das themen-magazin für entwickler · darstellung der umgebung die geschwin-digkeit abbildet....
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2 elektronik journal 06 / 2019
www.all-electronics.de
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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
alfred.vollmer@huethig.de
Vom Auto ins Flugzeug: Testen
für FortgeschritteneVector Informatik
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Wir stellen aus:MES Expo in Berlin vom 05.-07.11.19
4 elektronik journal 06/2019
Juli 2019
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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
08
Perfekt kombiniert:
Ergänzend zum gedruckten Heft finden
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SYSTEME
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
18 32 40
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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.
infoDIREKT 312ael0619
Umgebungserkennung in neuer Dimension
Hochauflösendes Full-Range-Radar für das automatisierte Fahren
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: ZF F
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Das ZF-Full-Range-Radar erfasst den Elevationswinkel.
200.000 einzeln steuerbare MikrooptikenSegmentiertes LED-Fernlicht soll das Blenden verhindern
Bild
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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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Wissenschaftler des Fraunhofer-Ins-
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.
infoDIREKT 101ael0819
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.
infoDIREKT 103ael0819
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.
infoDIREKT 107ael0819
NXP und Momenta kooperieren bei
Driver Monitoring-Systemen.
VW will laut Bloomberg mit der
Ford-Gründung Argo AI kooperieren.
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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.
infoDIREKT 900ael0619
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 .
infoDIREKT 106ael0819
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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8 elektronik journal 06/2019
Bauelemente Lidar
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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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Wir prüfen das Unmögliche
Die menschliche Wahrnehmung
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Wie lang ist der rechte Fühler der Ameise links, neben der mit der gelben Handtasche?
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.
10 elektronik journal 06/2019
Bauelemente Lidar
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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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Angebot gültig bis 31. Juli 2019
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) ■
12 elektronik journal 06/2019
Bauelemente Magnetfelderkennung
www.all-electronics.de
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
: Pat
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tock
www.all-electronics.de
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
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Magnetsensoren kommen in einer Vielzahl an Anwendungen im Fahrzeug zum Einsatz.
14 elektronik journal 06 / 2019
Bauelemente Strommesssonde
www.all-electronics.de
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
Bauelemente Strommesssonde
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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LDSR-SerieNeue Kompensationsstromwandler, die auf einem eigens entwickelten Hall-Effekt-ASIC von LEM basieren, messen den Leckstrom bis zu einer Frequenz von 2 kHz. Der Wandler kommt in transformatorlosen Fotovoltaik-/PV-Wechselrichtern im häuslichen Bereich zum Einsatz. Er misst Wechselstrom- und Gleichstromfehlerströme und gewährleistet die Sicherheit der Personen in der Installationsumgebung.Die LDSR-Wandler bieten zu einem wettbewerbsfähigen Preis kleine Abmessungen und halten alle gesetzlichen Vorschriften ein. Sie sind aufgrund ihres geringen Platzbedarfs und einfachen Aufbaus auch eine hervorragende Alternative zu teureren Fluxgate-Lösungen.
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
c/Pe
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Bild 1: Konventionelle
Strommessung mit mag-
netischem Ringkern.
16 elektronik journal 06 / 2019
Bauelemente Strommesssonde
www.all-electronics.de
Autoren Warren Pettigrew
CTO von Raztec Sensors
Sebastiano Leggio
Produktmanager bei Pewatron
infoDIREKT 904ejl0619
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
www.all-electronics.de
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) ■
infoDIREKT 403ejl0619
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) ■
infoDIREKT 909ejl0619
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
18 elektronik journal 06/2019
Power DC/DC-Wandler
www.all-electronics.de
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
Power DC/DC-Wandler
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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
20 elektronik journal 06/2019
Power DC/DC-Wandler
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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.
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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.
22 elektronik journal 06/2019
Power Sicherungen
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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
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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.
24 elektronik journal 06/2019
Power Sicherungen
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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
infoDIREKT 802ejl0619
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) ■
26 elektronik journal 06/2019
Power Module
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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
er u
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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
AC- undDC-Quellen
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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.
28 elektronik journal 06/2019
Power Module
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 801ejl0619
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DC/DC-WANDLER FÜR DEN TRANSPORTBEREICH
für den Einsatz in rauer Umgebung
4:1 Eingangsspannungsbereich
EN50155, EN45545-2
4000VDC I/O Isolation
Temperaturbereich von -40 bis +70°C
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30 elektronik journal 06/2019
Power Highlights
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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) ■
infoDIREKT 402ejl0619
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) ■
infoDIREKT 905ejl0619
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
Power Highlights
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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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MOSFETs mit hoher Leistungsdichte
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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) ■
infoDIREKT 906ejl0619
Das 8 × 8 mm² große Package ermöglicht eine
48-fache Erhöhung der Leistungsdichte in MOSFETs.
32 elektronik journal 06/2019
Elektromechanik Signalverdrahtung
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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
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Elektromechanik Signalverdrahtung
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.
34 elektronik journal 06/2019
Elektromechanik Signalverdrahtung
www.all-electronics.de
AutorMoritz Krink
Produkt-Manager, Industrial Cabi-
net Connectivity, Phoenix Contact,
Blomberg
infoDIREKT 600ejl0619
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.
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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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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.
www.all-electronics.de
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
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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
infoDIREKT 400ejl0619
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) ■
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KONTAKTSYSTEM ODU TURNTAC
Flexibilität beim Kontaktdesign
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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
40 elektronik journal 06/2019www.all-electronics.de
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
ecto
r Inf
orm
atik
Tools + Testen Luftfahrt
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
42 elektronik journal 06/2019
Tools + Testen Luftfahrt
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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.
Tools + Testen Luftfahrt
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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.
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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) ■
infoDIREKT 311ael0819
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.
44 elektronik journal 06/2019www.all-electronics.de
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
Tools + Testen Monitoring für Bahnfunk
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.
46 elektronik journal 06/2019www.all-electronics.de
Tools + Testen Monitoring für Bahnfunk
AutorGeorg Kieferl
Leiter Telco Solutions bei Micronova
infoDIREKT 401ejl0619
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
elektronik journal 06/2019 47
Tools + Testen Highlight
www.all-electronics.de
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
infoDIREKT 803ejl0619
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.
infoDIREKT 803ael0519
50 elektronik journal 06/2019
Systeme KI-Einsatz
www.all-electronics.de
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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dobe
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elektronik journal 06/2019 51
Systeme KI-Einsatz
www.all-electronics.de
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
52 elektronik journal 06/2019
Systeme KI-Einsatz
www.all-electronics.de
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.
elektronik journal 06/2019 53
Systeme KI-Einsatz
www.all-electronics.de
AutorenSebastian Heinemann
arbeitet als Bereichsleiter Softwareentwick-
lung bei ASAP
Martin Kreyling
arbeitet als Leiter Softwareentwicklung Funk-
tions- und Framework-Entwicklung
bei ASAP
infoDIREKT 404ejl0619
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.
54 elektronik journal 06/2019
Systeme USB 3.1
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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
elektronik journal 06/2019 55
Systeme USB 3.1
www.all-electronics.de
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
56 elektronik journal 06/2019
Systeme USB 3.1
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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
elektronik journal 06/2019 57
Systeme USB 3.1
www.all-electronics.de
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.
58 elektronik journal 06/2019
Impressum/Verzeichnisse
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Autronic 19Bürklin 7Comsol 43Digi-Key Titelseite, 2. USEmtron 25, 29ET System electronic 27
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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
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Aurora 6
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Continental 7
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Kia Motors Corporation 6
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Raztec Sensors 14
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Renesas 47
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Scania 7
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Vattenfall 7
Vector Informatik 3, 40
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Kieferl, Georg 44
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Kreyling, Martin 50
Krink, Moritz 32
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Pettigrew, Warren 14
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