von Stoßionisation weitere

Elektronen zu den Signalelektronen hin-

zukommen und den elektrischen Puls typi-

scherweise um einen Faktor Hundert oder

mehr verstärken. Das Ergebnis ist eine

höhere Empfindlichkeit und damit weisen

APDs ein optimales Signal-Rausch-Ver-

Vier Detektions-Technologien für Lidar-Scanner im Vergleich.

Avalanche-Photodioden (APD) kommen in vielen

Lidar-Systemen im Fahrzeug zum Einsatz.

hältnis auf. Des Weiteren verfügen APDs

über einen sehr großen Dynamikbereich

und eine minimale Sättigung, was die Ver-

wendung in allen Beleuchtungssituationen

in der Applikation erlaubt. Durch die hohe

Geschwindigkeit – bei 905 nm werden

Bandbreiten von bis zu 400 MHz erreicht

– können die Nanosekundenpulse der

Laser aufgelöst werden. Außerdem zählen

sie zu den preisgünstigsten und reifsten

Sensortechnologien auf dem Markt.

Potenzielle NachteileAllerdings sind auch bei APDs einige kri-

tische Punkte zu beachten. Einer ist die

bipolare Fertigungstechnologie. Sie ist

nicht kompatibel zu Standard-CMOS-

Verfahren. Deshalb kommen nur wenige

Halbleiterfirmen als Hersteller infrage.

Außerdem lassen sich APDs und die dazu

gehörige CMOS-Elektronik nicht auf dem-

selben Chip unterbringen. Ein Ausweg

besteht darin, den Sensor und die Elekt-

ronik auf separaten Halbleitern unterzu-

bringen und diese nahe beieinander zu

platzieren. Auf diese Weise lässt sich eine

optimale Performance erreichen.


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Ein APD-Sensor-Array lässt sich bei-

spielsweise um Transimpedanz-Verstärker

(TIA) ergänzen – mit anwendungsspezifi-

schen Verstärkungsfaktoren und Bandbrei-

tenwerten. Der TIA wandelt den Photostrom

in Spannung und verstärkt das Signal.

Avalanche-Photodioden werden mit-

hilfe bewährter Prozesse gefertigt. Sie sind

mittlerweile in einer Vielzahl von Lidar-

Systemen im Automobilbereich im Einsatz,

auch deshalb, weil sie eine hohe Perfor-

mance zu einem attraktiven Preis bieten.

Daher sind solche Sensoren derzeit die

erste Wahl für Lidar-Systeme im Automo-

bilsektor, die über eine große Reichweite

verfügen müssen.

Sensor-Lieferanten findenNeben der richtigen Sensor-Technologie

für Lidar-Systeme müssen Entwickler den

passenden Sensor-Lieferanten finden.

Dafür sind drei Faktoren relevant: Quali-

tät, Leistungsfähigkeit und Kosten.

Wichtig ist, dass ein Hersteller über

Erfahrung mit dem Einsatz seiner Sensor-

Technologien im Automobilbereich verfügt.

Der Sensorhersteller muss über aktuelle

Zertifizierungen verfügen und alle relevan-

ten Vorgaben im Automobilbereich einhal-

ten. Dazu gehören die ISO/TS 16949, der

wichtigste Qualitätsmanagement-Standard

in den Geschäftsprozessen und der Pro-

duktion der Automobilindustrie, und die

Qualifikation von Produkten, beispielswei-

se nach den Standards AEC-Q102 und 104.

Diese Normen definieren Stress-Tests für

elektronische Komponenten, die in Fahr-

zeugen zum Einsatz kommen – etwa für

diskrete optoelektronische Komponenten

(Q102) und Multi-Chip-Module (Q104).

Über die Qualifikation nach AEC-Q hinaus

sollte Erfahrung mit Robustness Validation

und Functional Safety vorhanden sein. Die-

se sind weitere Methoden, um Ausfallrisi-

ken soweit wie möglich zu minimieren und

die Sicherheit der Nutzer von Fahrerassis-

tenz- und Automatisierungstechnologien

im Fahrzeug zu gewährleisten.

Ein weiteres Kriterium: Die Sensoren

des Lieferanten sollten die nötige Leis-

tungsfähigkeit aufweisen, die in der Appli-

kation auch unter extremen Umweltbe-

dingungen benötigt wird. Wichtige Merk-

male sind die bereits erwähnte Empfind-

lichkeit, das Signal-Rausch-Verhältnis,

aber auch Multi-Pixel-Homogenität,

Autor Dr. Marc Schillgalies

Vice President of Development

bei First Sensor

infoDIREKT 901ejl0619

sodass vielkanalige Sensoren den Blick-

bereich gleichmäßig vermessen.

Verfügt ein Hersteller zudem über eine

große Wertschöpfungstiefe, können zen-

trale Komponenten besser optimiert und

kontrolliert werden. Zudem kann eine lan-

ge Verfügbarkeit gewährleistet werden.

Hinzu kommt, dass eine Flexibilität im

Design der Detektoren eine optimale

Anpassung an die Optik und die Spezifi-

kation des Lidar-Systems erlaubt. Kann

ein Lieferant neben Standardprodukten

auch kundenspezifische Halbleiter, Kom-

ponenten und Module entwickeln und

herstellen, dann besteht die Möglichkeit

die Performance an das Systemdesign

anzupassen. Dadurch kann sich ein Lidar-

Systemhersteller von Wettbewerbern dif-

ferenzieren. Die Experten des Herstellers

und Designer des OEM müssen daher

optimal zusammenarbeiten, vor allem bei

der Anpassung der Sensoren und der Elek-

tronik sowie bei der Integration der Kom-

ponenten in das Gesamtsystem.

Der richtige Sensorhersteller verfügt

außerdem über eine überzeugende Inno-

vationsstrategie. Sie sollte nicht nur tech-

nologische Trends berücksichtigen, son-

dern auch Marktentwicklungen und regu-

latorische Fragen. Dies gibt dem Herstel-

ler von Lidar-Systemen die Gewissheit,

dass er sich in einem Marktumfeld

behaupten kann, dass durch ein hohes

Entwicklungstempo geprägt ist.

Der dritte wichtige Faktor ist die Kos-

tenposition des Lieferanten. Gerade in der

Automobilbranche spielt ein optimales

Verhältnis von Kosten und Performance

eine wichtige Rolle. Ausschlaggebend für

eine erfolgreiche Kostenposition des Lie-

feranten ist eine Produktion mit Skalen-

effekten. Aber auch die richtige Plattform-

strategie und die Berücksichtigung von

Design-to-Cost-Ansätzen in der Entwick-

lung sind bestimmend. Nötig sind neben

Produkt-Roadmaps auch Kosten-Road-

maps, die mit Verbesserungsprogrammen

untersetzt sind. (prm) ■


Bauelemente Magnetfelderkennung


Ein gesteigertes Umweltbewusstsein

und Forderungen der Kunden trei-

ben die Automobilindustrie dazu,

immer effizientere Fahrzeuge herzustellen.

Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich dabei

um Elektrofahrzeuge (EV) oder Hybrid-

Elektrofahrzeuge (HEV) handelt: Heutige

Fahrzeuge sind voller Technologie und der

Trend wird sich auch in Zukunft fortsetzen.

Immer mehr Anwendungen im Fahrzeug

steuern Fahrer und Fahrgäste elektrisch.

Dazu gehören etwa elektrische Drossel-

klappen, Ölpumpen und insbesondere der

elektrische Antrieb in batteriebetriebenen

EVs und HEVs. Zudem sind sie auch leich-

ter als die bisherigen mechanischen/hyd-

raulischen Lösungen, was sich positiv auf

das Gewicht der Fahrzeuge auswirkt. Das

wiederum führt dazu, dass die Fahrzeuge

weniger fossile Brennstoffe verbrennen

oder mit einer einzigen Ladung noch wei-

tere Strecken fahren können.

Eine elektrische Betätigung ist jedoch ohne

genaue, wiederholbare und zuverlässige

Erfassung/Sensorik nur von geringem Wert.

Eine Steuereinheit muss in der Lage sein, die

aktuelle Position erfassen zu können, damit

sie berechnen kann, wie die gewünschten

Position eingestellt werden soll.

Bei der mechanischen Positionserfassung

mit Magnettechnik hat es kürzlich einen

Durchbruch gegeben. Sie ersetzt resistive

und optische Sensoren als bisher bevor-

zugte Erfassungsmethode. Im Gegensatz

zu Drehgebern ist ein Magnetsensor in der

Lage, Staub, Schmutz, Vibrationen und

Feuchtigkeit im Fahrzeug und vielen indus-

triellen Anwendungen zu widerstehen. Im

Vergleich zu anderen verwendeten Winkel-

und Linearsensoren verschleißen Magnet-

sensoren nicht – ein wichtiges Merkmal,

das eine langfristige Wiederholbarkeit und

Zuverlässigkeit garantiert.

Herausforderung ElektrifizierungMit zunehmendem Elektro- und Elektro-

nikanteil stellt die Fahrzeugumgebung

jedoch eine immer größere Herausforde-

rung für magnetische Sensoren dar. So

verbrauchen die Elektromotoren, die EVs

und HEVs antreiben, große Mengen an

Strom und erzeugen folglich Magnetfelder

in den Bereichen um die Kabel herum, die

den elektrischen Strom von der Batterie

oder dem Generator zum Motor führen.

In geringerem Maße können sogar die

kleineren Ströme, die erforderlich sind,

um Pumpen der elektronischen Servolen-

Magnetsensoren im FahrzeugStreufeld-Immunität ist für die Magnetfelderkennung unerlässlich

Im Fahrzeug nimmt die Anzahl elektrischer Komponenten immer weiter zu. Infolgedessen steigt auch

die Zahl der Magnetfelder in den Bereichen um die Kabel herum. Für Magnetfeldsensoren kann das

eine Herausforderung sein. Autor: Nick Czarnecki

kung (EPS), Motoren zum Öffnen/Schlie-

ßen der Fenster und des Schiebedachs oder

eine der elektrisch betätigten Vorrichtun-

gen im Fahrzeug zu betreiben, ein mag-

netisches Streufeld erzeugen.

Diese Streumagnetfelder können die

Genauigkeit der Sensoren beeinträchtigen

und in einigen Fällen zu Fehlern am Aus-

gang führen. Während ein Schiebedach,

das sich nicht richtig schließt, vielleicht eine

Unannehmlichkeit ist, ist ein Brems- oder

Gaspedal, das nicht genau erfasst wird,

potenziell lebensgefährlich.

Um die Auswirkungen auf die Sicherheit

zu adressieren, hat die Automobilindustrie

Normen erlassen, in denen die Anforde-

rungen an die Sicherheit von Fahrzeug-

systemen definiert sind, die durch mag-

netische Streufelder (und andere Proble-

me) beeinträchtigt werden können. Zu den

wichtigsten Standards zählt die ISO26262,

die sich mit funktionaler Sicherheit befasst,

und die zahlreichen OEM-Spezifikatio-

nen, die sich mit der Immunität gegenüber

Magnetfelder befassen.

Herkömmliche Hall-Effekt- und magne-

toresistive (MR-)Sensoren reagieren emp-

findlich auf Streufelder in Fahrzeugen, da

sie das Magnetfeld messen, das von einem

Bild

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tock


Bauelemente Magnetfelderkennung

nahegelegenen Magneten erzeugt wird,

der mit dem Messobjekt verbunden ist. Da

das durch elektrische Ströme erzeugte

Streumagnetfeld groß sein kann, kann der

Sensorausgang sehr ungenau sein. Bei

Drehgebern kann der Winkelfehler mehr

als 10° betragen – was erheblich ist, da sich

viele Systeme wie Ventile oder Drosselklap-

pen physisch nur um 90° drehen. Abgese-

hen von den offensichtlichen Sicherheits-

problemen beim Lenken und Bremsen wäre

die Steuereinheit (ECU) einfach nicht in

der Lage, den Motor richtig zu steuern.

Zwei mögliche LösungenEntwickler, die eine magnetische Erfassung

in Fahrzeugen einsetzen wollen, können

zwischen zwei Optionen wählen. Die ers-

te bezieht sich auf die Abschirmung der

Erfassungsvorrichtung und ihres Magneten

gegen die Auswirkungen von Streumag-

netfeldern. Dies ist nicht nur komplex und

anspruchsvoll, sondern auch teuer, da

Materialien mit hoher magnetischer Per-

meabilität erforderlich sind. Diese schirmen

nicht so sehr ab, da sie das Feld absorbieren

und umleiten und damit auch einen Ein-

fluss auf die Erfassung haben können, da

das gewünschte Magnetfeld und das Streu-

feld verändert werden. Um dies zu verhin-

dern, ist ein Abstand erforderlich, der die

Größe, das Gewicht und die Kosten erhöht.

Der andere Ansatz besteht darin, einen

Sensor zu verwenden, der von sich aus

immun und unempfindlich gegen magne-

tische Streufelder ist. Die dritte Generation

der Triaxis-Magnetsensoren von Melexis

bieten einen integrierten Immunitätsmodus

für Streufelder, der den durch Streumag-

netfelder verursachten Fehler wesentlich

reduziert oder sogar beseitigt. Daher lassen

sich die Gen-III-Triaxis-Sensoren in unmit-

telbarer Nähe von stromführenden Leitern

oder anderen in der Nähe befindlichen

Magneten im Fahrzeug einsetzen.

Der Streufeld-Immunmodus erfordert

nur einen einfachen 4-poligen Magneten

für Drehbewegungen und einen einfachen

2-poligen Magneten für Linearbewegun-

gen. Bei einem magnetischen Design ver-

ringert sich der Fehler aufgrund von Streu-

feldern auf einen Winkelfehler unter 0,4°,

was für die meisten Fahrzeughersteller ein

akzeptabler Wert ist. Damit verringert sich

der Entwicklungsaufwand, da es nicht

mehr notwendig ist, den Sensor von Streu-

magnetfeld-Quellen fernzuhalten.

Darüber hinaus erübrigt sich eine

Abschirmung, wie sie früher erforderlich

war, oder sie lässt sich erheblich kleiner

auslegen, was zu Einsparungen bei Sys-

temgröße, Gewicht und Kosten führt. Der

Streufeld-Immunmodus bietet die glei-

chen Vorteile wie der Legacy-Modus, ein-

schließlich berührungslose Sensorik, hohe

EMV-Robustheit, kleine Gehäuse und die

Möglichkeit, ein hohes Niveau an funkti-

onaler Sicherheit zu erzielen. (prm) ■

Autor Nick Czarnecki

Marketing Manager Position and Speed Sensors

bei Melexis


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Battery Thermal Management

Ride Height Sensor

Fuel Level Sensor

Magnetsensoren kommen in einer Vielzahl an Anwendungen im Fahrzeug zum Einsatz.


Bauelemente Strommesssonde


Der konventionelle Ansatz für AC/DC-Stromsensoren

oder Stromwandler besteht darin, einen weichmagne-

tischen ringförmigen Kern mit einem Luftspalt um den

stromführenden Leiter zu legen. Wenn sich dann ein Magnet-

feldsensor in diesem Luftspalt befindet, so ist dessen Ausgangs-

signal proportional zum fließenden Strom (Bild 1). Zu beachten

ist dabei, dass sich mit den auf transformatorischer Technologie

basierenden Stromwandlern nur Wechselströme messen lassen,

aber keine Gleichströme.

Dieses Messprinzip funktioniert gut bei Strömen bis zu etwa

1000 A. Über 1000 A wird der benötigte Sensor ziemlich volu-

minös und teuer: Je stärker der Strom, desto mehr muss sich der

Querschnitt des Kerns vergrößern, um Sättigung zu vermeiden.

Der Magnetkern erfüllt jedoch verschiedene Funktionen:

• Der magnetische Fluss wird auf den Magnetfeldsensor fokus-

siert.

• Der Sensor ist weniger empfindlich gegenüber magnetischen

Streufeldern.

• Der magnetische Fluss lässt sich sehr einfach durch zusätz-

liche Primärwicklungen verstärken.

Mit zunehmender Stromstärke ist der Kern jedoch weniger nütz-

lich, vielmehr wird er eher zu einem Nachteil. Moderne Magnet-

feldsensoren benötigen keinen starken magnetischen Fluss, um

hohe Präzision zu erzielen, stattdessen beeinträchtigen Sätti-

gungseffekte im Kern die Genauigkeit.

Ohne Ringkern sehen sich Entwickler dem bekannten Problem

einer Signalverzerrung durch magnetische Streufelder gegenüber,

die in der Regel von anderen Stromleitern in der Nähe oder vom

Einfluss des Erdmagnetfelds herrühren. Allerdings gibt es für

diese Problemstellung eine interessante Lösung, die auf einer

differenziellen Messung des Magnetfelds basiert.

Differenzielle StrommessungDiese Technik eliminiert die Effekte gleichförmiger magnetischer

Streufelder auf sehr einfache, aber wirkungsvolle Weise (Bild 2).

In den Fällen, in denen die Streufelder nicht gleichförmig sind,

können Entwickler oder Systemdesigner die beiden Sensoren

möglichst nahe beieinander platzieren. Um die magnetische

Feldstärke zu erhöhen, können sie die Stromschiene lokal etwas

verjüngen. Diese lokale Einschnürung erhöht den Widerstand

nur geringfügig.

Für die differenzielle Strommessung sieht der konventionelle

Ansatz vor, auf beiden Seiten des Leiters jeweils einen Sensor

anzubringen. Die Entwickler bei Raztec erkannten, dass es vor-

teilhaft wäre, den Strom innerhalb der Stromschiene zu messen,

in dem man diese anbohrt oder sondiert. Daher rührt der Name

Current Probe, zu Deutsch „Strommesssonde“ (Bild 3).

Sonde statt WandlerDas Format der Sonde erlaubt eine erhebliche Reduktion von

Größe und Gewicht des Sensors. Tatsächlich gilt sogar: je kleiner

der Sensor, desto besser. Bild 4 zeigt den Größenunterschied

gegenüber einem klassischen Durchstecksensor deutlich. Durch

die einseitige Montage der Sonde vereinfacht sich der Stromab-

Strommessung ohne RingkernStromsensor bietet Vorteile gegen-über konventionellen Stromwandlern

Es gibt auch Stromsensoren, die ohne den

sonst üblichen magnetischen Ringkern aus-

kommen. Dadurch lassen sich diese Bauteile

deutlich verkleinern, was wiederum neue

Anwendungsgebiete eröffnet.

Autoren: Warren Pettigrew, Sebastiano Leggio

Bild: pickup @ AdobeStock

elektronik journal 06 / 2019 15www.all-electronics.de


Die Strommesssonde von Raztec (Vertrieb:

Pewatron) eignet sich für die Messung auch

von sehr hohen Stromstärken und das bei

kleiner Baugröße. Dafür kommt sie ohne

den weit verbreiteten Ringkern aus. Sie bie-

tet einen hohen Schutz gegenüber Störein-

flüssen wie etwa hohe Temperaturen, Was-

ser, Vibration oder elektromagnetische

Strahlung.

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300 mA Nennstrom Leiterplattenmontage Kleine Abmessungen und

geringes Gewicht (25 g) Betriebstemperaturbereich

von -40 bis +105 °C 1- oder 3-Phasen-Konfiguration

griff erheblich. Der Sensor lässt sich im

Prinzip sogar noch im Nachhinein anbrin-

gen, ohne die Stromschiene zu demontie-

ren. Mit zunehmender Stromstärke erhöht

sich auch der Querschnitt der Stromschie-

ne, was bedeutet, dass sich der Magnet-

fluss nur wenig ändert. Deshalb kann die

Strommesssonde auch bei stärkeren Strö-

men unverändert bleiben. Sie kann genau-

so gut 1000 A messen wie auch 25.000 A.

Aber auch Ingenieure kennen das

Sprichwort: Es gibt keine Rose ohne Dor-

nen. Die differenzielle Magnetfeldmes-

sung ist nicht die perfekte Antwort, um

die Effekte von Streufeldern zu eliminie-

ren. Sie ist effektiv bei gleichförmigen Fel-

dern wie dem Erdmagnetfeld. Aber die

von benachbarten Stromleitern induzier-

ten Felder sind in der Regel nicht gleich-

förmig. Glücklicherweise lassen sich die-

se Effekte jedoch oft vernachlässigen, da

Magnetfeldsensoren gegenüber Feldern

unempfindlich sind, die außerhalb ihrer

Achse wirken. Positioniert man also die

Stromsensoren so, dass die Streufelder

nicht axial wirken, so lassen sich deren

Auswirkungen minimieren. Entwickler

können die Störsicherheit auch erhöhen,

indem sie den Leiter verjüngen und damit

das zu messende Magnetfeld und gleich-

zeitig den Sensorausgang stärken.

Besondere HerausforderungenIn einigen Anwendungen stellt die Befes-

tigung der Sonde auf der Stromschiene

eine Herausforderung dar. Es ist nahelie-

gend, dass Entwickler keine leitfähigen

Befestigungselemente für die Sonde ver-

wenden dürfen. Aus diesem Grund gehö-

ren die Nylon-Schrauben in diesem Fall

gleich mit zum Lieferumfang, das entspre-

chende Gegenstück dazu sind Nylon-Mut-

tern. Allerdings vertrauen nicht alle Inge-

nieure dieser Verbindung. Als Alternative

oder Ergänzung integriert das Unterneh-

men deshalb Hochtemperatur-Klebepads

in die Sensoren. Eine weitere Alternativen

wären dann noch die Arretierungen für

Clips. Sattelklemmen sind eine andere

mögliche Low-Tech-Lösung.

Eine weitere Herausforderung für Sen-

soren ohne Ringkern – und bis zu einem

gewissen Grad für alle Stromsensoren – ist

deren Empfindlichkeit gegenüber sich

schnell ändernden elektrischen Feldern,

wie sie etwa PWM-Hochspannungssig-

nale erzeugten. Beim Design der Strom-

messsonde legten die Entwickler des Bau-

elements deshalb einen großer Wert auf

eine effektive elektrostatische Abschir-

mung der Elektronik. Alle empfindlichen

Komponenten sind deshalb in einem fara-

dayschen Käfig eingeschlossen.

Die hohe Temperatur stellt noch eine

weitere Herausforderung dar: Um Kosten

zu sparen, erfolgt die Auslegung von

Stromschienen häufig so, dass sie sich im

Betrieb erwärmen. Jedoch muss die Sonde

auf diesen heißen Leitern platziert werden.

Bild

er: R

azte

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Bild 1: Konventionelle

Strommessung mit mag-

netischem Ringkern.




Autoren Warren Pettigrew

CTO von Raztec Sensors

Sebastiano Leggio

Produktmanager bei Pewatron


Stabilität bei hohen Temperaturen gewährleisten.

Zudem wird die Sonde dann noch mit einer silikon-

basierten Hochtemperaturkapsel ummantelt. Die

Sonde ist für Temperaturen bis 125 °C spezifiziert,

mit Temperaturspitzen bis 150 °C. Zusätzlich liefert

die Verkapselung eine hermetische Versiegelung sowie

Unempfindlichkeit gegenüber starken Vibrationen.

Das Ausgangssignal der Sonde hängt von der

Größe und Gestalt des Stromleiters ab, auf dem sie

montiert ist. Deshalb kann Raztec für Kalibrierzwe-

cke jeden Leiter nachbilden und jeden produzierten

Sensor entsprechend kalibrieren. Das macht die

Strommesssonde zu einem individuellen und kun-

denspezifisch programmierten und kalibrierten

Strommessgerät.

Mögliche AnwendungenEine primäre Anwendung ist die Messung von Pha-

senströmen in Elektromotoren, speziell in Automotive-

Umgebungen, wo die Platzverhältnisse stets kritisch

sind. Auch ein geringes Gewicht ist wichtig, da die

Fahrzeugmasse den Energieverbrauch unmittelbar

beeinflusst. Die Strommesssonde eignet sich auch zur

Überwachung von Lade- und Entladeströmen an Bat-

terien zu Schutzzwecken oder zur Anzeige des Lade-

zustands. Hybrid-Fahrzeuge decken den gesamten

Bereich der Strommessung ab – vom Motor über den

Generator bis zur Batterie. Der LKW-Hybridantrieb

von Wrightspeed ist hierfür ein Beispiel (siehe Bild 5),

in dem an verschiedenen Positionen Stromsonden ver-

baut sind. (prm) ■

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Bild 2: Strommessung

ohne Ringkern.

B1= Magnetischer

Fluss, durch

Strom induziert

B2 = Magnetischer

Streufluss

B1= Proportional zum

Strom

Das Ausgangssignal

der Hall-Sensoren ist

proportional zu B.

Das Ausgangssignal

des Stromsensors ist

proportional zum

Kreuzprodukt der

magnetischen Fluss-

vektoren:

B1 × (-B1) + B2 × (+B2)

= 2B1

Bild 3: Die Strommess-

sonde von Raztec.

Bild 4: Größenvergleich mit einem konventionel-

len Stromsensor.

Bild 5: Anwendungs-

beispiel Lkw-Hybrid-

antrieb.

Bauelemente Highlights


ERFASSUNG DES SAUGROHR-ABSOLUTDRUCKS

Sensoren verringern Emission Rastermaß 1,27mm

Infineon erweitert sein Portfolio um Abso-

lutdruck-Sensoren der Serie Xensiv-KP276,

die speziell für die Messung des Saugrohr-

Absolutdrucks (Manifold Air Pressure,

MAP) in Saug- oder Turbodiesel- sowie

Benzinmotoren konzipiert sind. Der Druck-

messbereich der digitalen Turbo-MAP-

Sensoren reicht von 10 kPa bis 400 kPa, und

mit einem maximalen Genauigkeitsfehler

von 0,77 % ermöglichen die neuen Senso-

ren präzise Messungen, die den Verbren-

nungsvorgang verbessern und dadurch zu

einer Verringerung der Emissionen beitra-

gen. Vom Sensor zusätzlich erfasste Druck-

daten helfen dabei, Lecks oder Fehlfunk-

tionen des AGR-Ventils (Abgasrückfüh-

rung) zu ermitteln. Durch die Integration

der Signalverarbeitung für einen externen

NTC-Temperatursensor können die KP276-

Sensoren sowohl das Druck- als auch das

Temperatur-Signal über eine einzige digi-

tale Schnittstelle bereitstellen. Außerdem

verfügen die Sensoren über eine SENT-

Schnittstelle (Single Edge Nibble Transmis-

sion) mit einer sehr kurzen Frame-Länge

von lediglich 846 μs und einer schnellen

NTC-Start-up-Zeit von typischerweise 10

ms. Die Sensoren sind in einem robusten

SMD-8-Gehäuse erhältlich und sind für

die rauen Umgebungen im Motor-Manage-

ment ausgelegt. (aok) ■


Der Sensor KP276 ermöglicht präzises Messen

des Saugrohr-Absolutdrucks in Verbrennungs-

motoren und hilft so, Emissionen zu verringern.

Bild

: Infi

neon

MIT INTEGRIERTER SELBSTDIAGNOSEFUNKTION

Power-Supply-Monitoring-IC für funktionale SicherheitRohm kündigt mit dem BD39040MUF-C

einen Power-Supply-Monitoring-IC mit

BIST (Built-In-Self-Test) an, der die Kon-

figuration funktionaler Sicherheitssysteme

erleichtert. Speziell eignet er sich für Auto-

mobilanwendungen, die ausfallsichere

Komponenten erfordern. Beispiele hierfür

sind elektrische Servolenkungen sowie

Sensoren und Kameras für autonomes Fah-

ren und Fahrerassistenzsysteme (ADAS).

Zudem bietet er die Überwachungsfunk-

tionen, die für die funktionale Sicherheit

in Stromversorgungssystemen von ADAS-

Sensormodulen erforderlich sind.

Dazu gehören nicht nur die Spannungs-

überwachung (Power Good, Reset) und

ein Watchdog-Timer zur Überwachung des

für die funktionale Sicherheit wichtigen

elektronischen Steuergeräts (ECU), son-

dern auch Selbstüberwachungsfunktionen

für die Referenzspannung und Oszillator-

Frequenz sowie eine integrierte Selbstdi-

agnosefunktion. Durch die Verwendung

proprietärer Technologien kann der Pow-

er-Supply-Monitoring-IC einen potenziel-

len Ausfall des Stromversorgungs-ICs

erkennen, ohne bestehende Systeme zu

beeinträchtigen. Durch die Integration die-

ser Funktionen in ein kompaktes, nur drei

Quadratmillimeter großes Gehäuse macht

es den BD39040MUF-C zu einer adäquaten

Lösung für ADAS-Anwendungen, die eine

hohe Miniaturisierung erfordern. Der neue

Power-Supply-Monitoring -IC ist gemäß

AEC-Q100 (Grad 1) qualifiziert und arbei-

tet in einem Eingangsspannungsbereich

von 2,7 V bis 5,5 V. (prm) ■


Um Fehler und Ausfälle zu vermeiden, nutzt das

Überwachungs-IC BD39040MUF-C eine proprie-

täre Schaltungstechnik, mit der es mögliche

Fehler im Vorfeld erkennen kann.

Bild

: Roh

m


Power DC/DC-Wandler


Raue Bedingungen im TransportwesenDC/DC-Wandler halten stand

Stöße, Kondensation, Temperaturwechsel – die Anforderungen

im Transportwesen und bei Nutzfahrzeugen sind höher als bei

Anwendungen im Industrie- und Consumerbereich, weshalb

Standardprodukte nicht mehr ausreichen. Die Hersteller wirken

dem mit modularen Lösungen entgegen. Autor: Steve Roberts

DC/DC-Wandler für elektronische Systeme gibt es in

nahezu allen denkbaren Anwendungen: Verbraucher-

elektronik, IT, Industrie, Transportwesen und mehr.

Meistens sind sie in Systeme eingebettet und von der Außenwelt

mit ihrer unvorhersehbaren Stromversorgung und den variablen

Umgebungsbedingungen gut abgeschirmt. Im Transportwesen

ist das jedoch anders. Häufig speisen Systembatterien die DC/

DC-Wandler, allerdings versorgen sie oft auch noch andere Las-

ten. Dabei können Spannungsspitzen, Stromstöße und Ausfälle

auftreten. Die physische Umgebung im Transportwesen kann

mit Kondensation, Stößen, Schwingungen und raschen Tempe-

raturwechseln zwischen extremen Werten ebenfalls rau sein.

Von Natur aus bewegt sich das Transportwesen auch zwischen

unterschiedlichen bestrahlten EMV-Bedingungen mit Emissio-

nen von mitunter hoher Leistung von anderen Fahrzeugen sowie

Radio-, Fernseh- und Mobilfunkmasten. Modulare DC/DC-

Wandler sind Standardartikel geworden. Selbst die preiswertes-

ten Teile weisen hohe Leistung mit Sicherheitszertifizierungen

auf. Doch erfüllen sie die Anforderungen des Transportwesens?

Eine Untersuchung der Leistungsstandards in diesem Marktseg-

ment zeigt, dass im Allgemeinen Sonderausführungen erforder-

lich sind.

Transportanwendungen wie Schienenfahrzeuge können abweichende Nennspannungen habenSchienenfahrzeuge gelten mit Nennspannungen, die zwischen

24 und 110 VDC

variieren können, als anspruchsvollste Anwen-

dungen für DC/DC-Wandler. Gemäß EN 50155-2017 „Anwen-

dungen in Schienenfahrzeugen – Elektronische Ausrüstung auf

rollendem Material“ können die Nennspannungen zwischen -30

und +25 Prozent variieren und Absenkungen auf bis zu 60 Pro-

zent des Nennwertes sind möglich, während Überspannungen

bis zu 140 Prozent erreichen können. Bild 2 gibt eine Übersicht

der möglichen Spannungsbereiche. Dem Standard zufolge soll-

ten Überspannungen und Spannungsabfälle von den angegebe-

nen Werten über eine Dauer von 100 ms keine Abweichung der

Funktion verursachen, obwohl für Überspannungen mit einer

Dauer von bis zu einer Sekunde eine gewisse Leistungsminde-

rung zulässig ist. Für Stromwandler ist es kaum abzuschätzen,

welche Abweichung für nachgelagerte Ausrüstung akzeptabel

ist, sodass ein DC/DC-Wandler bei der höchsten Überspannung

von 140 Prozent praktisch dauerhaft normal funktionieren muss.

Bild 2 zeigt auch die standardmäßigen 4:1-Eingangsspannungs-

bereiche der DC/DC-Wandler und verdeutlicht, dass einige Bau-

teile höchstens für einen Teil der Anforderungen bei Schienen-

fahrzeugen geeignet sind. Ein idealer Wandler für alle Variatio-

nen müsste jedoch, wie gezeigt, einen Eingangsspannungsbereich

von 10:1 oder besser haben.

Einige Schienenfahrzeuganwendungen erfordern noch immer

die Einhaltung von RIA 12, einem alten Standard, der die Immu-

nität gegenüber Überspannungen bis zum 3,5-fachen des Nenn-

wertes für eine Dauer von 20 ms enthält. Bei Systemen mit 110 V

bedeutet das einen Spitzenwert von 385 V und ist von einem DC/

DC-Eingangsbereich praktisch sehr schwer zu erfüllen oder mit

einem Überspannungsbegrenzer zu absorbieren. Die Quellim-

pedanz beträgt nur 0,2 Ohm. Wenn dies bei beispielsweise 160

V geklemmt wäre, wäre die in einem Überspannungsbegrenzer

abzuleitende Spitzenenergie eine nicht handhabbare Größe von

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180 kW. Es wurden verschiedene Methoden für den Umgang mit

der Überspannung ausgearbeitet. Ein effizienter und von Recom

empfohlener Weg ist es, die Versorgung mit einem Reihen-MOS-

FET vorzuregeln und einen zeitgesteuerten Ausschalter zu ergän-

zen, sodass die Ableitung im MOSFET dessen Einstufung nicht

überschreiten kann, falls die Überspannung weiterhin besteht.

Diese Lösung ist als vorgefertigtes Überspannungs-Begrenzer-

modul für bis zu 300 W kontinuierliche Last erhältlich oder kann

mit diskreten Bauelementen eingefügt werden.

DC/DC-Wandler für Schienenfahrzeuge müssen häufig auch

schnelle transiente Überspannungen vertragen, wie sie in der

Reihe der Standards EN 61000-4-x definiert sind. Sie sind rela-

tiv energiearm, sodass einfache LC-Filter und Transienten-

Unterdrücker ausreichend sind. Im Standard EN 50155 sind

auch vollständige Unterbrechungen der Stromversorgung mit

den drei Klassen S1, S2 und S3 vorgesehen, wobei der schlimms-

te Fall ein Ausfall der Nenneingangsspannung über 20 ms ist,

bei dem keine Leistungsminderung erlaubt ist. Das erfordert

für den DC/DC-Wandler normalerweise einen externen Über-

brückungskondensator.

Ausrüstung für Schienenfahrzeuge unterliegt auch stärkeren

Stößen und Schwingungen als für die meisten anderen Anwen-

dungen typisch ist. Der Standard EN 61373 definiert die Größen

für verschiedene Bereiche von Kategorie 3 (achsenmontiert) bis

Transportanwendungen erfordern spezielle DC/DC-Wandler mit einem

weiten Bereich an Eingangsspannungen und Immunität gegenüber rau-

en Umgebungsbedingungen und EMV-Störungen, weshalb kommerzi-

elle oder übliche Standardbauteile in Industriequalität kaum eine zuver-

lässige Lösung sein können. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die

besonderen Anforderungen in Schienenfahrzeugen, Automobilen und

Industriefahrzeugen und stellt einige serienmäßige modulare Lösungen

vor, welche die geforderten Spezifikationen erfüllen.

Eck-DATEN

Bild 1: Skizze eines Überspannungsbegrenzers

für Anwendungen gemäß RIA 12.

Bild

er: R

ecom


Power DC/DC-Wandler


Kategorie 1 (am Fahrzeug montiert). In allen derartigen Fällen

erfordert die Konstruktion des Wandlers eine Erhöhung der

Widerstandsfähigkeit mit konformer Beschichtung offener Lei-

terplatten und häufig eine Verkapselung zur Minimierung

mechanischer Beanspruchung und zum Schutz vor Feuchtigkeit.

Die Produktpalette der DC/DC-Wandler von Recom und der

neu übernommenen Firma Power Control Systems erfüllt viele

Anforderungen für Schienenfahrzeuge mit den EN 50155-zer-

tifizierten Produkten von den SMD- und DIP-24-Bauteilen mit

einer Nennleistung von 8 W bis hin zu den 240-W-Brick-Typen

mit extragroßem 12:1-Eingangsspannungsbereich, die alle Soll-

werte der Standards erfüllen. Das Unternehmen bietet auch

Referenzdesigns an, die eine Filterung für die Anforderungen

von EN 50155 und RIA 12 umfassen. Bauteile mit AC-Eingang

gibt es bis hin zu 10 kW Drehstrom, was typisch für Strecken-

anwendungen ist.

Ähnliche Anforderungen wie SchienenfahrzeugeDer große Bereich möglicher Batteriespannungen kann auch

bei anderen Anwendungen auftreten, etwa bei elektrischen

Gabelstaplern, Hybridfahrzeugen oder USV-Anlagen. Die

Nennspannungen der Batterien können von 12 bis 48 V reichen,

aber Ladespannungen und Überspannungen beim Trennen

von Schwerlastmotoren, buchstäblich Lastabwürfen, können

die Höchstspannung in einem 12-V-System auf 42 V und mehr

erhöhen (Bild 3). In 48-V-Systemen sind die Spannungen dem-

entsprechend höher. Weil aber 60 V als maximale sichere Span-

nung definiert ist, können Schaltungen wie die Überspan-

nungsbegrenzung in Bild 1 verwendet werden, um die DC/

DC-Eingangsspannung unter dem Maximum von 60 V zu hal-

ten. Bei dieser Sicherheitskleinspannung gelten DC/DC-Iso-

lationssysteme als funktional und erfordern keine Zertifizie-

rung gemäß höherer behördlicher Einstufung. DC/DC-Wand-

ler mit großem Eingangsspannungsbereich sind erneut eine

Lösung für die geringeren Eingangsspannungen bei Kaltstart-

bedingungen. Die Umgebung ist weniger definiert als bei Schie-

nenfahrzeugen, weil Nutzung und Ort des Lastwagens nicht

festgelegt sind. Für einen zuverlässigen Betrieb sind daher

Bauteile mit erhöhter Widerstandsfähigkeit empfehlenswert.

Da die Elektronik ihren Weg in landwirtschaftliche Fahrzeuge

und schwere Industriefahrzeuge findet, sind die Anforderun-

gen an einen weiten Eingangsspannungsbereich und robuste

Bauweise ähnlich.

Versorgungsspannungen für Autos sind gut definiertIn Straßenfahrzeugen sind die Versorgungsspannungen durch

die gängige Spezifikation LV124 für 12-V-Systeme ziemlich

gut definiert, einem 2013 durch deutsche Autohersteller fest-

gelegten Standard. Die in Bild 3 gezeigten Spannungen sind

typisch und erfordern Wandler, die über einen großen Ein-

gangsspannungsbereich von 4:1 arbeiten können. Obwohl

verschiedene Hersteller ihre eigenen Interpretationen und

Anforderungen haben, lässt sich der Standard ISO 7637-2 auch

für transiente hohe Spannungen anwenden. Negative Transi-

enten können 2 ms lang bis zu -150 V zusammen mit positiven

Werten wie beispielsweise +150 V für 150 ns angewendet wer-

den. Negative Impulse entstehen durch das Entladen paralle-

ler induktiver Lasten. Die Transienten haben relativ geringe

Energie und lassen sich durch LC-Filter und Überspannungs-

begrenzer dämpfen.

In der Automobilbranche wächst das Interesse an DC-Sys-

temen mit 48 V für Hybridfahrzeuge, um die bevorstehende

Anforderung zu erfüllen, dass neu zugelassene PKW ab 2021

weniger als 95 g CO2 pro Kilometer emittieren dürfen. Die

Umstellung des Marktes auf vollelektrische Fahrzeuge wird

bis dahin nicht möglich sein, sodass Hybridfahrzeuge die

einzige Möglichkeit für größere Fahrzeuge sind. Ein System

mit Systemspannungen von 12 und 48 V ermöglicht eine bes-

sere Kraftstoffausnutzung und verminderte Emissionen, weil

die 48-V-Batterie für mehr Beschleunigung und Leistung für

Zubehör wie Öl- und Wasserpumpe sorgt, die beim elektri-

schen Antrieb effizienter sind.

Bild 2: Bereich der

Versorgungsspan-

nungen für unter-

schiedliche Nenn-

werte gemäß EN

50155-2017 für

Schienenverkehrs-

anwendungen.


Power DC/DC-Wandler

48-V-Systeme haben ähnliche Prozentsätze der Über- und

Unterspannungen wie 12-V-Systeme, aber die zusätzliche Rand-

bedingung, die Spannung unterhalb der sicheren 60 V zu halten,

um teure zusätzliche Isolationssysteme zu vermeiden. Der Stan-

dard VDA 320 definiert die Spannungswerte (Bild 4).

Falls in diesen Systemen ein modularer DC/DC-Wandler ein-

gesetzt wird, etwa für Anwendungen von Infotainment oder

Navigation, kann ein 4:1-Eingangsspannungsbereich (18 bis 72

V) ausreichend sein, aber das Bauelement muss dennoch den

Stoß- und Schwingungsspezifikationen entsprechen und bei den

großen Temperaturschwankungen zwischen einem geparkten

Fahrzeug unter arktischen Bedingungen und der Hitze in den

Tropen funktionieren.

Modulare DC/DC-Wandler haben passende Spezifikationen für den TransportsektorDie Anforderungen an DC/DC-Wandler im Transportbereich las-

sen sich bequem mit Standardlösungen von Unternehmen mit

langjähriger Erfahrung wie Recom und deren Schwesterfirma PCS

erfüllen. Die umfangreiche Angebotspalette umfasst Modelle mit

extra großem Eingangsspannungsbereich von 12:1 mit Zertifizie-

rung gemäß EN 50155 für Schienenfahrzeuge sowie Produkte mit

erhöhter Widerstandsfähigkeit für Autos und Industriefahrzeuge.

Die Produkte bieten durch ihre Designüberprüfung und Validie-

rung eine lange Lebensdauer und optimale Leistung. Tests umfas-

sen eine vollständige Leistungscharakterisierung, HALT, Tempe-

raturzyklen und Tests bei hohen Temperaturen. (prm) ■

Autor Steve Roberts

CTO bei Recom Power

infoDIREKT 902ejl0619 Schulz-Electronic GmbH

Dr.-Rudolf-Eberle-Straße 2 . D-76534 Baden-Baden

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Bild 3 (links):

Auftretende Über-

spannungen bei 12-V-

Fahrzeuganwendun-

gen (aus LV124).

Bild 4 (rechts):

Werte der System-

spannungen für 48-V-

Systeme im Automo-

bilbereich.


Power Sicherungen


Wo Industrielösungen an ihre Grenzen stoßenAEC-Q-Standard erleichtert die Auswahl von Automotive-Sicherungen

Die geplante Veröffentlichung des Automotive-Standards für Schmelzsicherungen schließt

eine wichtige Lücke im Qualifikationsverfahren AEC-Q200. Allerdings gibt es Herausforde-

rungen und Lösungen aus dem Automotive-Bereich, bei denen Sicherungslösungen aus

dem Industriesektor an ihre Grenzen stoßen. Autor: Michael Zimmermann

Für Automobilentwickler wird 2019

mit der geplanten Veröffentlichung

des Automotive-Standards für

Schmelzsicherungen des Automotive

Electronics Council (AEC) ein wichtiges

Jahr. Der Standard bietet einen enormen

Vorteil für Entwicklungsingenieure: Sie

müssen dann nicht mehr auf Industriesi-

cherungen zurückgreifen oder Lebens-

daueranforderungen mit einzelnen Her-

stellern abprüfen.

Während Automobile den Passagieren

eine angenehme Umgebung bieten, ist die

Elektronik im Fahrzeug härtesten Bedin-

gungen ausgesetzt – etwa großen Tempe-

raturschwankungen, mechanischen Stöße,

Vibrationen, Feuchtigkeit und Wasser sowie

Salz. In der Automobilindustrie ist Zuver-

lässigkeit und Verfügbarkeit von Kompo-

nenten ein wichtiges Ziel. Deshalb muss

auch die Technologie zur Absicherung der

Leiterplatte einem hohen Anspruch genü-

gen. Der AEC hat das Ziel, eine Standardi-

sierung in der Qualifizierung von elektro-

nischen Komponenten zu erreichen.

Um eine AEC-Qualifikation zu erhalten,

muss eine Komponente einen strengen

Prozess mit unterschiedlichen Überprü-

fungen bestehen, beispielsweise 1000

Stunden in Klima-, Heizungs- und Tem-

peraturschockkammern. Die tolerierte

Ausfallrate ist dabei Null. Ein erfolgreicher

Test unter der Bedingung des AEC-Q

bescheinigt höchste Zuverlässigkeit über

eine angenommene Lebensdauer von 8000

Stunden beziehungsweise 300.000 Kilo-

metern.

Der Standard AEC-QAufgrund der vielfältigen und extremen

Testbedingungen bei der AEC-Qualifizie-

rung können Hersteller auf zusätzliche und

individuelle Tests für die Komponenten-

freigabe verzichten – mit dem Vorteil einer

Zeit-, Kosten- und Komplexitätsersparnis

Bild

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Power Sicherungen

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bei der Entwicklung. Die Norm AEC-Q200

umfasst Tests für passive Bauteile wie

Widerstände und Kondensatoren. Bislang

existiert jedoch kein Abschnitt, der sich

speziell mit Sicherungskomponenten

befasst. Dieser Teil des Standards befindet

sich seit einiger Zeit in Bearbeitung. Eine

Veröffentlichung wird in diesem Jahr

erwartet, weshalb Siche-

rungshersteller bislang

eigene Testpläne ver-

wenden um automoti-

vetaugliche Komponen-

ten anbieten zu können.

Der Littelfuse-Testplan

entspricht bereits dem

Validierungsplan, des

sich kurz vor der Veröf-

fentlichung befindlichen Standards.

Demnach muss eine SMD-Sicherung

(Bild 1) bei Littelfuse 22 verschiedene Tests

bestehen, um das Prädikat „Automotive-

Qualified“ zu erreichen. Ebenso müssen

Produktionsstätten nach IATF16949

(International Automotive Task Force) zer-

tifiziert sein. Diese Zertifizierung wird den

Anforderungen des Qualitätsmanage-

ments gerecht und sorgt für eine konsis-

tente Lieferqualität.

PCB-SicherungenBei der Realisierung von elektronischen

Steuergeräten, Sensoren und Aktuatoren

herrscht ein hoher Kostendruck. Dabei

erscheint die Verwendung von Leiterbah-

nen zur Absicherung von Überströmen als

eine Alternative ohne Zusatzkosten

gegenüber SMD-Sicherungen. Bei beiden

Absicherungsvarianten führt ein Über-

schreiten der Verlustleistung zur Auslö-

sung. Zur Absicherung eines harten Kurz-

Bisher mussten Entwickler bei der Auswahl

der geeigneten Schmelzsicherung für Auto-

mobil-Anwendungen auf Industrielösungen

zurückgreifen oder Anforderungen mit den

Herstellern abprüfen. Mit dem AEC-Q-Stan-

dard soll diese Lücke im AEC-Q200-Verfah-

ren nun geschlossen werden. Im diesem

Fachbeitrag geht es darum, wo die Unter-

schiede bei den Anforderungen an Siche-

rungslösungen im Automotive-Bereich die

des Industriesektor überschreiten und wel-

che geeigneten Lösungen es für die jeweili-

gen Belastungsbereiche gibt.

Eck-DATEN

schlusses kann eine Leiterbahn- oder

PCB-Sicherung sinnvoll sein. Allerdings

kann eine PCB-Sicherung bei moderaten

Kurzschlüssen nicht dieselbe Performance

erreichen wie eine SMD-Sicherung. Des-

halb ist die PCB-Sicherung nur bedingt

dafür geeignet, alle Überstromfälle abzu-

sichern. Eine SMD-Sicherung löst auch

bei schwachen Überlast-

fällen nach bestimmten

Zeiten aus. Sicherungen

von Littelfuse erfüllen

alle Anforderungen der

Normen UL/CSA und

ANCE 248-14. UL-Tests

werden bei 100, 135 und

2 0 0 P r o z e n t d e s

Nennstroms durchge-

führt. Die Sicherung muss 100 Prozent

ihrer Amperezahl tragen und sich bei einer

Temperatur stabilisieren, die nicht höher

als 75 °C ansteigt. Zudem muss sich die

Sicherung bei 135 Prozent des Nennstroms

innerhalb einer Stunde auslösen und bei

200 Prozent innerhalb von zwei Minuten.

Die Fertigung von Leiterplatten weist in

der Serienfertigung relativ hohe Toleran-

zen auf. Die Dicke der äußeren Kupfer-

schicht ist hierbei der kritische Parameter

für die Eigenschaften einer PCB-Siche-

rung. Eine höhere Genauigkeit ist möglich.

Das bedeutet jedoch höhere Kosten für die

gesamte Leiterplatte, auch wenn engere

Toleranzen nur an den Stellen der PCB-

Sicherung notwendig sind.

Darüber hinaus sind aufgrund verschie-

dener Lose und Lieferanten zusätzliche

Toleranzen zu berücksichtigen. Schwan-

kungen im Widerstand der PCB-Sicherung

sind entsprechend zu minimieren. Die in

der Automobilindustrie übliche Multi-

Bild 1: Eine SMD-Schmelzsicherung mit Keramik-

substrat muss bei Littelfuse 22 Tests bestehen,

um als „Automotive-Qualified“ zu gelten.

Bild

er: L

ittel

fuse

8000Stunden Lebensdauer bei

Ausfallrate Null bescheini-

gen Komponenten höchs-

te Zuverlässigkeit unter

AEC-Q-Bedingungen.


Power Sicherungen


Sourcing-Strategie vervielfacht dabei Auf-

wände für die Qualitätskontrolle. Siche-

rungen von Littelfuse sind für einen

Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis

+150 °C ausgelegt. Ein Leitfaden für Aus-

legung und Auswahl von SMD-Sicherun-

gen steht zur Verfügung, ebenso wie die

Unterstützung durch ein Applikati-

onsteam, um Spezialfälle abzudecken.

Neben Schmelzsicherungen für das ein-

malige Abschalten von Überströmen gibt

es auch rückstellbare, nach AEC-Q200

qualifizierte PPTCs (Polymeric Positive

Temperature Coefficient) . Fehlerfälle, die

nur für einen bestimmten Zeitraum auf-

treten und sich danach wieder auflösen,

lassen sich damit kostengünstig absichern.

PPTC im DetailEine PPTC-Sicherung (Bild 2) besteht aus

einem Verbund teilkristalliner Polymere

und leitfähiger Partikel. Bis zu einer

bestimmten Temperatur bilden die leitfä-

higen Partikel ein niederohmiges Netz-

werk im Polymer. Übersteigt die Tempe-

ratur die Schalttemperatur – entweder

durch einen hohen Strom oder durch eine

Erhöhung der Umgebungstemperatur –

nehmen die Kristalle an Volumen zu und

das Polymer wird amorph. Dabei werden

die leitfähigen Teilchen voneinander

getrennt und führen zu einer starken,

nichtlinearen Erhöhung des Widerstandes.

Nach Abkühlung, etwa aufgrund eines

Resets, wird der PPTC mit einer Hystere-

se wieder auf den niedrigen Widerstands-

wert zurückgesetzt.

Die Fähigkeit der PPTCs, sich nach dem

Auftreten eines Fehlerstroms zurückzu-

setzen, macht sie ideal für den Einsatz in

Schaltkreisen, die für den Endkunden oder

einen Techniker unzugänglich sind. Typi-

sche Anwendungen umfassen den Schutz

von Schnittstellen, Akkupacks, Steuerge-

räten und Halbleitern. Interessant ist der

Einsatz als Überlastungsschutz für Halb-

leiterschalter: Ohne zusätzlichen Aufwand

für Logik lässt sich der PPTC im Strompfad

in der Nähe des zu schützenden Bauteils

platzieren. Geht beispielsweise ein MOS-

FET ungewollt in den Linearbetrieb und

ist der Fehlerfall daher nicht über eine

Stromüberhöhung zu erkennen, kann ein

PPTC allein über die erhöhte Verlustleis-

tung den Strompfad unterbrechen. Nach

AEC-Q200 qualifizierte SMD-PPTCs sind

bei Littelfuse in den Bauformen von 0603

bis 3425 und für einen Strombereich von

0,05 A bis 5 A verfügbar.

Thermische SicherungenIm höheren Strombereich ist eine andere

Technologie für Temperatursicherungen

im Einsatz. Jetzt gibt es eine einfache, nicht

rückstellbare Lösung mit geringem Platz-

bedarf entwickelt: Die thermische Siche-

rung HCRTP-Mini (High Current Reflow

Thermal Protector) kommt vornehmlich

in der Leistungselektronik zum Einsatz.

Bei einem Leistungs-MOSFET steigt der

Drain-Source-Widerstand im Einschalt-

zustand mit zunehmender Temperatur an.

Dies führt zu einer zunehmenden Verlust-

leistung. Bei einem Versagen der Kühlung

steigt der Drain-Source-Widerstand wei-

ter an, was schließlich zur Zerstörung des

Bauteils führt.

Die HCRTP-Mini funktioniert über

einen Federmechanismus, der die Leiter-

bahn an den eigenen Lötstellen unter-

bricht. Das Schutzelement ist für eine auto-

matisierte Bestückung geeignet und wird

mit SAC-Lot (Zinn-Silber-Kupfer-Lot)

direkt auf der Leiterplatte gelötet. Das

Temperaturmesselement ist das SAC-Lot

selbst, welches das Bauteil an der Leiter-

platte hält. Das Bauteil wird nach dem

Reflow-Prozess aktiviert, indem eine Kap-

pe heruntergedrückt wird. Das Gerät ist

aktiviert, wenn das Lot schmilzt und die

Klemmfedern den Stromkreis trennen.

Halbleiterbasierte SicherungenEine klassische Überstromsicherung kann

nicht zum Schutz vor Bränden, etwa auf-

grund eines durchlegierten MOSFET,

schützen. Bereits kleine Ströme können

zu lokalen Hot Spots von über 180 °C füh-

ren und die Epoxidstruktur der Platine

beschädigen. Ein Ansprechen der thermi-

schen Sicherung verhindert Rauch und

Feuer. In sicherheitskritischen Anwendun-Bild 3: Bei der Konstruktion von Hochvoltsicherungen, wie hier eine Lösung mit verschiedenen

Anschraubmöglichkeiten, liegt ein Fokus auf der Lichtbogenlöschung bei der Auslösung.

Bild 2: Rücksetzbare SMD-Sicherungen (PPTC)

sichern Fehlerfälle ab, die nur für einen be-

stimmten Zeitraum auftreten und sich danach

wieder auflösen.

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gen wie dem ABS-System bietet die

HCRTP-Mini daher Schutz vor überhit-

zungsbedingten Schädigungen im Fahr-

zeug, wenn eine klassische Überstromsi-

cherung nicht auslöst.

Seit einigen Jahren kommen zur Absi-

cherung von Überströmen auch Halblei-

terschalter zum Einsatz. MOSFET-Struk-

turen bilden hierfür die Basis. Über einen

integrierten Stromspiegel und mithilfe

eines Logikelements bietet der Halbleiter

die Möglichkeit, Sicherung und Schalte-

lement in einem Bauelement zu vereinen.

Ein solcher Halbleiter kann nicht die mate-

rialbedingte I2t-Kennline einer Schmelz-

sicherung abbilden, da der Halbleiter nicht

den thermischen Vorgang des Schmelzens

von Kupfer nachbildet. Einschaltspitzen

können sich damit zum Problem entwi-

ckeln. Elektronische Sicherungen messen

den Strom und schalten den MOSFET

dig ital aus, wenn der Strom einen

be stimmten Schwellenwert überschreitet.

Das Stromspiegelprinzip ist in der Regel

hinsichtlich der Messgenauigkeit sehr ein-

geschränkt. Weil sich ein Halbleiter deutlich

schneller schalten lässt, als eine Schmelz-

sicherung reagiert, eignet sich diese Art des

Überstromschutzes in erster Linie für har-

te Kurzschlüsse. Aufgrund der guten Ska-

lierbarkeit von MOSFETs sind nahezu belie-

bige Abschaltströme darstellbar.

Die Halbleitersicherung hat allerdings

auch Nachteile. Der Platzbedarf auf der

Leiterkarte ist höher, auch durch die

zusätzliche Ansteuerschaltung. Sicherun-

gen auf Halbleiterbasis sind empfindlich

gegenüber EMV-Störungen (elektromag-

netische Verträglichkeit), Überspannung,

Verpolung und der Art der Last (kapazitiv

oder induktiv). Daher sind Bauteile zum

Schutz und zur Stabilisierung notwendig.

Absicherung des HochvoltbordnetzesWährend SMD-Sicherungen den Über-

stromschutz innerhalb des Steuergerätes

bereitstellen, sichern Kfz-Sicherungen die

Zuleitungen der 12-V- und 48-V-Batterie

ab. Das zusätzliche Hochvoltbordnetz mit

mehr als 450 V enthält zusätzliche Leis-

tungsanforderungen, welche in den Stan-

dards ISO 8820/20934 abgebildet werden.

Im leitenden Betrieb der Sicherung ist die

höhere Spannung unkritisch. Ein großer

Fokus bei der Konstruktion von Hochvolt-

sicherungen liegt auf der Lichtbogenlö-

schung bei Auslösen der Sicherung.

Die Spannung erzeugt in Kombination

mit einem Stromstoß eine große Energie-

menge, die bei richtiger Auslegung inner-

halb des Sicherungskörpers abgebaut wird.

Hierfür wird in Verbindung mit einer spe-

ziellen Geometrie des Sicherungselements

üblicherweise eine Sandfüllung als Licht-

bogenunterdrücker verwendet.

Eine weitere Herausforderung für Hoch-

voltsicherungen besteht in der mechani-

schen Robustheit, um den Vibrationen und

Temperaturschwankungen über die

Lebensdauer des Fahrzeugs standzuhal-

ten. Die Sicherung muss mit Zugentlas-

tungen ausgestattet sein, um Bewegungen

auszugleichen. Hochspannungssicherun-

gen für industrielle Anwendungen sind

für den stationären Gebrauch bestimmt

Autor Michael Zimmermann

Senior Field Application Engineer

Automotive Electronics Business

Unit bei Littelfuse


und entsprechen nicht den mechanischen

und umwelttechnischen Anforderungen

von Kraftfahrzeugen.

Niederspannungssicherungen sind für

eine Lebensdauer von bis zu 8000 Stunden

ausgelegt, während in 450-V-Anwendun-

gen eine Lebensdauer von bis zu 40.000

Stunden erforderlich ist, da diese auch im

Ladekreis der Fahrzeugbatterie zum Ein-

satz kommen. Um die höhere Belastung

abzusichern, müssen Testgruppen ange-

passt und Testdauer sowie Testparameter

verschärft werden, wobei Littelfuse bei der

Gestaltung der Testprozeduren im ISO-

Arbeitskreis aktiv mitwirkt.

Littelfuse bietet für alle Überstromab-

sicherungen ein übergreifendes und kom-

plettes Portfolio. Das Spektrum besteht

aus SMD-Sicherungen, PPTCs, thermi-

schen Sicherungen und Hochvoltsiche-

rungen (Bild 3). Die Produktauswahl wird

durch eine starke Kundenbetreuung,

Design Guides und durch eigene Appli-

kationslabors unterstützt. Damit lässt sich

sicherstellen, dass die Bauteile den unter-

schiedlichen Kundenanforderungen ent-

sprechen. (na) ■


Power Module


Aktuelle Normen und Vorschriften auf der SchieneAnforderungen an Stromversorgungslösungen für die Bahntechnik

Der Einsatz aktueller Technologien bietet auch in der Bahntechnik mehr Funktionen für Betreiber und Fahrgäste

und erhöht vor allem die Sicherheit. Dazu müssen Zulieferer von Komponenten jedoch zuverlässige Produkte

bereitstellen, die komplexen internationalen Standards entsprechen. Autor: Phil Goff

Verstopfte Straßen und Umweltbelange sind zwei der

Hauptgründe für das jüngste Wachstum im Bahnbe-

reich. Hinzu kommt der weitere Ausbau von Hochge-

schwindigkeits-Bahnstrecken und die Tatsache, dass die Bahn

einen Aufschwung erfährt, da sie eine bequeme Alternative zu

Kurzstreckenflügen ist und Reisende direkt in das Stadtzentrum

befördert.

China ist der größte nationale Markt für Bahntechnik, der nach

Schätzungen des Verkehrsforschungsunternehmens SCI Verkehr

(www.sci.de) rund 33 Milliarden Euro jährlich einnimmt. Das

Land hat durch den umfangreichen Ausbau der Bahn und Hoch-

geschwindigkeitsstrecken viele Schlagzeilen gemacht; der nati-

onale Markt ist jedoch rückläufig, wobei der OEM-Markt in den

nächsten fünf Jahren wohl jährlich um fünf Prozent zurückgehen

wird. In Westeuropa sieht die Entwicklung etwas anders aus: der

starke Markt wird auf 45,6 Milliarden Euro geschätzt und weist

ein Wachstum von 3,8 Prozent (CAGR) auf. Osteuropa ist mit

11,2 Milliarden Euro kleiner und wächst etwas stärker mit 4,3

Prozent (CAGR). Deutschland ist der größte Markt in Westeu-

ropa, der mit 11 Milliarden Euro fast ein Viertel des Gesamtmark-

tes ausmacht und neben China, den USA, Russland und Frank-

reich als einer der Top-5-Märkte gilt.

Technik und ZügeDer Ausbau der Infrastruktur und Zahl der Züge ist ein wesent-

licher Faktor für das Wachstum des Bahnmarktes. Wird dabei

ein höheres technologisches Niveau mit einbezogen, steigert dies

den Marktwert. Die Erwartungen der Verbraucher sind hoch,

und die Bahnbetreiber setzen immer mehr Technik ein, um die-

sen Wünschen zu entsprechen. Aktuelle Züge sind heute mit

hochentwickelten Fahrgast-Informationssystemen (visuell und

akustisch) ausgestattet, um die Fahrgäste über ihre Reise auf dem

Bild

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Power Module

Laufenden zu halten. Hinzu kommen fortschritt-

liche Beleuchtungs-, Klima- und Lüftungssys-

teme, um mehr Komfort im Abteil zu bieten.

Zuverlässiges WLAN war früher ein Luxus und

wird heute erwartet. Ähnlich wie in Flugzeugen

bieten einige Züge Bildschirme in der Rücken-

lehne – mit On-Demand-Entertainment, das

Unterhaltung für die Passagiere und Einnahme-

quellen für die Betreiber garantiert.

Die neue Technik dient jedoch nicht allein den

Fahrgästen. Akuelle Schienenfahrzeuge verfü-

gen über mehrere Sensoren, die wichtige Para-

meter wie die seitliche Schwingung des Wagens

und die Lagertemperatur messen – nützlich für

die Planung routinemäßiger Wartungsarbeiten.

Ein großer Teil der von den Sensoren gesammel-

ten Daten wird in Echtzeit an streckenseitige

Empfänger übertragen und in einer Blackbox im

Fahrzeug (wie im Flugzeug) gesammelt. Damit

stehen nützliche Daten für die Betreiber und im

Falle eines Unfalls wichtige Hinweise für die

Ermittler zur Verfügung.

Jede einzelne Technologie stellt einen bedeu-

tenden Fortschritt für das Bahnwesen dar. Train-

Control- und Management-Systeme (TCMS)

erlauben heute, die gesamte Sensorik und Funk-

tionalität miteinander zu vernetzen, was noch

mehr Fortschritt sowie Redundanz und die Ein-

haltung der Sicherheitsintegrationsstufen (SIL)

für einen störungsfreien Betrieb gewährleistet.

Vernetzungssysteme wie TCMS sind modular

aufgebaut und bestehen aus mehreren Steckkar-

ten, mit denen sie genau an die Anforderungen

der Anwendung angepasst werden. Diese Modu-

larität führt zum Einsatz dezentraler (verteilter)

Stromversorgungsarchitekturen (DPA, Distri-

buted Power Architectures), die auf Power-

Modulen basieren, um die Leistung für jede

Karte bereitzustellen. Auf ähnliche Weise wer-

den Power-Module für andere Technologien im

gesamten Bahnbereich verwendet, die häufig

unter Sitzen oder in Schränken in den Gängen

platziert sind.

Normen und VorschriftenSchienenfahrzeuge sind kein freundliches

Umfeld für Technologie – es müssen robuste

Komponenten zum Einsatz kommen, um sicher-

zustellen, dass es nicht zu einem vorzeitigen

Ausfall kommt. Um die Eignung von Bauteilen

für den Einsatz auf der Schiene zu gewährleisten,

wurden zahlreiche Standards geschaffen. In der

Vergangenheit wurden diese auf nationaler Ebe-

ne entwickelt, insbesondere in Ländern wie

Deutschland (VDE), Frankreich (NFF), Groß-

britannien (RIA) und Italien (ST). Diese Stan-

dards weisen zwar viele Gemeinsamkeiten auf,

es gibt aber auch bemerkenswerte Unterschiede,

die zu Herausforderungen führten, insbesonde-

re, wenn Züge die Landesgrenzen überschreiten.

Es wurden große Anstrengungen unternom-

men, um diese Normen auf europäischer Ebene

zu harmonisieren, und eine Reihe von Standards

sind inzwischen allgemein gebräuchlich. Am

bekanntesten ist die EN 50155 „Bahnanwen-

dungen – Elektronische Einrichtungen auf Schie-

nenfahrzeugen“, obwohl diese auf mehr als 25

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Die Anforderungen an die Sicherheit bei Bahn-

anwendungen sind hoch, und nicht niedriger sind

die Herausforderungen in Punkto elektromagneti-

schen Verträglichkeit (EMV). Daher ist das Einsatz-

feld für Power-Module alles andere als bequem.

Welche aktuellen internationalen Standards und

Normen es gibt, das erklärt dieser Beitrag im Detail

zusammen mit den Anforderungen für Stromver-

sorgungslösungen (Power-Module) in Bahnanwen-

dungen. Eine eine neue Produktlinie, die speziell

für diesen anspruchsvollen Bereich entwickelt wur-

de, dient dabei als Beispiel.

Eck-DATEN

Bild 1: Flex bietet eine Vielzahl von Stromversorgungslösungen für Bahnanwendungen.


Power Module


weitere EN- und IEC-Normen zu verwandten Themen verweist.

Wie bei vielen Normen dieser Art soll die EN 50155 die Anfor-

derungen an alle Arten elektronischer Bauelemente, die in Schie-

nenfahrzeugen zum Einsatz kommen, erfüllen (die Anforderun-

gen für streckenseitige Anwendungen sind etwas weniger auf-

wändig und werden von anderen Standards abgedeckt). Die

wichtigsten Überlegungen zu Power-Modulen (einschließlich

DC/DC-Wandlern) fallen jedoch in folgende Kategorien:

• Anforderungen an die Eingangsspannung

• Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit

(EMV/EMI)

• Mechanische/physikalische Anforderungen

• Anforderungen an Temperatur und Luftfeuchtigkeit

• Anforderungen an die galvanische Trennung (Isolation)

Die Anforderungen an die Eingangsspannung sind in der EN

50155 spezifiziert und wurden entwickelt, um die starken

Schwankungen der Stromquellen, wie sie in Bahnanwendungen

vorkommen, sowie Spannungsspitzen und andere Störungen

der Stromversorgung zu berücksichtigen.

Wird ein System ohne jegliche Regelung direkt von einer Bat-

terie gespeist, ist ein ordnungsgemäßer Betrieb mit Spannungen

im Bereich von 70 bis 125 Prozent der Eingangsnennspannung

(UN) erforderlich. Zudem können Aussetzer (Unterspannungen)

bis hinab auf 60 Prozent der UN für 100 ms und Überspannun-

gen von bis zu 140 Prozent der UN für eine Sekunde auftreten,

was beim Einschalten eines Systems häufig vorkommt. Tabelle

1 zeigt die gängigsten Gleichspannungen für On-Board-Elekt-

ronik in der Bahntechnik weltweit.

EMV-AnforderungenDie Norm erfordert auch, dass 50-ms-Transienten bis zu 1800 V

adressiert werden. Dies lässt sich mit einer Transientenspan-

nungs-Unterdrückung (TVS, Transient Voltage Suppression)

erzielen, die in der Lage ist, bis zu 1,5 J Energie zu unterdrücken.

Der TVS-Baustein ist so zu wählen, dass seine Klemmspannung

mit dem DC/DC-Wandlermodul kompatibel ist.

Während die meisten nationalen Normen mit der EN 50155

harmonisiert sind, unterscheidet sich die britische Norm RIA12

von der EN 50155 hinsichtlich des Überspannungsschutzes. Die

RIA12 erfordert, dass Systeme die 3,5-fache UN für bis zu 20 ms

aushalten müssen. Dies liegt außerhalb der Möglichkeiten einer

TVS. Zum Schutz gegen schnelle Transienten und Überstrom/-

spannung ist daher eine aktive externe Schaltung erforderlich.

In Bezug auf die EMV sind Bahnen ein schwieriges Umfeld.

Die hohen Spannungen der Freileitungen sind eine mögliche

Störquelle, ebenso wie die Transformatoren und Hochleistungs-

motoren an Bord. Fahrgäste nutzen auf ihren Reisen auch häufig

Smartphones und Laptops, die alle in der Lage sind, elektroma-

gnetische Felder auszustrahlen.

Die EN 50155 befasst sich mit den EMV-Anforderungen durch

Verweise auf die EN 50121-3-2 „Bahnanwendungen – Elektro-

magnetische Verträglichkeit – Schienenfahrzeuge – Geräte“, in

der Grenzwerte für elektrische Störeinflüsse auf Elektronik und

deren Eingrenzung in Bahnanwendungen festgelegt sind. Gene-

rell wird der Einhalt der entsprechenden Norm durch den Ein-

bau eines externen EMV-Filters erfüllt. Verschiedene Vorschlä-

ge für EMV-Filter für DC/DC-Wandler unterbreiten die einzel-

nen technischen Spezifikationen – die Tests auf Systemebene

sind jedoch im Endsystem durchzuführen, um die Gesamtprü-

fung zu bestehen.

Tabelle 1: Die

gängigsten

Gleichspannun-

gen für On-

Board-Elektro-

nik in der Bahn-

technik welt-

weit. Am

häufigsten anzu-

treffen sind 24,

72 und 110 V.

Tabelle 3: Die

Isolationsanfor-

derungen der EN

50155 hängen

von der Nenn-

spannung ab.

Tabelle 2: Einteilung der Betriebs-

temperaturen in sechs Klassen mit

unterschiedlichen Anforderungen.

Bild 2: Mit einer Leistung von bis zu 30 W erfüllen die PKE7000A-Module die

Norm EN 50155 und bieten MTBF-Werte von bis zu fünf Millionen Stunden.

Power Module

Physikalische HerausforderungenNeben dem elektrischen Rauschen sind Bahnanwendungen an

Bord auch physikalisch anspruchsvolle Umgebungen für elekt-

ronische Systeme. Während der Fahrt treten dauerhaft konstan-

te Vibrationen auf, was zu mechanischer Ermüdung und Erschüt-

terungen bis zu 5 g führt, insbesondere beim Rangieren fahr-

gastloser Waggons.

Die EN 61373 „Betriebsmittel für Bahnfahrzeuge – Prüfungen

für Vibrationen und Stöße“ befasst sich speziell mit den mecha-

nischen Anforderungen für elektronische Systeme (einschließlich

Power-Module), die in Bahnanwendungen zum Einsatz kommen.

Die Norm befasst sich damit, dass die Anordnung der Ausrüstung

über sieben festgelegte Orte (von einem „geschlossenen elekt-

rischen Betriebsbereich“ über „hochbewegliche Systeme im

Außenbereich“) zu unterschiedlichen mechanischen Belastungen

führt und berücksichtigt dies bei der Definition der Klassen.

Meistens fallen Systeme, in denen Power-Module zum Einsatz

kommen in die Klasse 1B.

Thermische AnforderungenIn Bahnanwendungen sind elektronische Systeme häufig hinter

Paneelen oder auf engstem Raum unter Sitzen platziert, was zu

höheren Temperaturen beim Betrieb der Module führt. Ähnlich

wie bei den physikalischen Anforderungen werden auch die

Betriebstemperaturen in sechs Klassen mit unterschiedlichen

Anforderungen unterteilt (Tabelle 2).

Falls nicht anderweitig festgelegt, kommen die Anforderungen

nach Klasse OT3 zum Einsatz. Obwohl sich Systeme auch im

Inneren von Schränken befinden, muss für DC/DC-Wandler

dafür ein Temperaturanstieg von 15 °C mit einbezogen werden.

Daher ist ein Betrieb bis 85 °C erforderlich.

Die Luftfeuchtigkeit ist ein weiteres anspruchsvolles Problem

gemäß EN 50155, nach der Power-Module über eine Dauer von

30 Tagen bei 95 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit zu prüfen sind.

Auf nationaler Ebene erfordert NFF 01-510 (Frankreich) jedoch

eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 Prozent, während in Groß-

britannien 56 Tage bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 93

Prozent festgelegt sind. Die letzte wesentliche elektrische Anfor-

derung ist die Isolation zwischen Eingang und Ausgang (galva-

nische Trennung), die in der EN 50155 entsprechend der Ein-

gangsnennspannung definiert ist. Hierbei ist zu beachten, dass

die französischen Anforderungen unter NFF erneut etwas stren-

ger sind und für alle Eingangsspannungen den höchsten Pegel

(1500 VAC

/ 50 Hz / 1 min) voraussetzen (Tabelle 3).

Power-Module für die Bahntechnik Flex Power Modules bietet eine Vielzahl von Stromversorgungs-

modulen für die Technik an Bord von Schienenfahrzeugen. Für

den Leistungsbereich von 1,65 bis 300 W stehen mehrere Modul-

Serien zur Verfügung, die die komplexen Anforderungen der

EN 50155 erfüllen und deren Eignung für Bahnanwendungen

sicherstellen.

Das Angebot umfasst sowohl vollständig gekapselte als auch

Open-Frame-Lösungen und bietet eine Vielzahl von Konfigu-

rationen, darunter Single- und Dual-Ausgänge. Die weiten Ein-

gangsbereiche (9 bis 75 V und 43 bis 160 V) bieten Entwicklern

Flexibilität und gewährleisten die Einhaltung der Eingangsspan-

nungsanforderungen gemäß EN 50155 (Bild 1).

Zur kürzlich eingeführten DC/DC-Wandler-Serie PKE-A zäh-

len die Modelle PKE7000A im Standard-Formfaktor 5,08 ×

2,54 cm. Sie bieten einen Eingangsbereich von 43 bis 160 V, sodass

sie entweder an Versorgungsschienen mit 72 oder 110 V Nenn-

spannung betrieben werden können, die beide in Bahnanwen-

dungen üblich sind. Mit einer Leistung von bis zu 30 W erfüllen

die PKE7000A-Module die Norm EN 50155 und bieten MTBF-

Werte von bis zu fünf Millionen Stunden. Damit ist die Langle-

bigkeit auch in anspruchsvollen Anwendungen gewährleistet

(Bild 2). (na)

Autor Phil Goff

Regional Sales Manager bei Flex Power Modules


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DC/DC-WANDLER FÜR DEN TRANSPORTBEREICH

für den Einsatz in rauer Umgebung

4:1 Eingangsspannungsbereich

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4000VDC I/O Isolation

Temperaturbereich von -40 bis +70°C

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Power Highlights


GANZ OHNE BLE I-SÄURE-BATTERIE

Batterielösung für Mild-Hybride

HOHE LE ISTUNGSDICHTE BEI KLE INEM FOOTPRINT

DC/DC-Wandler mit 30-W-Ausgangsleistung

Bild

: Hel

la

Mit dem Dual-Voltage-Batteriemanage-

ment-System und dem Powerpack-48-V

bietet Hella zwei Batteriemodul-Anwen-

dungen für Mild-Hybride an, die CO2-Ein-

sparungen von 5 bis 6 g/km ermöglichen.

Konzipiert ist das Dual-Voltage-Batterie-

management-System speziell für die Kom-

pakt- und Mittelklasse und sie erlaubt es,

Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor auf

einen Mild-Hybrid umzurüsten. Das Sys-

tem vereint hierzu die separaten Kern-

elemente wie 48-V-Batterie, 12-V-Batterie

und Spannungswandler (DC/DC-Wandler)

auf dem Bauraum einer konventionellen

Bleibatterie. Damit lässt sich das System in

die bestehende Kfz-Architektur integrie-

ren, und es ist keine Blei-Säure-Batterie

mehr im Automobil erforderlich. Das Sys-

tem besteht aus Lithium-Ionen-Zellen, die

sich je nach Anwendungsfall intelligent

schalten lassen. So ist es möglich, die

Kapazität spezifisch im 12-V-Bordnetz

oder 48-V-Bordnetz zu verwenden. Für

Fahrzeuge höherer Leistungsklassen hat

Hella das Powerpack-48-V entwickelt. Es

kombiniert einen 48-V-Lithium-Ionen-

Batterieblock inklusive Batteriemanage-

ment und DC/DC-Wandler. Das Power-

pack zieht zusätzlich zur 12-V-Batterie im

Fahrzeug ein und ermöglicht neben Hyb-

rid-Funktionen wie Rekuperieren (Mög-

lichkeit der Energierückgewinnung in

Bremsvorgängen) oder aktivem Segeln

(der Verbrennungsmotor wird während

der Fahrt abgeschaltet) noch weitere Kom-

fortfunktionen für die Oberklasse. Dazu

zählen etwa Ambiente-Beleuchtung,

Klimaautomatik sowie eine aktive Fahr-

werkssteuerung. (aok) ■


Die Gleichspannungswandlermodule der

Serie MJWI30 von Minimax verfügen über

eine galvanische Trennung und haben eine

maximale Ausgansspannung von 30 W.

Der MJWI30 erlaubt es Geräteentwicklern,

die Größe und das Gewicht von Produkten

mit einer maximalen Leistungsaufnahme

von 30 W zu reduzieren. Das neue Modul

in einer gekapselten Bauform mit 25,4 ×

25,4 × 10,2 mm³, Metallabschirmung und

isolierter Grundplatte ersetzt das bisherige

30-W-Modul von Minmax mit Abmessun-

gen von 50,8 × 40,6 × 10,2 mm³. Mit einer

Leistungsdichte von 4,58 W/cm3 eignet sich

das MJWI30 für Anwendungen im Trans-

portbereich. Das MJWI30 gibt den Ent-

wicklern die Flexibilität an die Hand, den

Wandler entsprechend den jeweiligen

Anforderungen der Anwendung auszu-

wählen. Mit einem Eingangsspannungs-

bereich von 4:1 bei Spannungen von 9 bis

36 VDC

oder 18 bis 75 VDC

ist das Produkt in

Versionen mit einer festen Ausgangsspan-

nung von 3,3, 5, 12, 15 oder 24 VDC

oder

zwei Ausgangsspannungen von ±12 VDC

oder ±15 VDC

erhältlich. Die Ausgangsspan-

nung lässt sich gegenüber dem Nennwert

um ±10 % variieren. Andere Leistungs-

merkmale des MJWI30 sind der hohe

Wandlerwirkungsgrad von bis zu 90 %

sowie eine geringe Restwelligkeit und Stör-

spannung von 75 mVss. Der Wirkungsgrad

des Moduls wird bei allen Nennbedingun-

gen, einschließlich eines Betriebstempera-

turbereichs von -40 °C bis +80 °C, sowie

im gesamten Eingangsspannungs- und

Lastbereich aufrechterhalten. Auch die

EMV-Vorschriften können Entwickler mit

dem MJWI30 einhalten. Es ist nach

EN61000-4-2/-3/-4/-5/-6/-8 bis Klasse A

zertifiziert. Die Isolationsspannung von 1,5

kV schützt empfindliche Schaltungen vor

Störungen und erlaubt den Einsatz in

sicherheitskritischen Anwendungen. Die

typische Anlaufzeit von 20 ms hilft den

Entwicklern, Probleme mit Störungen im

System-Timing zu vermeiden. (prm) ■


Bild

: Min

max

Die Batterielösung er-

laubt es, Fahrzeuge mit

Verbrennungsmotor auf

einen Mild-Hybrid um-

zurüsten. Es lässt sich in

die vorhandene Kfz-Ar-

chitektur integrieren.

Neben Anwendungen im Trans-

port- und Automotive-Bereich

finden diese DC/DC-Wandler

auch Verwendung in der Indust-

rie sowie in der Energieerzeu-

gung.

elektronik journal 06/2019 31

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Robuste DC/DC WandlerVon 3–300 Watt• EN 50155: Isolation und EMC Verträglichkeit• EN 45545-2: Brandschutz• EN 61373: Schock- und Vibrationsfestigkeit• Eingangs Spannungsbereich: 2:1/4:1/12:1• 3 Jahre Produktgewährleistung

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ANTRIEBS-STEUERUNG

TÜR-STEUERUNG

KLIMA-STEUERUNG

DANK NEUEM GEHÄUSE

MOSFETs mit hoher Leistungsdichte

Bild

: Nex

peria

Nexperia bringt ein neues Package aus sei-

ner MOSFET- und LFPAK-Produktfamilie

auf den Markt, das in Kombination mit Sili-

ziumtechnik 40-V-MOSFETs mit einem

Einschaltwiderstand (RDS(on)

) von 0,7 mΩ

ermöglicht. Die LFPAK88-Bauteile sollen

größere Packages wie D²PAK und D²PAK-7

ersetzen und haben eine Montagefläche

von 8 × 8 mm², was zu einer Platzersparnis

von 60 % und einer 64-prozentigen Verrin-

gerung der Höhe führt. Im Gegensatz zu

anderen Gehäusen, deren Performance oft

durch die Verwendung interner Bonddräh-

te eingeschränkt ist, wird bei den LFPAK88-

Bauelementen ein Kupferclip auf die Die-

Oberfläche gelötet, was in geringem elek-

trischen und thermischen Widerstand

sowie guter Stromverteilung und Wärme-

ableitung resultiert. Darüber hinaus redu-

ziert die thermisch wirksame Masse des

Kupferclips ebenfalls die Bildung von Hot

Spots, was sich in einem verbesserten Ver-

halten in Bezug auf Avalanche-Energie

(EAS

) und Linearbetrieb (SOA) äußert.

Durch die Kombination aus hoher Dauer-

strombelastbarkeit und Spitzenstrom ID(max)

von 425 A mit einem niedrigen Einschalt-

widerstand (RDS(on)

) von 0,7 mΩ bei kleine-

ren Gehäuseabmessungen ergibt sich eine

marktführende Leistungsdichte bis zum

48-fachen der D2PAK-Bauelemente. Und

schließlich ist das LFPAK88 mit seinen

L-förmig abgewinkelten Anschlüssen ein

mechanisch und thermisch robustes Packa-

ge, das die Zuverlässigkeitsanforderungen

nach AEC-Q101 um das Zweifache einhält.

LFPAK88-MOSFETs sind in zwei Aus-

führungen erhältlich: BUK, qualifiziert

für den Autobau, und PSMN. Zu den

automobiltechnischen Anwendungen

gehören Bremsen, Servolenkung, Verpol-

schutz und DC-DC-Wandler, wobei die

durch die Verwendung der Bauelemente

erreichbaren Platzeinsparungen insbe-

sondere bei zweifach redundanten Schal-

tungen hilfreich sind. (prm) ■


Das 8 × 8 mm² große Package ermöglicht eine

48-fache Erhöhung der Leistungsdichte in MOSFETs.


Elektromechanik Signalverdrahtung


Eine spezifische Sicherungstechnik

ist im Schienenverkehr erforder-

lich, weil dieser einen großen Vor-

teil aufweist, der aber auch gleich zeitig

ein großer Nachteil ist. Durch das System

„Stahl auf Stahl“ wird ein im Vergleich

zum Straßenverkehr viel geringerer

Reibungs koeffizient erreicht: μ = 0,1 bis

0,2 im Schienenverkehr gegenüber μ = 0,6

bis 0,8 im Straßenverkehr. Der geringe

Reibungskoeffizient bewirkt einen gerin-

gen Energieverbrauch, hat aber anderer-

seits hohe Bremswege zur Folge, sodass

die Schienenfahrzeuge nicht auf Sicht

fahren können. Um nun sicherzustellen,

dass im Bremskorridor – im sogenannten

einstimmt. Ver schaltet werden die Achs-

zähler mittels starrer Bahnkabel, die dann

meist auf Verteilerkästen und weiter über

mehradrige Signalkabel in die Stell-

werksumgebung geführt werden.

Speziell für diese Anwendungen sind

Push-in-Reihenklemmen prädestiniert –

ob der Einsatz nun im wetterfesten Ver-

teilerkasten oder im Kabelabschlussgestell

in der Stellwerkseinheit erfolgt. Insbeson-

dere der massive Litzenaufbau der Signal-

kabel bietet ein hohes Einsparpotenzial

bei der Verdrahtung, weil der Verdrah-

Für eine ausfallsichere VerbindungSignalverdrahtung und -absicherung mit Push-in-Reihenklemmen

In der Bahninfrastruktur, und zwar insbesondere in der Zugsicherungstechnik, steht Ausfall sicherheit an

allererster Stelle. Für die Verdrahtung der Leit- und Sicherungstechnik in Außen- und Innenanlagen bie-

ten Reihenklemmen mit Push-in-Anschluss viele Vorteile. Autor: Moritz Krink

Durchrutschbereich der Züge – der Gleis-

abschnitt nicht belegt ist, ist ein hohes

Maß an Sicherungstechnik erforderlich.

Überprüfungen am GleisTechnisch umgesetzt wird dies mit Achs-

zählern, Gleisfreimeldeeinrichtungen und

Zugbeeinflus sungssystemen, die am Gleis

installiert sind. So sorgt beispielsweise

eine klassische Detektion via Achszähler

am Gleis dafür, dass die an einem Bahn-

übergang einfahrende Anzahl an Achsen

eines Zuges mit der ausfahrenden über-

Bild 1: Sicherheit durch Block-Prinzip: Bei der Durchfahrt des Zuges wird der Gleisabschnitt belegt,

das Haltesignal zeigt rot. Erst nach Verlassen des Zuges dieses Gleisabschnitts wird das Gleis für die

nachfolgenden Züge freigegeben.

Bild

er: P

hoen

ix Co

ntac

t



tungsprozess deutlich schlanker wird. Bei

dieser Druckfeder-Technologie lassen sich

die Litzen durch ein einfaches Stecken

werkzeuglos verdrahten, was lediglich

zwei Arbeitsschritte erfordert: Litzen

abisolieren und in die Klemme einführen

(Bild 2).

Mess- und Trennklemmen mit Push-in-TechnikIm Programm der Push-in-Reihenklem-

men finden sich zahlreiche Produkte, die

sich für Bahninfra struktur-Anwendungen

eignen – sei es nun in Außenanlagen bei

der Zugsicherung und Detektion sowie bei

Weichenantrieben und Lichtsignalen, aber

auch bei Innenanlagen wie zum Beispiel

am Kabelabschlussgestell. Zu den hier ein-

gesetzten Push-in-Reihenklemmen gehö-

ren beispielsweise Messertrennklemmen,

die einen entscheidenden Vorteil bieten:

die Verbindungen zwischen den einzelnen

Weil der Verdrahtungsaufwand durch die

Direkt stecktechnik massiv sinkt, setzt sich

die Push-in-Technik in Bahninfrastruktur-

Anwendungen immer stärker durch. Zudem

wird der Anschluss wartungsfreier und lang-

lebiger. Das Reihenklemmen-Produkt-

programm von Phoenix Contact wird auch

für den Einsatz in Bahnanwendungen suk-

zessive ausgebaut. Jüngster Zugang ist die

Trennklemme PT 6-T P/P HV, die sich beson-

ders für große Querschnitte bis

6 mm² für flexible sowie bis 10 mm² für

starre Leiter eignet.

Eck-DATEN

Beide Baugruppenträger sind für den Einsatz in der Bahntechnik prädestiniert und entsprechen den gängigen Bahnnormen.

Der InterProtect® ist darüber hinaus bis zu 20g / 200 m/s2 und EMV/ESD geschützt sowie bis Schutzart IP66 geeignet.

Auch der InterRail® zeichnet sich durch seine Schock- und Vibrationsfestigkeit zum Einsatz unter extremen Bedingungen aus und bietet eine HF-dichte sowie eine IEEE-Variante.

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Außen-Betriebsmitteln – etwa die Senso-

rik/Aktorik in den Außenanlagen oder in

den entsprechenden Verteilerkästen – kön-

nen zu Mess- und Prüfzwecken aufge-

trennt werden, ohne dass der Signaldraht

abgeklemmt werden muss. Die Trenn stelle

ist konstruktiv besonders robust und hoch-

wertig ausgelegt, um dauerhaft eine lang-

lebige niederohmige Kontaktqualität zu

ermöglichen. Minderwertige Kontaktstel-

len könnten zu unnötigen Fehlerquellen

im System und zu endloser Fehlersuche

führen. Auf diese Weise erübrigt sich ein

Eingriff in die elektrische Installation, auf

eine erneute Bewertung im Rahmen des

Sicherheitsnachweises kann ebenfalls ver-

zichtet werden. Sollten Signalkabelab-

schnitte dann beispielsweise in Betrieb

genommen werden, oder müssen Fehler

in der Anlage – wie etwa Erdschlüsse –

schnell gefunden und behoben werden,

lassen sich Teilabschnitte bequem auftren-

nen und mittels Messgeräten überprüfen.

Neue Trennklemme für die BahnFür diese Anforderungen in der Bahnin-

dustrie wurde bei Phoenix Contact eine

neue Trennklemme – mit der Bezeichnung

PT 6-T P/P HV – entwickelt, die besonders

robust und leistungsfähig ist. Als Trenn-

klemme kann sie für Nennspannungen bis

1000 V und Nennströme bis 32 A eingesetzt

werden. Damit ist sie auch neben der reinen

Sensorik und Aktorik für weitere Anwen-

dungen einsetzbar – zum Beispiel für

Schrankenantriebe oder Drehstrom-

Bild 2: Für starre und flexib-

le Litzen: Die Push-in-Tech-

nik ist im Bahnbereich für

Innen- und Außenanlagen

einsetzbar – sie ist war-

tungsfrei sowie schock- und

vibrationsgeprüft, und die

hochwertigen Werkstoffe

halten den langen Lebens-

zyklen stand.




AutorMoritz Krink

Produkt-Manager, Industrial Cabi-

net Connectivity, Phoenix Contact,

Blomberg


antriebe in Weichen. Die Reihenklemme

besitzt einen abziehbaren Trennstecker,

der besonders robust und ergonomisch

ausgelegt wurde. Denn insbesondere im

Bahnumfeld ist eine sicherbare Trennung

des Signalpfades das A und O.

Damit der Trennstecker nicht verloren

geht, wird das Messer einfach in die Park-

position gesteckt. Dazu wird der Stecker

um 180° gedreht und mit dem Griff in die

Steckzone der Reihenklemme geklipst. Im

Metallteil des Steckers kann dann noch

zusätzlich ein Kennzeichnungsschild

montiert werden, eine entsprechende Boh-

rung dafür ist vorhanden. Der Trennste-

cker verfügt noch über eine weitere Beson-

derheit: Der Griff des aus grauem PA 6.6

(Polyamid 6.6, Nylon) gefertigten Trenn-

messers ist mit einem roten Farbplättchen

versehen, das beim korrekten Einstecken

des Steckers vollständig und unsichtbar

verschwindet.

So kann der Bediener auch optisch kon-

trollieren, ob der Stecker festsitzt. Für die

permanente Trennung eines Signalkreises

steht ein Blind stecker ohne elektrische

Metallteile als sogenannter Wartungsste-

cker in anderen Farben – etwa blau – zur

Verfügung. Zudem ist die Push-in-Rei-

henklemme PT 6-T P/P HV mit zwei

berühr geschützten integrierten 4-mm-

Prüfbuchsen ausgestattet, die bereits für

die neue Generation der Sicherheits-Mess-

leitung bis CAT IV gemäß IEC/EN 61010-

031 ausgelegt sind.

Für Wartungs- und Signalverteilungs-

Zwecke ist die Reihenklemme mit zwei

Brückenschächten ausgerüstet, die vor und

hinter dem Trennmesser angebracht sind.

Diese Konstruktionsart bietet den Vorteil,

dass beispielsweise während der Inbe-

triebnahme Abschnitte kurzzeitig mittels

Steckbrücke kurzgeschlossen werden kön-

nen, oder dass Signale redundant verteilt

werden können. Der Brückenschacht bie-

tet die Möglichkeit, ein von oben gut les-

bares Bezeichnungsschild aufzunehmen,

das über der gesteckten oder über der nicht

gesteckten Brücke jeweils als flaches Zack-

band eingerastet wird. Somit bietet sie mit

insgesamt vier Markierungszonen viel

Identifi kations fläche.

Als Anschlusstechnik kommt auch hier

die schock- und vibrationsfeste Push-in-

Technik zum Einsatz, die bei dieser Rei-

henklemme in einem leicht um zehn Grad

angeschrägten Gehäuse untergebracht ist

(siehe Kastentext). Diese Anordnung bie-

tet auch bei starren Leitern mit geringem

Biegeradius einen hohen Verdrahtungs-

komfort (Bilder 3 und 4). (neu) ■

EN 50125-3 – Schock- & Vibrationsprüfungen für Komponenten in der Bahnsignalisierung

Bei der Bewertung von Reihenklemmen im

Hinblick auf Schock- & Vibrationsfestigkeit wer-

den die Standards EN 50155 und IEC 616373 zu-

grunde gelegt. Die Signalisierungsumgebung

erfordert aber – zumindest in Europa – die Er-

füllung eines anderen Standards, nämlich die

EN 50125-3. In den Kapiteln 4.13.1 und 4.13.2

(Normenstand 2003) wird beschrieben, dass

die reale Ermittlung der Schock- & Schwin-

gungsbelastung ausgehend von der Schiene

mitunter schwierig ist. Der Grund liegt primär

darin, dass durch unter schiedliche Geschwin-

digkeiten der Züge auch völlig unterschiedli-

che Parameter entstehen können – etwa bei

der Qualität des Oberbaus oder der Achslast.

So wurden vier Schärfegrade festgelegt, die,

ausgehend vom Einbauort für Komponenten in

deren Umfeld, eine entsprechend hohe Anfor-

derung aufweisen. Dabei ist die Belastung um

so höher, je näher sich die Komponente an der

Schiene befindet. Für Reihenklemmen sind Ein-

bauorte in der Kategorie C3 im Gleisbett sowie

C4 außerhalb des Gleises mit 1 bis 3 m Abstand

entsprechend qualifiziert und geprüft.

Bild 3: Push-in-Reihenklemme: die PT 6-T P/P HV verfügt über zwei inte-

grierte berührgeschützte 4-mm-Prüfbuchsen, zwei Brückenschächte und

vier Markierungszonen; das umfassende Zubehör an farbkodierten Trenn-

und Blindsteckern macht die Schaltungsaufgaben übersichtlicher.

Bild 4: Robuster Trennstecker: das integrierte rote Farbplättchen ver-

schwindet beim korrekten Verrasten des Trennsteckers vollständig sowie

unsichtbar und bietet dem Anwender so auch eine optische Kontrol-

möglichkeit.


LE ISTUNGSFÄHIGE DATENINFRASTRUKTUR

Schnelles Internet in der BahnMit dem Prekink-System und den für Bahnanforderungen ausge-

legten Etherrail-Kabeln von Harting lassen sich die Datennetzwer-

ke in der Bahntechnik zukunftssicher aufbauen. Zentrale Kompo-

nente des Prelink-Systems ist der Abschlussblock, mit dem der

Kabelanschluss zügig, einfach und prozesssicher realisiert wird.

Die kleine Baugröße des Kontaktblockes macht es möglich, die

Datenkabel außerhalb des Wagen einsatzfertig vorzufertigen und

dann in die Wagen einzubauen. Zum Einziehen reicht ein Loch-

durchmesser von 12 mm. Nach der Verlegung der Kabel wird je

nach anzuschließendem Netzwerkgerät der passende Steckverbin-

der montiert. Hierfür stehen RJ45 und M12 D- oder X-kodierte

Steckverbinder für bis zu 10 Gbit/s Datenübertragung zur Verfügung.

Eine aktuelle Neuerung sind die M12-Buchsen, welche sich

nun auch über Prelink anschließen lassen. Die neu konstruierten

Buchsen können sowohl als lose Kabelkupplung, aber gleichzei-

tig auch als Gehäusedurchführung verwendet werden. Die zwei-

te Neuerung ist eine Prelink-Leiterplattenbuchse, die es dem

Anwender ermöglicht, vorkonfektionierte Prelink-Kabel direkt

auf der Leiterplatte anzuschließen. Besteht also keine Notwen-

digkeit einer permanent lösbaren Verbindung an einem Gehäu-

se via Steckverbinder, können Ethernetverbindungen direkt a uf

die Leiterplatte gebracht werden.

Gewichtsersparnis bei gleicher Performance ist das Ziel von Ether-

net über ein Single-Twisted-Pair-Kabel und kleine Steckverbinder

nach IEC 63171-6. Bei Leitungslängen bis zu 40 Metern können

nach IEEE 802.3bp (1000 Base-T1) 1 Gbit/s übertragen werden,

während die Kabelstrecke etwa ein Drittel leichter ausfällt als her-

kömmliche 8-adrige Ethernetkabel. Ein handelsübliches Ethernet-

kabel mit vier Aderpaaren für 1/10 Gbit/s Ethernet wiegt pro Kilo-

meter etwa 45 kg, ein einpaariges Kabel mit gleicher Bandbreite nur

30 kg. Um Montage und Service im Bahnbereich zu vereinfachen

und zuverlässiger zu machen, bietet Harting seine Push-Pull-Lösun-

gen an. Diese bestehen aus dem Rundsteckverbinder M12 Push Pull

im Metallgehäuse, sowie aus dem leichten rechteckigen Steckver-

binder Variante 4. Mit beiden ist die sichere Übertragung von Pow-

er, Signalen und Daten bis Cat. 6A rundum möglich. (neu) ■

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Bild

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Modulare Prelink-Komponenten mit Etherrail-Kabeln als einsatzbereite

Kabelkonfektion für Datennetzwerke in der Bahn.

36 elektronik journal 06 / 2019 www.all-electronics.de

Hochgeschwindigkeits-/Hoch-

spannungs-Steckverbinder die

an der entscheidenden Schnitt-

stelle zwischen dem Traktor und seinen

Anbaugeräten mit Energie- und Trakti-

onsbedarf zum Einsatz kommen, spielen

in der Landwirtschaft eine immer wichti-

gere Rolle, je stärker der Traktor selbst zur

Betriebsstation und zum Energieversor-

ger für das angehängte Gerät fungiert.

Angesichts einer steigenden Marktnach-

frage nach mehr Produktivität und Nach-

haltigkeit geht der Trend weg vom Hyd-

raulikantrieb hin zu Elektroantriebstech-

nologien. Traditionelle mechanische Hyd-

raulikverbindungen sind nicht sehr ener-

gieeffizient. Elektrische Antriebe hinge-

gen verringern nicht nur den Energiever-

brauch, sie erweitern gegenüber dem

Hydraulikantrieb auch die Kontrolle des

Fahrers über das Anbaugerät. Außerdem

reduzieren sie zusätzlich die Ermüdungs-

gefahr des Fahrers.

Elektromotoren können anstelle der

Hydraulik den konventionellen Diesel-

Antriebsstrang entweder im PTO (Power-

Take-Off)-Betrieb unterstützen (Hybrid-

Variante) oder ihn komplett übernehmen.

eller und zukünftiger landwirtschaftli-

cher Trends (Bild 1).

Ethernet-Steckverbinder für Wechsel- und GleichstromIn Gleichstromanwendungen können die

Entwickler zusätzlich zum Hochspan-

nungs-Steckverbinder einen separaten

Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Steck-

verbinder zur Überwachung und Steue-

rung der übertragenen Energie einsetzen.

Der Traktor liefert die Energie, aber das

Gerät steuert die Übertragung. Das beste-

hende Isobus-Kommunikationsnetz steu-

ert alle Peripheriemaschinen.

Erfordert der Betrieb eines heckradan-

getriebenen Anhängers eine Dreiphasen-

Wechselstromverbindung (zwischen Trak-

tor und Anbaugerät), ist es vorteilhaft ein

Hybridsteckverbinder einzusetzen, da so

eine integrierte Ethernet-Verbindung

innerhalb des Hochstrom-Steckverbinders

realisierbar ist. Diese Hochgeschwindig-

keitsverbindung ist erforderlich für den

Feedback-Regelkreis zur direkten Steue-

rung der Geschwindigkeit der Hinterach-

se. Traktor und Anbaugerät können in

dieser Konfiguration als sechsachsiges

Ethernet in der LandwirtschaftHochspannungsstecker übertragen Energie vom Traktor zum Anbaugerät

Die Umstellung von Hydraulik- auf Elektroantrieb macht Traktoren und Geräte energieeffizienter, ermöglicht

Präzisionslandwirtschaft und verringert die Ermüdungsgefahr beim Fahrer. Eine besonders wichtige Aufgabe

übernehmen hierbei hybride Hochspannungs-Ethernet-Steckverbinder zwischen dem Traktor und seinen An-

baugeräten mit Energie- und Traktionsbedarf. Autoren: Jens Koester, Daniel Domke

Elektrisch betriebene Anbaugeräte wie zu

Beispiel Spritzaggregate werden immer

breiter und präziser. Sie benötigen Hoch-

spannungs-Steckverbinder zur Übertra-

gung der erforderlichen Strommengen.

Aber die Traktoren brauchen nicht nur

steigende Strommengen, sondern auch

immer mehr Konnektivität. Stark zuneh-

mende Datenkonnektivitäts-Anforderun-

gen bringen die traditionellen CAN-Bus-

basierten Isobus-Protokolle an ihre Gren-

zen. Entsprechend stark steigt die Nach-

frage nach Hochgeschwindigkeits-/Hoch-

spannungs-Ethernetverbindungen zur

Übertragung von Videodaten und zum

Upload von Steuerungspaketen vom

Ackergerät zum Traktor. Dies führt zu

einem kontinuierlichen Anstieg des

Datenvolumens, bei dem die Geschwin-

digkeit von Isobus nicht mehr ganz Schritt

halten kann.

Elektroantrieb, Hochspannungs-Steck-

verbinder und Ethernet-Protokoll ermög-

l ichen n icht nur eine gesteiger te

Betriebseffizienz und verringerten Ener-

gieverbrauch, sondern sie verbessern

auch die Präzision von Landwirtschafts-

maschinen und -geräten im Sinne aktu-

Elektromechanik Steckverbinder für Traktoren

Bild 1: Hybride Hochspannungs-Ethernet-Steckverbinder

kommen unter anderem in Kartoffelvollerntern, elektri-

schen Getreideseparatoren, Ballenpressen, Anhängern mit

Elektroantriebsmotor, Düngerstreuern und vielen weiteren

Anbaugeräten zum Einsatz.


Antriebssystem agieren, das auf einem

schlammigem Boden oder an Steigungen

und in schwierigem Gelände über mehr

Traktion verfügt.

Gemeinsam Lösungen finden Landwirtschaftliche Traktoren sind ein

relativ junges Einsatzfeld für Elektroan-

triebe und Ethernet-Technologien. Daher

müssen sich die Entwickler dieser Fahr-

zeuge einigen neuen Herausforderungen

stellen. Hierzu gehören insbesondere auch

Technik-, Design- und Kostenfragen, die

entstehen, weil wesentlich robustere Kon-

takte und Steckverbinder nötig sind, die

Tausende von Steckzyklen aushalten müs-

sen. Zudem müssen diese robusten Steck-

verbinder alle EMI- und Übertragungs-

standards erfüllen und sich idealerweise

warten lassen. In bestehenden Designs

ist in der Regel nur wenig Platz für diese

Hybrid-Schnittstellen.

Das in rauen Umgebungen erforderliche

robuste Design kann zudem die Daten-

übertragungsleistung beeinträchtigen. All

diese Herausforderungen zu lösen, könn-

te zu einem Kostenproblem führen.Die

Agricultural-Industry-Electronics-Found-

Landwirtschaftliche Traktoren sind noch ein relativ junges Einsatzfeld

für Elektroantriebe und Ethernet-Technologie. Dennoch spielen Trakto-

ren mit Elektroantrieb eine zunehmend wichtigere Rolle in der Land-

wirtschaft. Neben einem höheren Wirkungsgrad erweitern sie auch die

Kontrolle des Fahrers über die angehängten Anbaugeräte. Damit dies

jedoch reibungslos funktioniert, ist eine immer bessere Anbindung er-

forderlich. Die stark ansteigenden Datenkonnektivitäts-Anforderungen

bringen hierbei allerdings die traditionellen CAN-Bus-basierten Isobus-

Protokolle an ihre Grenzen. Hybridsteckverbinder mit integrierter

Ethernet-Verbindung innerhalb eines Hochstrom-Steckverbinders kom-

men daher verstärkt zum Einsatz.

Eck-DATEN

Ihr Kontakt für Heilind Electronics+49 (0)8024 9021 [email protected]

WWW.HEILIND.COM

.

1 ANRUF –VERFÜGBARKEITSELBSTVERSTÄNDLICH

ation (AEF) vereint Anbaugerätehersteller

und andere Industrieunternehmen im

Bemühen, Lösungen für diese Herausfor-

derung zu finden.

Gemeinsam wollen sie einen allgemei-

nen Hochspannungs-Steckverbinder defi-

nieren und entwickeln, der Platz-,

Gewichts- und Kosteneinsparung gegen-

über früheren Marktlösungen ermöglicht.

TE Connectivity hat bereits eine wichtige

Rolle in der Entwicklung des neuen Hybrid-

Steckverbinders für Ethernet in Hochspan-

nungssystemen gespielt.

Das Projektteam konzentrierte sich auf

die Entwicklung einer Traktor-Standard-

schnittstelle zur Energieübertragung an

die angehängten Maschinen und externen

Komponenten. Diese hybride Hochspan-

nungsschnittstelle musste eine sichere,

zuverlässige und kosteneffiziente 100

Mbit/s Datenübertragung ermöglichen.

Der Gedanke dahinter war, die Elektro-

motoren für alle standardmäßigen Anhän-

germaschinen kompatibel mit allen Trak-

tormodellen zu machen, allein begrenzt

durch die Ausgangsdaten des Traktormo-

tors. Basierend auf dieser Lösung können

lokal gesteuerte Elektromotoren die Limi-

38 elektronik journal 06/2019www.all-electronics.de

tierungen mechanischer und hydrauli-

scher Lösungen überwinden und die

Anforderungen einer neuen Generation

von Anhängermaschinen und Anbauge-

räten effizienter erfüllen. Sie eröffnen

Landwirten eine große Bandbreite von

Möglichkeiten für mehr Produktivität und

Nachhaltigkeit im Alltagsbetrieb.

Hybrid-SteckverbinderTE hat einen Hybrid-Steckverbinder für

Ethernet in Hochspannungssystemen ent-

wickelt, dessen Prototypen bereits für

Kundenanwendungen bereitstehen. Wich-

tige Kriterien waren ein robustes und war-

tungsfreundliches Design des Steckver-

binders, der über eine 100 Mbit/s Daten-

kommunikationsschnittstelle verfügt. Die

Hochspannungsschnittstelle kann sowohl

für Wechselstrom als auch Gleichstrom

bis 150 kW genutzt werden.

Zu den Anwendungen in Traktoren und

Anbaugeräten zählen die Traktorschnitt-

stelle (Leistungsausgang), E-Power- und

Frontlade-Generator, sowie die Anbauge-

rätschnittstel le (Leistungseingang),

E-Antriebe und Wechselrichter. Der hyb-

ride Hochspannungs-Ethernet-Steckver-

binder kommt in Kartoffelvollerntern,

elektrischen Getreideseparatoren, Ballen-

pressen, Anhängern mit Elektroantriebs-

motor, Düngerstreuern und vielen weite-

ren Anbaugeräten zum Einsatz.

Das Steckgesicht des Hochstrom-Hyb-

rid-Steckverbinder ist so gestaltet, dass es

leicht zu reinigen ist. Ausgelegt für eine

hohe Zahl von Steckzyklen und im nicht

gesteckten Zustand gedichtet, soll er hoch

robuste Steckverbindungen gewährleisten.

Eine überarbeitete Kontaktfixierung

erlaubt viele verschiedene Kontaktkombi-

nationen. Sein modularer Aufbau ermög-

licht Steckverbinderlösungen für unter-

schiedliche Anwendungen zu gestalten.

Aktuelle Trends umsetzenUm ihre Fahrzeuge und Maschinen

zukunftsfähig zu machen, sollten Her-

steller beim Design langlebiger Traktoren

auf aktuelle Technologietrends setzen.

Hybride Hochstrom-Ethernet-Steckver-

binder ermöglichen eine bessere Steue-

rung von Stromversorgung und steigen-

den Datenkonnektivitäts-Bedürfnissen in

der Landwirtschaft und anderen Indust-

rie-und Gewerbebranchen. Mit der Inte-

gration dieser Steckverbinder in das Fahr-

zeugdesign lassen sich Anforderungen

nach mehr Produktivität, Nachhaltigkeit

und Sicherheit besser umsetzen.

Ethernet ist in Landwirtschaftstraktoren

noch relativ neu. Daher ist es ratsam, früh-

zeitig Ingenieure und Produktmanager

mit Ethernet- und Hochstrom-Steckver-

binderplattform-Erfahrung aus der Auto-

mobil-, Landwirtschafts-, Schwer- und

Lastverkehrsindustrie in den Ethernet-

Designprozess miteinzubinden.

FazitJe stärker Elektroantriebe die hydrauli-

schen Antriebe in Traktoren und anderen

Landwirtschaftsmaschinen verdrängen,

umso häufiger müssen OEMs zur Bewäl-

tigung wachsender Strom- und Daten-

anforderungen sowohl getrennte als auch

hybride Ethernet-Steckverbinder in ihre

Designs integrieren. Insbesondere zur

Übertragung von Videodaten und Steu-

erungspaket-Uploads vom Anbaugerät

zum Traktor ist Ethernet erforderlich. Bei

Gleichstrom sollte zusätzlich zum Hoch-

spannungs-Steckverbinder ein getrenn-

ter Hochgeschwindigkeits-Ethernet-

Steckverbinder zur Überwachung und

Steuerung der Energieübertragung zum

Einsatz kommen. Für Wechselstroman-

schlüsse empfiehlt sich ein hybrider

Hochgeschwindigkeits-Steckverbinder

– ein integrierter Ethernet-Anschluss

innerhalb des Hochstrom-Steckverbin-

ders – der den Hochgeschwindigkeits-

Feedback-Regelkreis zur Steuerung der

Geschwindigkeit der Hinterachse des

Anhängers nutzen kann.

Diese Entwicklungen – Elektroantrieb,

Hochspannungs-Steckverbinder und

Ethernet-Protokoll – reduzieren den Ener-

gieverbrauch und steigern die Präzision

von Traktoren und Ackergeräten. (aok) ■

AutorenJens Koester

R&D/Product Development Engineering

Manager bei TE Connectivity

Daniel Domke

Product Manager, Industrial & Commercial

Transportation bei TE Connectivity


Elektromechanik Steckverbinder für Traktoren

Bild 2: Eine höhere Präzission bei Traktoren und Anbaugeräten erleichtert

den Landwirten das Aussäen der Saat.

Bild 3: Wichtige Kriterien für die Steckverbinder bei Traktoren sind ein ro-

bustes und wartungsfreundliches Design.

Bild

er: T

E Co

nnec

tivity

Elektromechanik Highlights

OPTISCH NEUTRAL VERBAUTE TASTER

Schalterserien für die LuftfahrtDie Schalterserien von Zabel Technik kom-

men größtenteils im Bereich der Business

Jets zum Einsatz. Die Produktpalette

umfasst eine Schalterserie mit Kunststoff-

tasten und eine mit gelaserten Glastasten.

Gemein haben alle Luftfahrtprodukte eine

eigens entwickelte Montagetechnik, um

das Produkt optisch neutral zu verbauen.

Es handelt sich um eine Kombination von

Edelstahlgewinden und Messinghaken,

sodass die Taster direkt am Einsatzort mon-

tiert werden können. Durch die Einbaume-

chanik sind verschiedene Panelstärken der

einzelnen Tasten möglich. Die Tastenkap-

pen sind per Hand zu entnehmen, oder, bei

Tasten aus Glas mithilfe eines Saugnapfes.

So wird im Flugbetrieb der sichere Halt und

eine gute Bedienbarkeit

garantiert.

Die Schalter kontak-

tieren mit unterschied-

lichen Schnappschei-

ben, sodass der Bedie-

ner ein zusätzliches

taktiles Feedback erhält.

Alle Taster-Serien verfügen über mehrfach

hinterleuchtete und individuelle Symbole

der Tasten. Dabei kann jedes Symbol reali-

siert und mehrfarbig hinterleuchtet werden.

So können neben Anzeigenleuchten

auch Statusabfragen direkt im Taster rea-

lisiert werden. Durch den modularen Auf-

bau der Produkte lassen sich verschiedene

Tasterzahlen realisieren. Aktuell geht die

Produktpalette von einzelnen Tastern bis

hin zu fünf Tasten, inklusive Anzeige-

leuchten innerhalb einer Baugruppe. Die

Baugruppen erfüllen alle Anforderungen,

die für eine Qualifikation als Luftfahrt-

produkt notwendig sind. So werden luft-

fahrtzertifizierte Lacke und spezielle

Materialien verwendet, die gewissen

Brennbarkeitsklassen unterliegen. (neu) ■


KONTAKTSYSTEM ODU TURNTAC

Flexibilität beim Kontaktdesign

ERFOLGREICH DIE ZUKUNFT ANSTEUERN

LEISTUNGSRELAIS VON LAYHER:MONOSTABIL. BISTABIL. ELEKTRONISCH. HILFSKONTAKT. ZWEISPULIG. HOCHLEISTUNGSRELAIS.

50 A - 400 A, 21 TypenMEHR: www.layher-ag.de

Schalter für

den Einsatz in

der Luftfahrt.

Das Kontaktsystem

Odu Turntac be-

steht aus gedreh-

ten geschlitzten

Kontakten.

Bild: ODU

Bild: Zabel Technik

Das Kontaktsystem ODU Turntac, beste-

hend aus gedrehten geschlitzten Kontak-

ten, ist vielseitig einsetzbar. Es kommt

bereits in vielen Gebieten zum Einsatz –

vor allem aber im Bereich Automotive für

E-Mobility, Power Charging, Charging

Adaptern.

Der Zeit- und Investitionsbedarf für die

Entwicklung eines solchen Kontaktes bis

hin zur Serienreife ist eher gering. Ände-

rungen im Kontaktdesign können sehr fle-

xibel umgesetzt werden. In den letzten bei-

den Jahren hat ODU die Fertigungskapazi-

täten dazu um mehr als 40 % erhöht. Dabei

wurde das vorhandene Portfolio an Maschi-

nen um nahezu ausschließlich Langdreh-

automaten erweitert. Das Unternehmen

kann Kleinstbereiche mit einem Durchmes-

ser von 0,3 mm bis hin zu hochkomplexen

Versionen von bis zu 80 mm Durchmesser

drehen und bietet hohe Flexibilität beim

Kontaktdesign für kleinere und mittlere

Volumina. Für hochvolumige Artikel fertigt

ODU auf voll CNC gesteuerten Rundtakt-

automaten. (neu) ■

infoDIREKT 658ae0619


Komplexe elektronische Aerospace- Systeme in allen Phasen testenVon der Automotive- in die Luftfahrt-Welt

Die kontinuierliche Weiterentwick-

lung von umfassenden und

strukturierten Testmethoden und

Testwerkzeugen für elektronisch vernetz-

te Flugzeug- und Kabinensysteme ist nicht

nur aus wirtschaftlichen Gründen not-

wendig. Neue sicherheitskritische Piloten-

Assistenzsysteme wie EFVS (Enhanced

Vision Flight System) oder ROPS (Runway

Overrun Prevention System) erfordern

genauso wie „drahtlose“ Kabinenfunktio-

nen geeignete Teststrategien, die den

strengen regulatorischen Vorgaben ent-

sprechen (Konformität mit DO-178C).

Die in Bord- und Bodensystemen genutz-

te Software ist durch die Normen DO-178C

beziehungsweise DE-278 strengen Vorga-

ben unterworfen. Der höchst sicherheits-

kritische Anwendungsbereich erfordert

erheblichen Analyse- und Arbeitsaufwand

für die Verifikation und Validierung dieser

Systeme. Tatsächlich verwenden die Unter-

nehmen branchenweit in einem typischen

Projekt etwa die Hälfte des Entwicklungs-

budgets für strukturelle Softwaretests, um

eine Zertifizierung der FAA nach DO-178C

(Level A) zu erhalten.

Bei der Verifikation und Validierung der

in Bord- und Bodensystemen eingesetzten

Software lassen sich drei wesentliche Pha-

sen unterscheiden (Bild 1): Modultests,

Integrationstests und Systemtests (funkti-

onale Tests). In jeder Phase werden Testfäl-

le aus den jeweiligen Anforderungen abge-

leitet, wobei eine vollständige Rückverfolg-

barkeit gewährleistet sein muss.

Das Aufkommen von vernetzten Sys-

temen auf Basis des AFDX-Protokolls und

die Bestrebungen, Code wiederzuverwen-

den, verlangen innovative Ansätze für Soft-

waretests. Hier lohnt sich der Blick in Bran-

chen, in denen der Einsatz komplexer ver-

netzter Systeme bei kurzen Markteinfüh-

rungszeiten und kritischer Funktionalität

bereits Realität ist. Ein Beispiel hierfür ist

die Automobilindustrie. Dort werden

Drive-by-Wire-Systeme, Technologien für

autonomes Fahren und via CAN/Ethernet

vernetzte Plattformen heute schon erfolg-

reich umgesetzt.

Aufgrund der Parallelen zwischen diesen

Systemen ist es möglich, bewährte Kon-

zepte und Verfahren aus der Automobilin-

dustrie auf die Avionik zu übertragen. Die

Ansätze lassen sich analog zu Abschnitt

6.4.3 des DO-178C in drei Stufen gliedern:

Low-Level-Test, Software-Integrationstest

und Hardware-/Software-Integrationstest.

Abschließend lohnt es sich zu überlegen,

wie diese in einen Prozess eingebunden

werden können, der höhere Agilität und

die Einführung eines Shift-Left-Ansatzes

in den Entwicklungsprozess ermöglicht.

Das Shift-Left-Testing ist ein Ansatz für

Softwaretests und Systemtests, bei dem das

Testen früher im Lebenszyklus erfolgt und

somit auf der Projektzeitleiste eine Ver-

schiebung von rechts nach links erfährt.

Low-Level-TestIn der Teststufe „Low-Level-Test“ testen

die Beteiligten die Erfüllung von Anforde-

Tools + Testen Luftfahrt

Aufgrund der Parallelen zwischen Systemen der Aerospace- und der Automotive-Welt

ist es möglich, bewährte Konzepte und Verfahren aus der Automobilindustrie auf die

Avionik zu übertragen. Wie das im Testverfahren geht, beschreibt elektronik journal in

diesem Beitrag. Autoren: Dr. Arne Brehmer, Hans Quecke

elektronik journal 06/2019 41www.all-electronics.de

Bild

er: V

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rungen in einer frühen Phase; dazu zählen

Software-Komponententests, bei denen

einzelne Quellcode-Module isoliert wer-

den. Um ein einzelnes Modul isoliert zu

testen, müssen die Ingenieure eine umfang-

reiche Testumgebung aufbauen, darunter

Test-Treiber und -Stubs zur Berücksichti-

gung von Abhängigkeiten (Bild 2). Im Ide-

alfall geschieht dies automatisch mithilfe

eines Tools, das die intuitive und einfache

Festlegung von Testszenarien ermöglicht.

Auf diese Weise werden die wichtigsten

Anforderungen aus Abschnitt 6.4.2 „Anfor-

derungsbasierte Testauswahl“ sowie der

Unterabschnitte „Testfälle im Normalbe-

reich“ und „Robustheitstestfälle“ der Norm

DO-178C erfüllt. Angesichts des steigenden

Bedarfs an wiederverwendbarem Code ist

es sehr wahrscheinlich, dass dieselbe

Quellcode-Einheit in verschiedenen Kon-

figurationen zum Einsatz kommt. Daher

darf die Definition eines Testfalls nicht starr

an den Code gebunden sein, sondern muss

genügend Flexibilität für eine Weiterent-

wicklung der Software im Laufe der Zeit

bieten. Die Nutzung einer datengesteuerten

Schnittstelle für die Testfalldefinition hat

sich auf Dauer als zweckmäßiger erwiesen

als eine Definition über den Quellcode.

Stehen Quellcode und Testfälle im Rah-

men eines entsprechenden Workflows kon-

tinuierlich bereit, so bietet dieser Ansatz bei

Codeänderungen die Möglichkeit, die Test-

umgebung schnell neu zu generieren und

die Testfälle entsprechend neu zuzuordnen.

Bei erheblichen Änderungen lassen sich die-

se für eine zusätzliche Prüfung auswählen

und entsprechend kennzeichnen, ohne den

automatischen Workflow zu unterbrechen.

Ein solches Verfahren kann beispielswei-

se mit der Embedded-Software-Testplatt-

form Vectorcast (Eigenschreibweise: Vector

CAST) umgesetzt werden, die Testaktivi-

täten über den gesamten Lebenszyklus der

Softwareentwicklung hinweg automati-

siert. Die Lösung unterstützt das Testen auf

dem Zielgerät oder die Verwendung eines

Simulators, den üblicherweise der Compi-

ler-Anbieter zur Verfügung stellt. Die struk-

turelle Code- Abdeckung aus dem Test von

isolierten Komponenten lässt sich mit der

Code-Abdeckung aus den vollständigen

Integrationstests kombinieren, um eine

aggregierte Sicht auf die Code-Abde-

ckungs- Metriken zu ermöglichen.

Vectorcast-Testfälle werden unabhängig

vom Quellcode für einen datengesteuerten

Ansatz gepflegt. So besteht die Möglichkeit,

vollautomatische Tests auf dem Host, Simu-

lator oder auf dem Embedded-Gerät durch-

zuführen.

Software-IntegrationstestBei einem Software-Integrationstest prü-

fen die Beteiligten das Zusammenspiel der

Komponenten. Der Grundgedanke ist

dabei, die verschiedenen Softwarekom-

ponenten unter Außerachtlassung der

zugrundeliegenden Hardware zu testen.

Besonders wichtig für Softwaretests in die-

ser Phase ist die Möglichkeit, die Abhän-

gigkeiten und Schnittstellen für das

Bord- und Bodensysteme werden immer komplexer. Da-

mit verbunden steigt auch der Bedarf nach anspruchs-

vollen Strategien und Werkzeugen für die Verifikation

und Validierung nach DO-178C und DO-278. Im vernetz-

ten Flugzeug genügt es nicht, die korrekte Funktion ein-

zelner LRUs gewährleisten zu können – vielmehr muss

darüber hinaus die Funktion aller LRUs im Gesamtsystem

sichergestellt sein. Um die Qualitätsanforderungen in

der Luftfahrtindustrie zu erfüllen, muss es daher mög-

lich sein, Komponenten auf der Ebene der Softwareein-

heiten sowie auf LRU-Ebene zu isolieren, während die

restlichen Schnittstellen simuliert werden. Darüber hin-

aus lassen sich die Artefakte aus den Verifikations-und

Validierungsaktivitäten in einen kontinuierlichen Integ-

rationsprozess einbinden, um zeitgemäße Shift-Left-An-

sätze in die Entwicklung von sicherheitskritischen Syste-

men einzuführen und gleichzeitig Konformität mit den

regulatorischen Vorgaben zu gewährleisten.

Eck-DATEN




momentan getestete integrierte Modul zu

simulieren. Für die Simulation dieser Soft-

ware kommt meist ein Host-basierter

Compiler wie Visual Studio, GCC oder

MinGW zum Einsatz. Ab einem gewissen

Zuverlässigkeitsgrad findet dann auch der

Cross-Compiler Verwendung. Je nach DO-

178C-Zertifizierungsstufe (Level C, B oder

A) ist eine Zertifizierung unter Umständen

nur möglich, wenn die Aktivität mit dem

Cross-Compiler und auf der Zielplattform

erfolgte. In der Low-Level-Testumgebung

geschieht das Testen der verschiedenen Soft-

waremodule nach wie vor über die Program-

mierung von API-Aufrufen. In diesem Fall

ist die Verwendung einer Testautomatisie-

rungslösung wie Vectorcast nützlich, da sie

automatisch die benötigten Treiber und

Stubs für nicht relevante Module erstellt.

HW/SW-IntegrationstestDiese Tests erfolgen in einer späten Phase

des Entwicklungsprozesses auf der Ziel-

hardware, wobei die vollständige ausführ-

bare Image-Datei zum Einsatz kommt. Die

Herausforderung dieser Teststufe besteht

darin, die korrekte Funktionalität der Line

Replaceable Units (LRU) durch ausreichen-

de externe Stimulation sicherzustellen. Die

externe Simulation kann auf verschiedene

Arten erfolgen – unter anderem über lo-

gische Pins, ein Avionik-Datennetzwerk

oder Modellierwerkzeuge. Aufgrund des

komplexen Aufbaus der Netzwerke ist es

zudem wichtig, die Simulationsschnittstel-

len schnell und einfach erweitern oder

anpassen zu können.

Ein beispielhaftes System-Setup für die

Validierung einer LRU auf dieser Stufe lässt

sich mit CANoe und dem VT-System umset-

zen (Bild 3). Vector bietet mit der Soft- und

Hardware-Kombination CANoe und VT-

System ein Testsystem, das vom einfachen

Testwerkzeug am Arbeitsplatz bis zur hoch-

automatisierten HiL-Umgebung im Testla-

bor skalierbar ist. Die Kernidee des VT-Sys-

tems besteht darin, alle Hardwarefunktio-

nen für das Testen von Steuergeräten in

einem modularen und nahtlos in CANoe

integrierten System zu vereinen. Die Test-

hardware deckt alle Ein- und Ausgänge

einschließlich der Stromversorgung und der

Netzwerkanschlüsse einer Steuereinheit

oder eines Subsystems ab. An jedem Pin

sind der Pin-Funktion entsprechend Stimu-

lation, Messung, Lastsimulation, Fehlerauf-

schaltung sowie die Umschaltung zwischen

Simulation und Originalsensoren/-aktoren

möglich. Diese Funktionen sind so univer-

sell ausgelegt, dass ein einmal aufgebautes

Testsystem für unterschiedliche LRUs ver-

wendbar ist.

In CANoe besteht auch die Möglichkeit,

die physikalische Umgebung mithilfe von

Matlab-/Simulink-Modellen zu simulieren.

Eine geschlossene HiL-Simulation ist

genauso möglich wie eine einfache manu-

elle Stimulation ohne aufwändige Modelle.

Die gleiche Flexibilität bietet CANoe bei der

Testautomatisierung. Mit der Software

Vteststudio (Eigenschreibenweise: vTEST-

studio) steht dazu ein adäquates Autoren-

werkzeug bereit. Hier reicht die Palette der

Möglichkeiten vom Programmieren in ver-

schiedenen Sprachen (etwa der Vector-eige-

nen Sprache CAPL sowie .NET/C#) über das

Definieren einfacher Testabläufe in Tabel-

lenform bis hin zu grafisch notierten Test-

modellen. Die Software ermöglicht das Defi-

nieren von Testabläufen und die flexible

Kombination der verschiedenen Eingabe-

methoden. Die fertigen Testabläufe werden

als Testeinheiten gespeichert und dann in

CANoe ausgeführt. Nach jedem Testlauf

erstellt CANoe einen detaillierten Bericht.

In der Testdatenverwaltung laufen schließ-

lich von der Test- und Ausführungsplanung

bis zur Ausführungsdokumentation alle

Fäden zusammen. So ist stets eine gute

Rückverfolgbarkeit gewährleistet.

Bild 1: Die drei wesentlichen Phasen der Verifikation und Validierung von Software für Bord- und

Bodensysteme.

Bild 2: Low-Level-Testumgebung für den Test eines isolierten Softwaremoduls,

Testumgebung mit Test-Treibern und -Stubs für Abhängigkeiten.

Bild 3: Beispielhafter Aufbau für die Simulation der LRU-Umgebung.



Viele Touchscreens, die für moderne Fahrzeuge entwickelt wurden, setzen auf kapazitive Erkennung. Elektroden werden in ein dielektrisches Material, wie z.B. Glas, eingebettet und eine Spannungsdifferenz angelegt, die ein elektrostatisches Feld erzeugt. Wenn jemand den Bildschirm berührt, ändern sich die Felder und die Kapazität, und das Gerät erkennt, welcher Teil des Bildschirms berührt wird. Um bessere Touchscreens zu entwerfen, können Sie mit Hilfe der Simulation die Elektroden, das umgebende Metallgehäuse und andere dielektrische Objekte genau modellieren.

Die Software COMSOL Multiphysics® wird zur Simulation von Konstruktionen, Geräten und Prozessen in allen Bereichen des Engineerings, der Fertigung und der wissenschaftlichen Forschung verwendet. Lesen Sie, wie Sie damit kapazitive Touchscreens für den Einsatz im Automobilbau analysieren können.

Darstellung der Elektrodenarrays in einem kapazitiven Touchscreen-Sensor und Visualisierung der elektrischen Feldstärke, wenn ein Finger den Bildschirm berührt.

Entwickeln Sie bessere Touchscreens mit Simulation.

comsol.blog/touchscreens

Das Ziel: eine schlanke Conti-nuous-Integration-PipelineDie unbeabsichtigte Weitergabe von Fehlern

oder Problemen über den Entwicklungszy-

klus eines Systems sollte unbedingt vermie-

den werden. Diese Probleme lassen sich

häufig schon in einer frühen Entwicklungs-

phase erkennen, bleiben aber häufig unent-

deckt, weil adäquate Verifikations- und Vali-

dierungsmaßnahmen fehlen. Als Antwort

auf diese Herausforderung nennen die

Experten häufig Shift-Left-Ansätze – Vor-

gehensweisen, bei denen Tests bereits in

einer früheren Entwicklungsphase erfolgen.

Der Zeitaufwand für ein erneutes Durch-

laufen aller Low-Level-Tests, Software- Inte-

grationstests und Hardware-/Software-Inte-

grationstests kann sehr hoch sein. Mitunter

nimmt das Durchlaufen aller Testfälle einen

Zeitraum von drei Wochen bis zu zwei

Monaten in Anspruch. Damit Entwickler

zeitnahes Feedback zu Problemen erhalten,

die unter Umständen schon beim Program-

mieren der Software entstanden sind, muss

diese Zeitspanne deutlich verkürzt werden.

Abhilfe verspricht das Change-Based-

Testing (CBT). Dieses schnelle und intelli-

gente Testverfahren beruht darauf, dass jede

Code-Änderung mit allen Testfällen abge-

glichen wird, um zu ermitteln, welche

Untermenge der Tests von der Änderung

betroffen ist (Bild 4). Dadurch, dass nur die-

se Testuntermenge durchlaufen wird, lässt

sich der Zeitaufwand für die Ausführung

der Tests deutlich reduzieren. Die Entwick-

ler erhalten ein unmittelbares Feedback zu

den Auswirkungen ihrer Änderungen. So

besteht die Möglichkeit, Softwarefehler

direkt nach ihrer Entstehung zu beheben –

und nicht erst Wochen später im Rahmen

eines vollständigen Testlaufs. Durch das

Verwenden einer Testautomatisierungsplatt-

form wie Vectorcast wird die strukturelle

Code-Abdeckung von allen Testebenen , wie

Low-Level, Software-Integration und Hard-

ware/Software-Integration, erfasst. Die

Möglichkeit, die Berichterstattung für die

Code-Abdeckung in Tools für die Software-

beziehungsweise Software-/Hardware-

Integration wie CANoe und VT-System

einzubinden, bietet eine einheitliche Dar-

stellung der aggregierten Code-Abdeckung

des Systems und der Anteile der einzelnen

Tests an der gesamten Code-Abdeckung.

Wenn also eine Änderung an der darunter

liegenden Software erfolgt, ermittelt Vector-

cast, welche Tests auf den verschiedenen

Stufen betroffen sind und weist diese ent-

sprechend an, selbst wenn CANoe oder VT-

System den Test ausführen. Nur eine Unter-

menge von Tests auszuführen bedeutet eine

erhebliche Zeitersparnis. Die Auswirkung

einer erfolgten Änderung lässt sich inner-

halb weniger Stunden mit hoher Zuverläs-

sigkeit bestimmen. (av) ■


AutorenDr. Arne Brehmer

arbeitet seit 2011 bei Vector In-

formatik und leitet dort das Ge-

schäftsfeld Luftfahrt.

Hans Quecke

arbeitet seit 1994 bei Vector In-

formatik. Er ist Senior Manager

und verantwortlich für die Kon-

zepte der Vector-Testwerkzeuge.

Bild 4: Change-Based-Testing verkürzt die Test-

dauer deutlich und gewährleistet die Testvoll-

ständigkeit.


Tools + Testen Monitoring für Bahnfunk

Das European-Train-Control-System (ETCS)

ist ein europaweiter Standard für Zugbeein-

flussungssysteme. Diese technischen Anla-

gen und Systeme kontrollieren die Fahrt von Zügen

in Abhängigkeit von der zulässigen Geschwindigkeit,

was eine lückenlose Mobilfunkabdeckung auf allen

Strecken voraussetzt. Dabei dürfen sich die Systeme

von Bahnbetreiber und Mobile-Network-Provider

nicht durch unerwünschte Wechselwirkungen in die

Quere kommen. Für einen möglichst optimalen

Bahn-Funk ist es weiterhin wichtig äußere Faktoren

zu berücksichtigen wie Vegetation, Wetterbedingun-

gen, jahreszeitlich bedingte Umgebungsfaktoren

oder geografische Informationen. Auch Großveran-

staltungen, etwa Festivals, bei denen die Verantwort-

lichen zusätzliche Mobilfunkstationen aufstellen

oder vorhandene Anlagen kurzfristig umkonfigurie-

ren lassen, zählen zu den potenziellen Störquellen.

Für hochverfügbare Funknetze ist daher ein durch-

gängiges Monitoring erforderlich.

Software ermöglicht Monitoring des BahnfunksÜberwachungs- und Analyse-Tool

Nachhaltige Mobilität benötigt die Schiene als zuverlässigen und leistungsstarken Verkehrsträ-

ger. Die Überwachungs- und Analyselösung Com5.Rail erhöht durch ein durchgängiges Moni-

toring die Qualität in Bahn-Mobilfunknetzen. Autor: Georg Kieferl

Bild

er: M

icron

ova

Bild 1: Ein ICE4 der

Deutschen Bahn

passiert einen GSM-

und einen GSM-R

Mobilfunkmast.

elektronik journal 06/2019 45www.all-electronics.de


Com5.Rail ist eine Lösung, die den Bahnfunk

GSM-R (Global System for Mobile Communications

– Rail) und ETCS/ERTMS (European Train Control

System/ European Rail Traffic Management System)

technisch überwacht und analysiertl (Bild 1). Als

Basis dienen durch die Züge erzeugte Messdaten.

Zudem ist die Lösung imstande, je nach Verfügbar-

keit Konfigurations- und Performance-Daten der

öffentlichen Mobilfunk-Netzbetreiber integriert zu

nutzen. Damit sind Bahnunternehmen in der Lage,

Com5.Rail ist ein zentrales System zur Erfassung, Online-

basierten Übermittlung sowie Auswertung von Daten.

Zur Evaluierung kommen neben Data-Mining-Technolo-

gien auch spezifische Analyseverfahren zur Verarbeitung

der Leistungsindikatoren zum Einsatz. Die Anwendung

ermöglicht die Identifikation von Störquellen mittels öf-

fentlicher Mobilfunknetze. Dies erfolgt durch Integration

und Nutzung externer Datenquellen. Ziel ist es, poten-

zielle Störungen schon frühzeitig zu erkennen. Com5.Rail

reduziert die Betriebsrisiken für die Bahnbetreiber und

erhöht die Sicherheit der Bahnreisenden.

Eck-DATEN

etwaige Störquellen bis hin zum Funkturm der

betroffenen Zelle zu identifizieren sowie auch falsch

konfigurierte einzelne Parameter.

Permanente KontrolleKritische Punkte bildet das System mit entsprechen-

der Fehlerwahrscheinlichkeit als IM3-Störung ab,

einschließlich den potenziellen Verursachern. Auf

diese Weise ist eine zielgerichtete Entstörung möglich

(Bild 2). Die Lösung bietet verschiedene Funktionen

Bild 2: Kritische

Punkte bildet das

System mit entspre-

chender Fehler-

wahrscheinlichkeit

als IM3-Störung ab.



AutorGeorg Kieferl

Leiter Telco Solutions bei Micronova


zur Überwachung der GSM-R- und ETCS/ERTMS-

Security, wie etwa Railway-Emergency-Call (REC)

oder Train-Emergency-Stop-Monitoring-24/7. Durch

die permanente Überwachung der ETCS/ERTMS-

Signaldatenübertragung werden Anomalien schnell

erkannt. Bei Störungen erzeugt die Software automa-

tisiert Alarme und detaillierte Fehlerberichte. Grafi-

sche Dashboards alarmieren gezielt und automatisiert.

Störungen im Vorfeld vermeidenCom5.Rail enthält Verfahren und Prozesse zur detail-

lierten Sammlung, Auswertung und Darstellung der

zuvor eingeholten und aufbereiteten Informationen,

um Störungen schon im Vorfeld zu vermeiden. Außer-

dem ermöglicht das System, die Ereignisse im gesam-

ten Streckennetz für jede Fahrt mit allen Übertra-

gungspunkten über beliebig lange Zeiträume aufzu-

zeichnen. Auf Basis der gesammelten Messdaten

werden KPIs (Key-Performance-Indicator) definiert

und mit manuellen oder automatisierten Analyse-

methoden ausgewertet. Bei Vorfällen können die

Prüfer die Daten abrufen und miteinander verglei-

chen, um die Auslöser für eine Störung zu verstehen.

Konfigurierbare Dashboards und geografische

Landkarten (Geomaps) ermöglichen Anwendern,

etwaige Anomalien oder Störungen und deren Aus-

wirkung zu erkennen (Bild 3). Visuell unterlegte Ana-

lyseverfahren helfen dabei, relevanten Kontext bes-

ser zu verstehen und so auch etablierte Prozesse und

Verfahren weiter zu verbessern.

Zu den Hauptmerkmalen der Software gehören

ein zentrales System zur Erfassung und online-basier-

ten Übermittlung sowie Auswertung von Daten. Die

Evaluierung erfolgt über Data-Mining-Technologien.

Streckenabschnitte lassen sich bis in den Zentime-

terbereich darstellen. Außerdem kann die Software

externe Datenquellen integrieren und nutzen, sodass

eine Identifikation von Störquellen durch öffentlich

Mobilfunknetze möglich ist.

Interoperabilität und SicherheitEines der zentralen Ziele des ETCS/ERTMS- und

GSM-R-Netzes ist die länder- und technologieüber-

greifende Nutzung: Wenn ein Zug eine Landesgren-

ze überquert oder den Wirkbereich eines Geräteher-

stellers (Funkzugangsnetz, Onboard, Gleisanlage)

verlässt, müssen alle Funktionen zur Analyse des

Strecken- oder Zugverhaltens gewährleistet sein.

Die Com5.Rail-Software hilft dabei, diese Interope-

rabilität sicherzustellen.

Die Lösung bietet eine durchgängige Echtzeit-

Überwachung des Quality-of-Service (QoS) für RX

Level und Quality in ETCS/ERTMS- und GSM-R-

Netzen (Bild 4). Darunter fällt als wichtigster Aspekt

die Erkennung von Interferenz-Störungen (zum Bei-

spiel Intermodulation „IM3“), die durch die Wech-

selwirkungen mit anderen Netzen entstehen.

Die optionale, automatische Alarmierung bei Ereig-

nissen, insbesondere bei Eisenbahn-Notruf, oder

wenn der QoS-Wert unter eine bestimmte Grenze

fällt, zählt zu den Fehlerbehebungs-Fähigkeiten der

Lösung. Dabei sind Ereignisse, KPI-Indikatoren sowie

Schwellwerte vom Anwender definierbar. (aok) ■

Bild 3: Die konfigu-

rierbaren Dashboards

und geografischen

Landkarten ermögli-

chen es den Anwen-

dern, etwaige Ano-

malien oder Störun-

gen und deren Aus-

wirkung schnell zu

erkennen.

Bild 4: Com5.Rail bie-

tet eine durchgängi-

ge Echtzeit-Überwa-

chung der Quality-of-

Service (QoS) für RX

Level.

Bild 5: Mobilfunk-Ba-

sisstationen in Da-

chau entlang der

Bahnstrecke Mün-

chen-Ingolstadt.

03

04

05


Tools + Testen Highlight


Die Lösung von Renesas umfasst Refe-

renzsoftware für drei Erkennungsmetho-

den für sensorbasierte automatisierte

Fahrzeugsysteme der Stufe 2+. Sie bietet

Entwicklern eine End-to-End-Pipeline-

Referenz. Diese ermöglicht es Anwendern,

ihr Applikationsdesign unmittelbar zu

starten, unabhängig davon, ob sie über

Expertise im Einsatz von optimierten

Beschleunigern oder nur über begrenzte

Erfahrung verfügen. Die Referenzsoftware

umfasst das Einlesen von Sensor- oder

aufgezeichneten Daten, alle Verarbei-

tungsschritte sowie die Darstellung auf

einem Bildschirm. Bei der COD-Referenz-

software kommt ein CNN-IP (convoluti-

onal Neural Network), eine CV-E (Com-

puter Vision Engine) und Bildwiedergabe-

Technologie (IMR – Image Rendering)

zum Einsatz, um 2D-Objekte wie Autos,

CNN-IP, CV-E, IMR und eine vielseitige

Pipeline-Engine (IMP), um befahrbaren

freien Raum, Fahrspuren, Straßenbegren-

zungen und Entfernungen zu Fahrspuren

und nächstgelegenen Objekten zu identi-

fizieren und damit NCAP 2020 zu unter-

stützen. Sie erreicht etwa 30 FPS.

AUF BASIS VON R-CAR-V3H

Perception-Quick-Start-Software für die ADAS-Entwicklung


Die RFD-Referenz-

software umfasst

CNN-IP, CV-E, IMR und

eine Pipeline-Engine,

um befahrbaren frei-

en Raum, Fahrspuren,

Straßenbegrenzun-

gen und Entfernun-

gen zu Fahrspuren

und nächstgelegenen

Objekten zu identifi-

zieren.

Lastwagen, Busse und Fußgänger zu

erkennen und zu markieren. Die COD

erreicht etwa 30 Bilder pro Sekunde (FPS).

Die LOD-Software verwendet CNN-IP

und CV-E, um 3D-Objekte, einschließlich

Autos und Lastwagen, zu erkennen. Sie

erreicht etwa 15 FPS und markiert Objek-

te bis 50 Meter Entfernung mit 3D-Rah-

men. Die RFD-Referenzsoftware umfasst

Bild

: Ren

esas

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48 elektronik journal 06 / 2019 www.all-electronics.de

Tools + Testen Simulation für autonomes Fahren

Erfüllt die Ansprüche der Automotive-LieferketteModulare Technologie ermöglicht KI-fähige Systeme im Auto

Die für Anwendungen wie autonomes Fahren entwickelte Simulations-Engine Aisim 2 bie-

tet ein hohes Niveau an physischem Realismus und sorgt für optimierte Hardware-Nutzung

und Flexibilität. Was bedeutet das in der Praxis?

Die Entwicklung produktionsreifer, rechenin-

tensiver KI-fähiger Hardwareplattformen

für die Automobilindustrie entwickelt sich

zu einem der innovativsten, dynamischsten und kre-

ativsten Bereiche für die Halbleiterindustrie. Aller-

dings warten die Zielkunden, also OEMs und Tier 1,

nicht darauf, dass Halbleiterhersteller die kompletten,

perfekten Lösungen entwickeln. Sie haben ihre eige-

nen Ressourcen und Entwicklungsabteilungen, die

seit Jahren an Hardware, Software und Algorithmen

arbeiten. Angesichts des hohen Wettbewerbs und der

getätigten Ressourcen- und Entwicklungsinvestitio-

nen besteht die Herausforderung darin, neue Wege

zu finden, um den Unternehmen Technologie zu lie-

fern, ohne mit ihnen in Konkurrenz zu treten.

Der Ansatz von Aimotive ist, seine Plattform beste-

hend aus Aisim, Aidrive und Aiware (Bild 1) tatsäch-

lich modular anzubieten. Kunden können dabei frei

entscheiden, welche Module sie in Ergänzung zu ihren

eigenen Entwicklungen wirklich benötigen. Jede der

technologischen Produktlösungen ist dabei in eine

feinkörnige Sammlung an Funktionen und Bausteinen

zerlegt und bietet die Möglichkeit, diese individuell

zu konfigurieren. Der Anwender kann sich alle Bau-

steine ansehen und diskutieren, für welche von ihnen

er bereits eigene Lösungen hat.

Aidrive ist ein KI-basiertes Full-Stack-Software-

Modul für Wahrnehmung und Entscheidungsfindung,

das sich in ADAS- und autonome Antriebssysteme

integrieren lässt. Es ist kompatibel mit allen fürs auto-

nome Fahren üblichen Sensoren und hinsichtlich

Hardware, Middleware und Betriebssystem völlig

plattformunabhängig. Mit Aiware bietet Aimotive ein

dediziertes Hardware-IP für Beschleuniger basierend

auf neuralen Netzwerken. Die Architektur lässt sich

kundenspezifisch anpassen und die skalierbare Per-

formance unterstützt Anwendungen unterschiedli-

cher Automations-Level. Zum Test des Systems hat

das Unternehmen entsprechende Beschleuniger-ICs

mit vom Foundry-Partner Globalfoundries fertigen

lassen, die in der hausinternen Weiterentwicklung

zum Einsatz kommen (Bild 2). Der Aisim-Simulator

Bild

: Aim

otive

Bild 1: Die KI-basierte

Technologie-Platt-

form von Aimotive

besteht aus Aidrive

(Software), Aisim (Si-

mulator) und Aiware

(Beschleuniger-IP).

Kunden können dabei

aus einer Vielzahl fein

untergliederter Bau-

steine die Funktionen

wählen und konfigu-

rieren, für die sie

noch keine eigenen

Lösungen haben.

elektronik journal 06 / 2019 49www.all-electronics.de

Tools + Testen Simulation für autonomes Fahren

in zweiter Generation soll die Geschwindigkeit und

Qualität für die Erprobung und Validierung von

selbstfahrenden Lösungen verbessern.

Die Technologie des Unternehmens basiert auf vie-

len tausend Stunden an Testfahrten auf drei Kontinen-

ten mit der eigenen Fahrzeugflotte. Das in den Fahr-

zeugen verbaute System im Kofferraum (Bild 4) nimmt

derzeit noch sehr viel Platz und vor allem mit 800 W

recht viel Energie auf. Mit dem Einsatz von Beschleu-

nigern auf Basis von Aiware soll sich die Leistungs-

aufnahme im zweistelligen Wattbereich bewegen. Bei

Vergleichen mit den bis dahin spielbasierten Simula-

toren stellte sich heraus, dass diese zu unpräzise für

komplexe Verkehrsszenarien sind. Der Simulator bie-

tet eine höhere Qualität an physikalischem Realismus,

einem Parameter bei dem Spiel-Engines oft Abstriche

machen. Die Lösung ist flexibel und skalierbar, hard-

wareunabhängig und verwendet die Vulkan-API von

Khronos. Dies erhöht die Portabilität, sodass sich eine

wirksame Ausführung auf einem breiten Spektrum

von Einzel- und Mehrfach-GPU-Systemkonfigurati-

onen realisieren lässt. Die hohe Leistungsfähigkeit des

Simulators ist nötig für die Echtzeit-Rückgabe von

komplexen Umgebungen, was wichtig für die konsis-

tente HiL-Erprobung ist. Für die Umsetzung der Simu-

lationen und den Abgleich mit gewonnenen Fahrdaten

betreibt Aimotive ein leistungsfähiges, firmeneigenes

Rechenzentrum (Bild 3). (na) ■

Der Beitrag beruht auf Unterlagen von Aimotive.

Bild

: Nico

le A

hner

Bild

: Nico

le A

hner

Bild

: Nico

le A

hner

Bild 2: Die Weiterent-

wicklung der modula-

ren Lösung geschieht

auch bereits mit ba-

sierend auf Aiware-IP

hergestellten Schalt-

kreisen für die Hard-

warebeschleunigung.

Bild 3: Das Unternehmen betreibt ein leistungsfähiges Re-

chenzentrum zum Test und zur Weiterentwicklung des Simu-

lationsmoduls Aisim, das mittlerweile in der zweiten Genera-

tion fürs autonome Fahren zum Einsatz kommt.

Bild 4: Noch nimmt das für Fahrtests auf vier Kontinenten einge-

setzte System im Kofferraum recht viel Platz und mit 800 W viel

Energie auf. Mit dem Einsatz der eigenen Hardware-Beschleuni-

ger soll dieser Wert in den zweistelligen Wattbereich sinken.



Systeme KI-Einsatz


Entwicklungsprojekt DIASDigitale Mobilitäts-Services unterstützen Autofahrer

Das DIAS-Projekt (Digital Automotive Services) kombiniert intelligente Services mit nachrüstbaren

Systemen, die durch einen kontinuierlichen Datenaustausch zwischen Fahrzeugen und dem haus-

eigenen Backend die Fahrer nicht nur bei der Parkplatzsuche unterstützen sollen. Die gewonne-

nen Schwarmdaten liefern zudem Erkenntnisse für künftige Mobilitätslösungen zur Realisierung

von Smart Cities. Autoren: Sebastian Heinemann, Martin Kreyling

Bild

: © m

etam

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orks

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ck.a

dobe

.com


Systeme KI-Einsatz


Points of Interest lassen sich mit KI automatisch

kartographieren.

Ein kontinuierlich wachsendes Verkehrsauf-

kommen stellt Städte vor enorme Herausfor-

derungen und die Geduld der Autofahrer auf

die Probe. Lösungsansätze hierfür liegen unter ande-

rem in der Minimierung des Feierabendverkehrs oder

der Parkplatzsuche – beispielsweise durch neue

Mobilitäts-Services wie etwa einer schwarmbasierten

Parkplatzsuche. Sie sind deshalb ein wichtiger

Bestandteil von Smart-City-Konzepten, die die Ver-

besserung der Lebensqualität ihrer Bewohner zum

Ziel haben. Die Schaffung einer geeigneten Infra-

Erkenntnisse aus dem DIAS-Projekt (Digital-Automotive-Services), die durch den

Einsatz von künstlicher Intelligenz sowie mit Big-Data- und Cloud-Computing-Tech-

nologien gewonnen werden, können als Wegbereiter für Smart Cities und autono-

mes Fahren dienen und so den Weg zu fahrerlosen Autos, die selbstständig navigie-

ren, intelligent und vernetzt sind, freier machen. Grundvoraussetzung hierfür sind

allerdings qualitativ hochwertige Karten und stets aktuelle Live-Modelle, um Ge-

fahrenstellen zu erkennen und zu analysieren. Welche Möglichkeiten es dazu be-

reits heute schon gibt und wie diese funktionieren, erläutert dieser Beitrag.

Eck-DATEN

struktur – allen voran einer geeigneten IT-Infrastruk-

tur in und rund um Fahrzeuge – spielt dabei eine zen-

trale Rolle. Um Smart-City-Konzepte realisieren zu

können, beschäftigen sich Entwickler im Entwick-

lungsprojekt DIAS mit neuen Entwicklungsansätzen

für künftige Mobilitäts-Services.

Services durch Schwarmdaten generierenZiel von DIAS ist es, digitale Services und Funktionen

rund um das Fahrzeug kundenspezifisch anbieten zu

können. Das Entwicklungsprojekt liefert hierfür Ent-

scheidungsgrundlagen für Algorithmen und IT-Inf-

rastrukturen im Bereich Connected Cars. DIAS setzt

sich dabei mit verschiedenen Forschungsbereichen

auseinander: zum einen zählt hierzu die Analyse der

Einsatzmöglichkeiten von Technologien wie Big Data

oder Cloud Computing. Der Gewinn neuer Erkennt-

nisse bei der Zusammenführung der Daten aus unter-

schiedlichen Fahrzeugen, beispielsweise

das Ableiten eines realistischen Fahrer-

modells aus Geschwindigkeitsprofilen

verschiedener Fahrer, stellt einen weite-

ren Bereich dar. Zudem arbeiten die Ent-

wickler an Location-Based-Services,

indem sie Kartendaten mit gewonnenen

Fahrzeug- und Umfelddaten anreichern.

Das DIAS-Projekt beschäftigt sich darüber hinaus

mit dem Einsatz von Methoden künstlicher Intelli-

genz, damit das Fahrzeug Objekte wie beispielswei-

se Schilder, andere Fahrzeuge oder Fußgänger sowie

komplexe Verkehrssituationen erkennen kann.

Dadurch lassen sich neue POIs (Points of Interest)

automatisch kartographieren und in geeigneten

Anwendungen wie einem Flottenmanagement anzei-

gen. Die gewonnenen Informationen helfen je nach

Grad der Vertrauenswürdigkeit dabei, den erkannten

POIs eine entsprechende Konfidenz zuzuteilen:

hierfür legen die Verantwortlichen fest, wie oft das

System eine Baustelle erkennen muss, um die auto-

matische Kartographierung beziehungsweise das

Entfernen des POI auszulösen.

Für die Umsetzung des Projektes hat ASAP die eige-

ne Fahrzeugflotte (Bild 1) an den Standorten Ingolstadt

und München mit intelligenten Sensoren ausgestattet

und die benötigte IT-Infrastruktur aufgesetzt. Das


Systeme KI-Einsatz


System sendet die Daten aus den Fahrzeugen an ein

Back-End und stellt sie anschließend in aufbereiteter

Form den Nutzern der Services wieder zur Verfügung.

Mit den auf diese Weise gewonnenen Schwarmdaten

lässt sich Wissen über sinnvolle Anwendungsmög-

lichkeiten von Algorithmen im Bereich Machine Lear-

ning sowie in der Objekter-kennung generieren.

Zusätzlich lassen sich damit Big-Data-Technologien

evaluieren und hinsichtlich möglicher Einsatzzwecke

für Kundenprojekte analysieren.

Architektur und ZusammenhängeIm Entwicklungsprojekt DIAS mussten die Verant-

wortlichen zunächst die Infrastruktur zur Erhebung,

Übermittlung, Verwaltung sowie Auswertung von

Daten erarbeiten und umsetzen. Diese bildet die

Grundlage zur Evaluierung möglicher Einsatzzwecke

der gewonnenen Schwarmdaten und zu einer Rapid-

Prototyping-Umgebung, um neue Services unkom-

pliziert praxisnah umzusetzen. Dazu war es nötig,

Technologien und aktuelle Frameworks aus den Berei-

chen Big Data und Cloud Computing zu implemen-

tieren. Bild 2 veranschaulicht die hierfür aufgebaute

Architektur und Zusammenhänge innerhalb des

DIAS-Projekts wie folgt:

Die Devices (1) sind für die Erfassung der Daten aus

dem Fahrzeug und dem Umfeld, wie zum Beispiel der

aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrerinterakti-

onen und Tempolimits zuständig. Anschließend findet

eine verschlüsselte, kontinuierliche Kommunikation

(2) zwischen Devices und Cloud statt. Die Cloud (3)

liefert die für das Projekt aufgesetzte Infrastruktur.

Unter Intelligence (4) erfolgt dann das Auswerten der

erfassten Daten mit unterschiedlichen Ansätzen, bei-

spielsweise Bildverarbeitung, mathematische Model-

le oder Methoden aus dem Bereich des Machine Lear-

nings. Daraus resultieren dann die Automotive Ser-

vices (5) die dem Fahrer einen Mehrwert bieten.

Die Verantwortlichen entwickelten die in den Fahr-

zeugen eingesetzten Devices zunächst auf Grundla-

ge eines Raspberry Pi. An das Device haben sie dann

unterschiedliche Sensoren wie Kamera oder GPS-

Empfänger angebunden. Des Weiteren war es nötig,

eine Hardware zu entwickeln, die es ermöglicht, Fahr-

zeugbussysteme auszulesen. Als Middleware kommt

ROS (Roboter Operating System) zum Einsatz. Diese

ermöglicht eine standardisierte Verwaltung und Kom-

munikation der einzelnen Softwarefunktionen auf

dem Device. Die Realisierung der Verteilung von Soft-

wareupdates und Konfigurationen erfolgt über Pup-

pet. Damit lassen sich verschiedene Messkampagnen

zentral steuern.

Verschlüsselte KommunikationDie Kommunikation zur Cloud ist verschlüsselt und

über ein Zertifikatsmanagement abgesichert. Wäh-

rend die Aufzeichnung von Fahrzeug- und GPS-Daten

kontinuierlich verläuft, lösen nur spezielle Trigger in

der Software die Aufzeichnung der Kameradaten und

deren Übertragung in das Backend aus. Im Device

laufende Objekterkennung, beispielsweise eine Ver-

kehrsschilderkennung, können diese Trigger auslösen.

Um LTE-Datenvolumen einsparen zu können, imple-

mentierten die Entwickler ein Burst-Modus als ROS-

Node. Somit lassen sich bestimmte Daten, wie zum

Beispiel Bilder oder Umgebungsinformationen, erst

bei einer bestehenden WLAN-Verbindung an einem

der ASAP-Standorte übertragen. Die Fahrzeuge über-

mitteln bestimmte Fahrzeugsignale kontinuierlich an

die Cloud. Somit sind die Entwickler in der Lage, auf

den jeweiligen Einsatzzweck angepasste Messkam-

pagnen mit Live-Daten und solchen mit eher stati-

schen Informationen durchzuführen.

Die Cloud empfängt und bearbeitet die Daten eben-

falls mittels ROS-Knoten. Anschließend werden die

Daten in NoSQL-Datenbanken persistiert. Jedes Ele-

ment der Cloud läuft in einem Docker-Container –

dadurch ist es einfach möglich, ein Load Balancing

durchzuführen und die zukünftige Skalierbarkeit

sicherzustellen. Ein GPU Cluster kommt zum Einsatz,

um empfangene Bilddaten zur Analyse an die Intel-

ligence weiterzuleiten. Erkannte Objekte lassen sich

mit bereits vorhandenen Daten verifizieren, anschlie-

ßend fusionieren und in die Datenbank schreiben.

Bild 1: Für das DIAS-

Projekt hat ASAP die

eigene Fahrzeugflot-

te mit intelligenten

Sensoren ausgestat-

tet und die benötigte

IT-Infrastruktur auf-

gesetzt.

Bild

er: A

SAP

Bild 2: Aufbau der

Architektur und

Zusammenhänge im

DIAS-Projekt.


Systeme KI-Einsatz


AutorenSebastian Heinemann

arbeitet als Bereichsleiter Softwareentwick-

lung bei ASAP

Martin Kreyling

arbeitet als Leiter Softwareentwicklung Funk-

tions- und Framework-Entwicklung

bei ASAP


Somit ist es möglich für jedes Objekt eine Konfidenz

zu erstellen, welche angibt, wie sicher das Objekt

existiert. Dies ist insbesondere nötig, um auf Verän-

derungen in der Umwelt (Straßenbau/-führung, Inf-

rastruktur) reagieren zu können.

Die Datenbank bietet eine einheitliche Schnittstel-

le zur flexiblen Datenauswertung und -aufbereitung

für die Services an. So lassen sich zum Beispiel alle

erkannten Objekte als statische und dynamische POIs

in einer Karte visualisieren. Die Services können die

Daten auch nach ihrer Konfidenz filtern und nur jene

verwenden, die eine für den Service ausreichend hohe

Konfidenz besitzen.

Neben der Auswertung von Daten liegt ein weite-

rer Fokus der Intelligence des DIAS-Projektes darauf,

die bestehenden Modelle zu verbessern oder neue

Modelle aufzubauen. Die am Entwicklungsprojekt

beteiligten Entwickler bereiten hierzu die gewonne-

nen Daten auf und verwenden diese zum Training,

Evaluieren und Testen. Aus neuen Modellen lassen

sich anschließend auch weitere Services entwickeln.

Des Weiteren ist es möglich, durch Methoden aus dem

Bereich des Deep Learnings auch Zusammenhänge

zwischen unterschiedlichen Datenquellen zu finden

und die Zusammenhänge anschließend näher zu

untersuchen.

Kombination verschiedener MethodenDurch den Einsatz verschiedener Methoden – klassi-

sche Algorithmen aus der Bildverarbeitung sowie

Methoden des Machine Learning – ist es möglich,

anhand der gewonnenen Schwarmdaten Lichtsignal-

anlagen zu erkennen. Daten aus den Fahrzeugen spei-

sen neuronale Netze und trainieren diese auf bestimm-

te Situationen. Dann erfolgt die Validierung des Lern-

prozesses der künstlichen Intelligenz: das neue Netz-

werk wird an die Fahrzeuge gesendet, welche die Güte

des trainierten Algorithmus prüfen, indem sie die

Erkennungsraten des Systems für die neu antrainier-

ten und ähnlichen Situationen im Straßenverkehr

ermitteln. Dabei lassen sich auch Erkenntnisse darü-

ber gewinnen, in welcher Form die Trainingsdaten

aufzubereiten sind, damit die Algorithmen relevante

Situationen künftig effizienter erkennen können.

Lichtsignalanlagen lassen sich bereits als POIs auto-

matisiert im Datenbanksystem hinterlegen und dort

mit weiteren Informationen verknüpfen. So lassen sich

Karten mit verschiedensten Informationen anreichern

und Live-Modelle erstellen (Bilder 3 und 4), in denen

unterschiedlichste Details – Standorte der Fahrzeuge,

Live-Bewegungen inklusive Fahrzeugsignalen sowie

Standorte von Ampeln – abgebildet sind.

Durch die Verbindung herkömmlicher Technolo-

gien mit Methoden künstlicher Intelligenz ergeben

sich im DIAS-Projekt neue Erkenntnisse. So kombi-

nieren die Entwickler beispielsweise Bildverarbeitung

zur Schildererkennung mit Machine Learning und

identifizieren dadurch POIs für ihre Live-Modelle:

angelernte Algorithmen erkennen dabei etwa, wenn

viele Fahrzeuge an einer Stelle abbremsen und die

Spur wechseln – ein Hinweis auf eine mögliche Bau-

stelle. In Kombination mit der Schilderkennung las-

sen sich Gefahrenzonen so künftig noch eindeutiger

identifizieren. Mithilfe von Machine Learning lassen

sich aus den Schwarmdaten zudem realistische Fah-

rermodelle generieren. Verschiedene Informationen

über ein Fahrverhalten – wann und warum bremst

der Fahrer, wie stark bremst er und mit welcher

Geschwindigkeit fährt er in relevanten Szenarien –

fließen darin ein. Solche Fahrermodelle dienen bei-

spielsweise zu Testzwecken im Bereich der virtuellen

Absicherung. (aok) ■

Bild 3: Anreicherung

von Kartendaten mit

gewonnenen Fahr-

zeug- und Umfeldda-

ten

Bild 4: Im DIAS-Pro-

jekt aufgezeichnete

Daten – grafisch

aufbereitet.


Systeme USB 3.1


Design-Überlegungen beim Upgrade auf USB 3.1Smart-Hub-Bausteine mit Funktionen für USB 2 und USB 3

In Fahrzeugen steht dem Benutzer gegenwärtig vor allem beim Infotainment

mehr Bandbreite zur Verfügung als je zuvor. Der Standard USB 3.1 bietet die hier-

bei die notwendigen schnellen Datenraten, die für kürzere Indexierungszeiten in

Infotainment-Systemen erforderlich sind. Der folgende Beitrag beschreibt De-

sign-Überlegungen, mit denen Entwickler USB 3.1 direkt in ihre Anwendungen

integrieren können. Autor: Dave Sroka


Systeme USB 3.1


In den letzten zehn Jahren haben sich die Funk-

tionen (darunter auch viele USB-Funktionen) von

Infotainment-Systemen in Fahrzeugen erheblich

verändert. Im Jahr 2009 zählten sowohl eingebaute

Navigationssysteme als auch DVD-Player zu den

fünf wichtigsten Merkmalen in Fahrzeugen.

Durch den Erfolg des Smartphones sind eingebau-

te Navigationssysteme inzwischen weitgehend auf

der Strecke geblieben, und die entsprechenden, mitt-

lerweile kaum wegzudenkenden Komfortfunktionen

für den Fahrer – wie Smartphone-Schnittstellen (bei-

spielsweise Android Auto, Apple Carplay) und das

schnelle Aufladen über USB (Universal Serial Bus)

– sind in den Vordergrund gerückt.

USB als unverzichtbare VerbindungAn der Schnittstelle dieser Funktionen befindet sich

die entscheidende Technik: USB. Der Schnittstellen-

standard ist allen Nutzern bekannt und erfährt immer

wieder Aufwertungen durch neue Spezifikationen

des USB-IF (USB Implementers Forum). Entwickler

können somit den deutlichen Mehrwert dieser Tech-

nik weiter ausbauen.

Ingenieure bei den führenden Automobilherstellern

und Tier-1-Zulieferern integrieren diese Komfort-

funktionen bereits seit einigen Jahren in ihre Designs.

Dieser Trend setzt sich fort, da sich die Anwendungen

(Apps) auf Smartphones ständig weiterentwickeln,

zunehmend mehr Bandbreite in Fahrzeugen zur Ver-

Microchips USB-Smart-Hub-Bausteine vereinen USB 2.0

Hi-Speed und USB 3.1 Super-Speed in sich und sind auch

als Automotive-Version verfügbar. In den Schaltkreisen

steckt ein einheitlicher Funktionssatz und eine bewährte

Architektur, was Entwicklern ein Systemupgrade von

USB 2.0 auf 3.1 erleichtert. Für USB-C-Ports bieten die

Bausteine Power Delivery (PD) 3.0 und bis zu 100 W La-

deleistung pro Port.

Eck-DATEN

Bild

: jan

ifest

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ck.a

dobe

.com

w


Systeme USB 3.1


fügung steht und die Verbraucher ein schnelleres Auf-

laden ihrer Mobilgeräte wünschen. Die Smartphone-

Schnittstelle im Fahrzeug verwendet den USB-Bus

als Transportebene, um Bildschirminhalte oder die

Daten des Mobilgerätes an die Haupteinheit (Head

Unit) zu streamen. Für ein schnelleres Aufladen defi-

niert die USB-PD-Spezifikation (Power

Delivery) den Vorgang zum Aushandeln

der Stromlieferung und wie viel Strom das

Endgerät erhalten kann.

Während die USB-Spezifikationen,

Konformitätstests und USB-ICs für den

Großteil dieser Ladefunktion konzipiert

sind, muss die Systemintegration aller

Bauteile, einschließlich der Hardware und

Software in der Head Unit sowie den Media-Hubs,

entsprechend ausgelegt sein.

Überlegungen für USB-3.1-AnwendungenUm auf die nächste Technologie-Ebene zu gelangen,

sind viele Faktoren zu berücksichtigen, damit ein

System den vielfältigen gegenwärtigen Anforderun-

gen genügt (Bild 1):

• Bandbreitenbedarf (USB 2.0 Hi-Speed oder USB 3.1

Super-Speed)

• Unterstützung für Apps (Host-/Device-Austausch)

• Anzahl der benötigten Ports (1, 2, 3, 4) sowie die

Bauform (Typ A oder C)

• Art der Hardwareschnittstelle (USB-Host- oder

USB-Host/Device-Port)

• Leistungspegel des USB-Ladevorgangs (1,5, 2 oder

3 A und mehr)

Entscheidend ist daher, dass OEMs Funktionen hin-

zufügen können, ohne die Systemarchitektur verän-

dern zu müssen. Microchip bietet ein umfangreiches

USB-Angebot für den Automotive-Bereich, das eine

einheitliche Systemintegration unterstützt, sodass die

Hersteller Systeme unter Beibehaltung der Architek-

tur migrieren können.

Nutzt ein OEM eine USB-2.0-Verbindung zu einem

reinen USB-Host-Port in der Head-Unit, kann er pro-

blemlos zum USB-3.1-Standard wechseln, wofür nur

eine USB-Host-Port-Lösung erforderlich ist (beispiels-

weise die USB-Host-Reflector-Funktion). Beide

Schnittstellenstandards nutzen den gleichen nativen

USB-Class-Treiber – etwa Communication Device

Class oder Network Control Model – um Apple Car-

Play zu unterstützen. Somit lassen sich unter einer

USB-2.0-Umgebung abgeschlossene Entwicklungen,

einschließlich die Einrichtung der mobilen Schnitt-

stellenanwendungen, für beide ICs übernehmen.

Ebenso unterstützt Microchip eine USB-Host-/

Device-Verbindung an der Head-Unit mit einer Funk-

tion namens Flex-Connect, mit der sich die Funktion

des Hub-Ports von Device zu Host und umgekehrt

austauschen lässt.

Flex-Connect oder Multi-Host-Reflector?Vor diesem Hintergrund hat der Entwickler die Mög-

lichkeit, entweder eine Flex-Connect-Methode für

den Host-/Device-Tausch eines iPhones, auf dem Car-

Play läuft, zu verwenden oder die Multi-Host-Reflec-

tor-Methode einzusetzen. Einer der Hauptunterschie-

de zwischen beiden Methoden ist die Bandbreite, die

für die Car-Play-Sitzung zur Verfügung steht. Mit

Flex-Connect steht dem iPhone (das während der

Car-Play-Funktion zum USB-Host wird) die gesam-

te Bandbreite von USB 2.0 (480 MBit/s) zur Verfügung.

Mit dem Multi-Host-Reflector teilt sich das iPhone

die 480-MBit/s-Bandbreite mit dem USB-Host in der

Head Unit.

Die Entscheidung liegt beim Systementwickler, jene

Methode zu wählen, die den entsprechenden Sys-

temanforderungen am besten entspricht. In beiden

Fällen sind keine benutzerdefinierten Treiber erfor-

derlich. Ob Multi-Host-Reflector oder Flex-Connect,

ihre Funktionen sind sowohl in USB-2.0- als auch

USB-3.1-Hubs verfügbar.

Aus diesem Grund kann eine Infotainment-Head-

Unit mit Media-Hub hinsichtlich ihrer funktionalen

IC-Blöcke problemlos von USB 2.0 Hi-Speed auf USB

3.1 Super-Speed migrieren. Einheitliche Funktionen

100 Wkann USB-PD

pro Port liefern.

Bild 1: Beim Entwurf ei-

nes USB-Systems in

Fahrzeugen sind vielfäl-

tige Faktoren zu be-

rücksichtigen.

Bild

er: M

icroc

hip


Systeme USB 3.1


AutorDave Sroka

Marketing Manager für Automobil-USB-

Produkte bei Microchip

infoDIREKT 270ei0619

und USB-Class-Treiber bieten identische Unterstüt-

zung für Anwendungen und reduzieren gleichzeitig

den Aufwand für die Systemvalidierung, das Desig-

nrisiko und die Markteinführungszeit.

Abwägungen beim Übergang von USB 2.0 auf USB 3.1Während der Übergang von USB 2.0 auf USB 3 relativ

einfach möglich ist, sind beim Übergang auf eine

USB-3.1-Super-Speed-Lösung einige Aspekte zu

berücksichtigen, unter anderem der Unterschied zwi-

schen einem 5-GBit/s-Datenstrom gegenüber einer

480-MBit/s-Verbindung. Das Leiterplattendesign, die

Platzierung der Bauelemente, die Qualität der Steck-

verbinder und die Kabellängen können die Signalin-

tegrität deutlich beeinflussen. Während die Erstim-

plementierung höhere Kosten für Kabel und Bauele-

mente berücksichtigen muss, erzielen hohe Stück-

zahlen und die Skalierbarkeit zu einem späteren Zeit-

punkt Einsparungen. Die erreichbare Gesamtleis-

tungsfähigkeit wie auch Bandbreite muss sich an

diesen Faktoren messen.

Bei USB-C-Ports mit USB Power Delivery (PD) 3.0

und der Möglichkeit, bis zu 100 W Leistung pro Port

für das Laden bereitzustellen, kommt es darauf an,

eine einheitliche Architektur mit den entsprechenden

Steuerfunktionen bereitzustellen. Die Temperatur ist

dabei so zu regeln, dass ein ordnungsgemäßer Betrieb

und eine langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet

sind, genauso bedarf es geeigneter Abschaltmecha-

nismen. Microchip hat ein einheitliches Funktions-

blockschaltbild für USB 2.0 und USB 3.1 entwickelt,

das die gleiche Architektur beibehält. Dabei führt der

im Hub integrierte Mikrocontroller (MCU) den PD-

Stack aus, bildet eine Schnittstelle zum Port-Cont-

roller und verwaltet die Versorgung des Media-Hubs.

Diese Architektur mit einer zentralisierten MCU kann

mehrere Funktionen gleichzeitig ausführen oder steu-

ern, so auch PD-Stack, Echtzeit-Power-Balancing

zwischen den USB-Ports und das Wärmeverhalten

durch Stromdrosselung zwischen verschiedenen Pow-

er Banks (Bild 2).

Alle Kompromisse innerhalb eines Systems berücksichtigenIm Gegensatz dazu müssen USB-Power-Delivery-

Lösungen, die für jeden Port konzipiert sind, eine

separate Steuerfunktion enthalten – meist in einer

diskreten MCU, um Leistungsabgleich, Leistungs-

drosselung und die Temperaturregelung durchzufüh-

ren. Daher enthalten die Smart-Hub-Familien von

Microchip seit jeher eine MCU, da sie diese Funktio-

nen mit minimalen bis keinen zusätzlichen Kosten

bezüglich der Stückliste (BOM) unterstützen. Die

Leistungsabgleich- und thermischen Algorithmen

lassen sich plattformübergreifend migrieren oder an

die jeweiligen Anforderungen eines Fahrzeugmodells

abstimmen. So könnte ein Pickup-Truck ein anderes

Power-Balancing-Modell haben als ein Pkw.

Mobile Schnittstellenanwendungen werden immer

beliebter und erfordern zunehmend mehr Bandbrei-

te wie auch ein schnelleres Laden, womit alle Kom-

promisse innerhalb eines Systems zu berücksichtigen

sind. Dazu gehören die Gesamtgeschwindigkeit der

benötigten USB-Technologie, die verfügbaren USB-

Anschlüsse der Head Unit, die für mobile Schnittstel-

lenanwendungen erforderliche Bandbreite, der zu

liefernde Strom, die Software-/Treiberstruktur samt

Pflegeaufwand sowie die Gesamtsystemkosten und

die Markteinführungszeit.

Microchip bietet eine Reihe Automotive-tauglicher

USB-Smart-Hub-Bausteine, die USB 2.0 Hi-Speed

und USB 3.1 Super-Speed abedecken. In diesen

Schaltkreisen steckt ein einheitlicher Funktionssatz

mit den üblichen Schnittstellen-Funktionen, damit

sich Systeme so auslegen lassen, dass sie den Anfor-

derungen der Entwickler entsprechen. Zudem bieten

sie Migrationspfade, die das Designrisiko deutlich

senken und die Markteinführungszeit für die Wei-

terentwicklung von Infotainment-Ökosystemen im

Fahrzeug minimieren. (jwa) ■

Bild 2: Blockschaltbild

des kürzlich vorge-

stellten USB7002 von

Microchip. Das IC um-

fasst die gleiche Ar-

chitektur wie USB-

2.0-Smart-Hubs, was

den Übergang zwi-

schen Systemen ver-

einfacht.


Impressum/Verzeichnisse


Autronic 19Bürklin 7Comsol 43Digi-Key Titelseite, 2. USEmtron 25, 29ET System electronic 27

Fischer 3Gaia Converter 16Heilind 37Instrument Systems 11Intermas-Elcom 33Kamaka 6

Layher 39LEM 15MCD 9Micro Crystal 16Mill-Max 35Mouser 4. US

Peak 13Schukat 17Schulz 21TRACO 31Turck duotec 23Würth Elektronik eiSos 5

ABB 7

Aimotive 48

Argo AI 6

ASAP 50

Aurora 6

BMW 7

Continental 7

Fiat Chrysler Automobiles 6

First Sensor 8

Flex Power Modules 26

Ford 6

Fraunhofer IOF 6

Globalfoundries 48

Harting 35

Hella 30

Hyundai Motor Group 6

Infineon Technologies 17

Kia Motors Corporation 6

Knorr-Bremse 7

Littelfuse 22

Melexis 12

Mentor 7

Microchip 54

Micronova 44

Minmax 30

Momenta 6

Nexperia 31

Northvolt 7

NXP Semiconductors 6

ODU 39

PCS 18

Pewatron 14

Phoenix Contact 32

Raztec Sensors 14

Recom Power 18

Renesas 47

Rohm 17

Scania 7

Siemens 7

TE Connectivity 36

Vattenfall 7

Vector Informatik 3, 40

Vestas 7

Volkswagen 6

Wrightspeed 14

Zabel Technik 39

ZF Friedrichshafen 6

Brehmer, Arne 40

Czarnecki, Nick 12

Domke, Daniel 36

Goff, Phil 26

Heinemann, Sebastian 50

Kieferl, Georg 44

Koester, Jens 36

Kreyling, Martin 50

Krink, Moritz 32

Leggio, Sebastiano 14

Pettigrew, Warren 14

Quecke, Hans 40

Roberts, Steve 18

Schillgalies, Marc 8

Sroka, Dave 54

Zimmermann, Michael 22

Unternehmen

Personen

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Das Themen-Magazin für Entwickler · Darstellung der Umgebung die Geschwin-digkeit abbildet. Bestimmend für die Auflö-sung eines Radars sind Antennenfläche und Anzahl der Kanäle: