Analogtipp Echtzeitsysteme: Drei Tipps für die Sensorauswahl

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Sensorik basiert auf der Messung von externen Variablen wie Spannung, Strom, Motordrehzahl, Position, Feuchte und Temperatur. Die Reaktionszeit, Kommunikationsgeschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Sensors bestimmen die Echtzeitfähigkeit des Systems. Das müssen Sie bei der Auswahl beachten.

Systeme werden als echtzeitfähig bezeichnet, wenn sie in der Lage sind, innerhalb eines bestimmten Zeitfensters Daten zu erfassen und zu verarbeiten und das System anschließend zu aktualisieren.

Dabei kann es um das Regeln der Motordrehzahl oder der Ausgangsleistung einer Elektroauto-Ladestation gehen oder um die Abstandsmessung bei einer Einparkhilfe.

Für ihre Funktion sind derartige Systeme auf externe Messgrößen wie Spannungen, Ströme, Drehzahlen, Positionen, Feuchte oder Temperaturen angewiesen. Erfasst werden diese Größen mit Sensoren, deren Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit unabhängig von der Anwendung wichtig sind.

Tipp 1: Wählen Sie einen Sensor, der innerhalb des Zeitfensters Daten erfasst und übermittelt

Zunächst einmal muss der Sensor so schnell sein, dass er die jeweilige Messgröße innerhalb des definierten Zeitfensters erfassen, in ein entsprechendes Signal umwandeln und dieses Signal ausgeben kann.

In einem Elektroauto-Batteriesatz etwa werden die Temperaturen der Batteriezellen von mehr als 40 Sensoren erfasst, um die Betriebssicherheit zu bewahren und die Effizienz des Ladevorgangs zu optimieren. Würde man einzeln verkabelte NTC-Widerstände für diesen Zweck verwenden, würden zusätzliches Gewicht und Kosten entstehen.

Besser geeignet ist ein Temperatursensor wie der TMP1826, der ein Single-Wire-Protokoll unterstützt und so den Verkabelungsaufwand verringert, wie Bild 1 deutlich zeigt. Sobald jedoch mehrere Sensoren an einen gemeinsamen Bus angeschlossen sind, muss die Übertragungsrate ausreichend hoch sein, damit der Regler die Temperaturwerte aller angeschlossenen Sensoren im festgelegten Zeitfenster auslesen kann.

Der TMP1826 unterstützt hier nicht nur die üblichen Übertragungsraten, sondern bietet zusätzlich einen Overdrive-Modus mit einer Datenrate von 90 kBit/s, der für eine geringere Kommunikationslatenz sorgt, sodass die Echtzeitfähigkeit gewahrt werden kann.

Tipp 2: Wählen Sie einen präzise messenden Sensor und minimieren Sie externe Fehler

Messungen in Echtzeitsystemen müssen jedoch nicht nur schnell, sondern auch präzise erfolgen. An erster Stelle steht hierbei die Wahl eines möglichst genauen Sensors. Je exakter beispielsweise die Position eines Roboterarms erfasst wird, umso größer ist die Chance, mechanische Toleranzen zu reduzieren.

Mit einem präzisen Halleffekt-Positionsgeber wie dem TMAG5170 lässt sich die Position eines Motors exakt erfassen, sodass das betreffende Echtzeitsystem schnell auf Änderungen der Winkelstellung reagieren und die Position korrigieren kann.

Selbstverständlich müssen auch beim Design der Sensor-Signalkette die Regeln der Technik beachtet werden, um Fehler zu eliminieren oder zumindest einzugrenzen.

Tipp 3: Wählen Sie einen zuverlässigen Sensor, der dem Einsatzprofil entspricht

Geschwindigkeit und Genauigkeit sind ohne Zweifel erfolgsentscheidend für Echtzeitsteuerungen. Ein drittes wichtiges Kriterium ist die Zuverlässigkeit des Sensors unter Berücksichtigung der angestrebten Lebensdauer sowie der Umgebungsbedingungen des Systems.

Ein vielleicht extremes Beispiel sind Satelliten, die durch starke mechanische Vibrationen, harte Strahlung und extreme Temperaturschwankungen gekennzeichnet sind.

Echtzeitregelungen findet man in Raumfahrt-Anwendungen beispielsweise in den Stromerzeugungs- und -verteilungssystemen. CSAs (Current-Sense Amplifiers) überwachen hier den Eingang der Hauptversorgung, um Überströme zu erfassen. Kommt es zu Überströmen, schaltet der jeweilige Prozessor die elektronischen Subsysteme ab und vermeidet dadurch Schäden.

CSA-Bausteine wie INA901-SP und INA240-SEP kommen in weltraumoptimierten, strahlungsfesten Kunststoffgehäusen, die eine hohe Messgenauigkeit gewährleisten und Echtzeitregelungen auch in Space-Anwendungen ermöglichen. (kr)

* Bryan Padilla ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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