Die Nachhaltigkeit ist bezüglich Energie- und Ressourceneffizienz ein Schlüsselfaktor für den Erfolg einer globalen Fertigungsindustrie. Der zunehmende Fokus auf die Implementierung von energieeffizienten Lösungen sowohl in den verfahrenstechnischen als auch produzierenden Industrien fördert die nachhaltige Produktion ebenfalls. Anhand eines Beispiels wird klar, dass die Bedeutung der Energieeffizienz das Geschäft mit Elektromotoren durch die Energieklasse IE3 dominiert.
Energieverbrauch eines Systems lässt sich auf zwei Arten beeinflussen
Fabriken der Zukunft werden von Megatrends getrieben, wie Cyber Physical Systems, Cloud Computing, Cyber Security sowie mobilen und drahtlosen Techniken. Entsprechend treibt die Notwendigkeit einer höheren Produktivität und eines höheren Wirkungsgrades die Firmen dazu, eine grössere Kopplung zwischen den Fabrikationshallen und dem Unternehmen über alle Endanwender hinweg einzusetzen. Die Anlagenwirtschaft und die flexible Fertigung treiben die Integration der Fabrikation tatkräftig voran, und es gibt ein grosses Potenzial für die Automatisierung und kundenspezifische Servicelösungen in industriellen Anwendungen.
Als nächster Punkt kommt die Minimierung des Energieverbrauchs eines Systems, die sich auf zwei unterschiedliche Arten beeinflussen lässt. Erstens durch das Maximieren des Wandlungswirkungsgrads über den gesamten Bereich der Lastströme und zweitens durch Reduzieren des Ruhestroms, der von den DC/DC-Wandlern in allen Betriebsarten gezogen wird. Deshalb müssen Leistungswandlungs- und -Management-ICs einen höheren Wirkungsgrad haben, um eine aktive Rolle bei der Reduzierung des Energieverbrauchs des Gesamtsystems übernehmen zu können.
Es kann bis zu 50 unterschiedliche POL-Spannungspegel geben
Als Beispiel kann man dazu ein eingebettetes System betrachten, wie man es in vielen industriellen Automatisierungssystemen vorfindet. Diese eingebetteten Systeme werden üblicherweise über eine 48-V-Backplane versorgt. Die Spannung wird normalerweise auf eine geringere Zwischenbusspannung von typisch 12 bis 3,3 V herabgewandelt, um die Baugruppen in den Systemgestellen zu versorgen. Die meisten Sub-Schaltungen oder ICs auf diesen Baugruppen benötigen jedoch Betriebsspannungen von unter 1 bis zu 3,3 V mit Strömen, die von wenigen 10 mA bis zu Hunderten an Ampere reichen. Als Ergebnis sind POL-DC/DC-Wandler (point of load) nötig, um die Spannung des Zwischenbusses auf die für Sub-Schaltungen oder ICs erforderliche Spannung zu wandeln. Diese Spannungspegel haben strenge Anforderungen an das sequenzielle Ein-/Ausschalten, die Spannungsgenauigkeit, den Spielraum und die Überwachung.
Weil es in Datenkommunikations-, Telekommunikations- oder Speichersystemen bis zu 50 unterschiedliche POL-Spannungspegel geben kann, brauchen die Entwickler eine einfache Methode, um diese Spannungspegel bezüglich ihrer Ausgangsspannung, dem sequentiellen Ein-/Ausschalten und dem maximal erlaubten Strom zu managen. Einige Mikroprozessoren erfordern, dass ihre Ein- und Ausgangsspannung (I/O) vor ihrer Kernspannung ansteigt, andererseits erfordern einige digitale Signalprozessoren (DSPs), dass ihre Kernspannung vor ihren I/Os ansteigt. Deshalb braucht es eine einfache Methode, um die Systemleistung zu optimieren und eine spezifische Konfiguration für jeden DC/DC-Wandler abzuspeichern.
Schnelle Komparatoren überwachen Spannungspegel
Um darüber hinaus teure applikationsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) vor einer Überspannung zu schützen, müssen schnelle Komparatoren die Spannung all dieser Spannungspegel überwachen, um bei Überschreitungen sofort Schutzmassnahmen einleiten zu können. In einem digitalen Leistungssystem kann der Host via Alarmleitung des PMBus benachrichtigt werden, wenn ein Fehler auftritt, und die entsprechenden Pegel lassen sich zum Bauteilschutz abschalten. Dazu braucht es hohe Genauigkeit und schnelle Reaktionszeiten.
Im Bereich der grossen Innovationen ist es nicht immer leicht, den Endverbrauchern die Bedeutung der jeweiligen Innovation zu vermitteln. Solarzellen und Windräder haben sich im Markt als saubere Energielieferanten etabliert. Neue Speichertechnologien erlauben es uns zunehmend, elektrische Energie auch aus anderen Quellen in der Umgebung zu gewinnen. Neben dem Wirkungsgrad spielt dabei auch die durchschnittlich gewonnene Energie eine wichtige Rolle. Thermoelektrische Generatoren wandeln z. B. Wärme in Elektrizität, Piezoelemente wandeln mechanische Vibrationen und photovoltaische Elemente wandeln Sonnenlicht oder jede andere Photonenquelle in Elektrizität um.
Vielversprechende Lösungen
Es ist offensichtlich, dass es für diese neuen Arten der Energiegewinnung ein effizientes Energiemanagement braucht. Dies ist nicht nur gut für das Geschäft, sondern auch für die Umwelt. Wo findet man jedoch die geeigneten Produkte, mit denen man solche Systeme entwickeln kann? Viele der neueren Power-Management- und -Wandler-ICs von Linear Technology haben einen höheren Wirkungsgrad sowie digitale Telemetrie und Schnittstellen.
Der Einsatz eines seriellen digitalen Standardbusses erlaubt eine einfache und effiziente Kommunikation zu und von digital ausgerüsteten DC/DC-Wandlern. Neu aufkommende Standards, wie der PMBus, vereinfachen dazu die Interoperabilität der einzelnen Komponenten. Wichtige Reglerparameter wie Einschaltcharakteristika und Timing, Ausgangsspannungen und Strombegrenzungen, Spezifikationen des Spielraums sowie Überwachungsgrenzen für Über- und Unterspannung, lassen sich alle direkt digital programmieren. Weiterhin lassen sich kritische Parameter wie Temperatur, Ein- und Ausgangsspannungen oder Ströme routinemässig überwachen und dazu benutzen, die Systemleistung und Zuverlässigkeit zu optimieren. Wenn die digitale Leistungssteuerung korrekt gemacht wird, kann sie den Energieverbrauch in Datenzentren senken, die Markteinführungszeit verkürzen, exzellente Stabilität und hervorragendes Einschwingverhalten generieren und die Zuverlässigkeit des gesamten Systems steigern, wie z. B. in Netzwerk-Equipment.
Spezielle Energy-Harvesting-Bauteile
Die digitalen Leistungs-ICs der LTC388x-Familie bieten, durch die Programmierbarkeit mit hoher Auflösung und schneller Telemetrie zur Steuerung und Überwachung von wichtigen Point-Of-Load-Wandlerfunktionen in Echtzeit, ein sehr exaktes, digitales Leistungs-Systemmanagement. Der LTC3880 ist z. B. ein verlustleistungsarmer, synchroner abwärtswandelnder Controller mit zwei Ausgängen und einem I²C-basierten PMBus-Interface mit über 100 Befehlen und einem integrierten EEPROM. Der Baustein kombiniert einen analogen Schaltregler mit einer präzisen Mixed-Signal-Datenwandlung für ein extrem einfaches Design und Management eines Power-Systems, das noch vom Softwareentwicklungssystem mit einfach anzuwendender, grafischer Bedienoberfläche, LTPowerPlay, unterstützt wird. Für die Ernte von geringen Energiemengen, wie sie für drahtlose Sensoren in der Industrie oder sogar für Wearables verwendet wird, gibt es speziell den LTC3331. Der LTC3331 ist eine vollständige, regelnde Energieernte-Lösung (EH – Energy Harvesting), die bis zu 50 mA konstanten Ausgangsstrom liefert. So lässt sich die Batteriebetriebszeit verlängern, wenn Energie verfügbar ist. Der Chip benötigt keinen Versorgungsstrom aus der Batterie, wenn geregelte Leistung aus der geernteten Energie an den Verbraucher geliefert wird, und nur 950 nA im Betrieb, wenn er ohne Last aus der Batterie versorgt wird. Der LTC3331 enthält eine Hochspannungs-EH-Stromversorgung plus einen synchronen DC/DC-Auf-/Abwärtswandler, die aus einer wieder aufladbaren Primärbatterie versorgt werden.
Zusammenfassung
Es gibt viele Produkte, die dabei helfen, das Leben komfortabler, produktiver und einfacher zu machen. Einer der grössten Kostennachteile ist jedoch der Raubbau an unseren natürlichen Ressourcen. Nichtsdestotrotz, die Gesellschaft lässt nichts unversucht, die potenziell negativen Auswirkungen abzumildern. Sehr wichtig ist daher der verantwortungsvolle Umgang mit unseren Energieressourcen. Eine der effektivsten Methoden ist das effiziente Energiemanagement von industriellen Automatisierungssystemen, Kommunikationsausrüstungen und Netzwerkinfrastruktur.
Datenblatt LTC 3331:
Infoservice
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