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Auf diese Bits kann man verzichten!

Angenommen eine qualitativ hochwertige Wägezelle besitzt eine Ausgangs-Übertragungsfunktion von 2 mV/V. Sie liefert also pro Volt Anregungsspannung ±2 mV Ausgangssignal. Bei einer Anregungsspannung von 4,096 V und voller Sensorauslenkung ergibt sich eine maximale Ausgangsspannung von ±8,192 mV.

In einer 12-Bit-Anwendung – beispielsweise einer Haushalts-Personenwaage – könnte die Hälfte des Endwertes einem Gewichtsmessbereich von Null bis 113 kg entsprechen. Soll die Waage eine Auflösung von 113 g erreichen, so werden dafür 1000 Ausgangsmesspunkte benötigt. Um nun ein Tausendstel des vollen Messbereichs aufzulösen, muss eine Änderung der Sensorausgangsspannung um 8,192 µV erkannt werden können. Dies ist möglich, wenn man dafür sorgt, dass der Spitze-Spitze-Wert des Sensorrauschens für 99,999 % der Zeit geringer als 8,192 µV ist (unter Ansatz eines Crest-Faktors von 4.4, siehe [1]). Mit dieser Definition entspricht ein LSB (Least Significant Bit) auf der Sensorseite einer Spannung von 8,192 μV oder 931 nV (eff).

Bild 1: 12-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit von 113 g Bild 1: 12-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit von 113 g

Die Wägezellen-Messbrücke in Bild 1 wird mit einer Spannung von 4,096 V angeregt. Der Instrumentenverstärker INA326 verstärkt die Spannung der Lastzelle mit einem Faktor von 250 V/V. Somit erzeugt das System bei Vollausschlag eine Spannung von 250 x ±8,192 mV = ±2,048 V. Der 12-Bit-Wandler ADS7822 digitalisiert das Analogsignal.

Dieses 12-Bit-Wandlersystem benötigt ein aktives analoges Filter, das hier mit einem OPA333 aufgebaut ist. Der Zweck dieses Tiefpassfilters ist in erster Linie, die hochfrequenten Signalkomponenten am Eingang des A/D-Wandlers zu unterdrücken [2]. Da die Wägezelle in unserer Schaltung quasi im DC-Bereich arbeitet, begrenzen wir die Bandbreite auf 10 Hz. Die Bauelemente in Bild 1 kosten hierbei weniger als 6,00 US-Dollar.

Sehen wir uns nun zum Vergleich eine Wägezellenmessung mit einem 24-Bit-System an. In Bild 2 können wir das Wägezellensignal einfach über ein Tiefpassfilter erster Ordnung dem Delta-Sigma-A/D-Wandler zuführen. Das Tiefpassfilter erster Ordnung in dieser Schaltung eliminiert hochfrequentes Rauschen im Bereich um die Abtastfrequenz des Wandlers [3]. Den Widerstandsanteil des R-C-Filters steuert der Sensor bei.

Bild 2: 24-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit besser als 113 g Bild 2: 24-Bit-Wägezellensystem mit einer Genauigkeit besser als 113 g

Betrachtet man die Fehlergrößen des 24-Bit-Delta-Sigma-Systems in Bild 2, erkennt man, dass der ADS1232 eine Rauschspannung von 3,7 µVs-s produziert (bei einem angenommenen Crest-Faktor von 4,4). Dieser Wert liegt deutlich unter der LSB-Größe des Sensors. Der Vollausschlagsbereich des Delta-Sigma-Wandlers beträgt zudem 4,096 V, während der gesamte Sensor-Ausgangsspannungsbereich nur ±8,192 mV umfasst. Wie man sieht, bleiben die meisten Ausgangsbits des Delta-Sigma-Wandlers ungenutzt. Die Bauelemente in Bild 2 kosten weniger als 4,00 US-Dollar.

Fazit: Das 12-Bit-Wandlersystem ist letztlich teurer, nimmt mehr Platz auf der Leiterplatte in Anspruch und ist in der Dimensionierung kritischer als das alternative 24-Bit-System.

Bonnie C. Baker, Texas Instruments

Literatur

[1] “RMS and peak-to-peak noise trade-off“, Baker, Bonnie, EDN (15. Mai 2008)

[2] ”What’s in your SAR-ADC application?“ Baker, Bonnie, EDN (15. Dez. 2008)

[3] “Analog filter eases delta-sigma-converter design“, Baker, Bonnie, EDN (12. Juni 2008)

Marktreport Analog-IC und Datenwandler

Das auf die Halbleiter- und Elektronikindustrie spezialisierte Marktforschungsunternehmen Databeans geht davon aus, dass vor allem aus den Bereichen Kommunikationstechnik und Consumerelektronik in den nächsten fünf Jahren eine verstärkte Nachfrage nach Analogbausteinen erfolgen soll. Die Nachfrage nach Smartphones und tragbaren Geräten sowie der Bedarf im asiatisch/pazifischen Raum kurbeln den Markt an, hieß es seitens der Analysten.

Der Analogbereich ist auch der vielseitigste und profitabelste Markt der gesamten Halbleiterindustrie. Applikationsspezifische Standardprodukte (ASSPs) tragen dabei am meisten zum Umsatz bei; Leistungselektronik-ICs und Datenwandler weisen die höchsten Wachstumsraten auf.

In der Databeans-Rangliste 2011 nimmt Texas Instruments mit einem Marktanteil von 15,4% Platz 1 im Analog-IC-Markt ein, gefolgt von STMicroelectronics (9,8%), Infineon (5,9%), Analog Devices (5,8%) und Qualcomm (5,1%).

Im Bereich Datenwandler bleibt Analog Devices mit einem Marktanteil von 48,5% Spitzenreiter. Dahinter rangieren Texas Instruments (23,1%), Maxim (6,8%), Linear Technology (4,6%) und Intersil (2,5%).

Der mit Datenwandlern erwirtschafte Gesamt-Umsatz dürfte 2012 gegenüber dem Vorjahr um 6% steigen, prognostiziert das Marktforschungsunternehmen. 2011 hatte der Markt ein Volumen von 2,7 Mrd. US-Dollar (2010: knapp 3 Mrd. US-Dollar). Langfristig schätzt Databeans, dass der Markt für Datenwandler bis 2017 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 10 % verzeichnen dürfte.

„Grüner Strom“ aus Äpfeln, Orangen, Zitronen und Limetten

Jim Hensons Schöpfung Kermit, der Frosch, sagt: „Es ist nicht leicht, grün zu sein.“ Auch wir sind der Meinung, dass Energiesparen schwierig ist – aber auch unbedingt notwendig. Clevere Schaltungsentwickler und fortschrittliche Unternehmen erfüllen die diesbezüglichen Erwartungen ihrer Kunden. Beim Energiesparen kommt es auf kleinste Details an. Bei Energieeffizienz geht es um Microampere (µA). Zum Vergleich: eine 60W-Glühlampe verbraucht (bei 120 V Netzspannung) 0,5 A. Das sind 500.000 µA.

Warum muss man so genau messen? Weil die Summe aller Ströme zählt und weil man – wie bei jedem Budget – jede einzelne Kostenposition reduzieren muss, sei sie auch noch so klein. Es ist offensichtlich, dass die Verbraucher bei batteriebetriebenen Geräten großen Wert auf möglichst lange Batterielaufzeit legen. Bei netzbetriebenen Hausgeräten ist es weniger offensichtlich, dass auch sie Kosten verursachen, sobald sie an der Steckdose hängen – selbst im ausgeschalteten Zustand. Wenn bei einem Gerät im „ausgeschalteten“ Zustand eine Anzeige leuchtet, die signalisiert, dass das Gerät auf einen Fernsteuerungsbefehl, einen Tastendruck oder ein Timer-Signal wartet, verbraucht es Standby-Leistung.

Was kostet die Standby-Leistungsaufnahme? Die oben erwähnte 60-W-Glühlampe verursacht, wenn sie rund um die Uhr eingeschaltet ist, monatliche Stromkosten in Höhe von US-$ 14,65*. Ein Hausgerät, das im Standby-Modus 1 W verbraucht, verursacht Stromkosten in Höhe von US-$ 0,25, ohne irgend jemandem zu nutzen. Gehen Sie einmal durch eine typische Wohnung und zählen Sie die dort vorhandenen Hausgeräte, Fernsehapparate, Radios, Stereoanlagen, Computer, Garagentoröffner, Mikrowellenherde, Waschmaschinen, Wäschetrockner, Heizlüfter und Rasensprenger. Und zählen Sie die Akkuladegeräte noch dazu. Sie kommen leicht auf 20 Geräte, die im Standby laufen, und die meisten davon verbrauchen dabei mehr als 1W.

So weit die guten Nachrichten. Die schlechte Nachricht ist, dass eine Kabel-TV-Set-Top-Box im Betrieb 80 W und im Standby 79 W verbrauchen kann (Kosten: US-$ 19,53 bzw. 19,30). Eine Satelliten-Set-Top-Box kann sowohl im Betrieb als auch im Standby-Modus 120 W verbrauchen – und damit Stromkosten in Höhe von US-$ 29,30 verursachen.

Aber die monatlichen Stromkosten sind nur ein Aspekt – als verantwortliche Erdenbürger müssen wir auch die Auswirkungen auf die Umwelt bedenken. Als Schaltungsentwickler können wir durch sorgfältige Bauteilauswahl zum Umweltschutz beitragen – und glücklicherweise sind stromsparende Bauteile nicht unbedingt teurer. Da die Strukturbreiten von ICs mit jeder Generation kleiner werden, sind neuere ICs tendenziell energieeffizienter.

Bild 1: Ein Spannungsreferenz-IC wird durch eine Zitronenbatterie gespeist
Bild 1: Ein Spannungsreferenz-IC wird durch eine Zitronenbatterie gespeist

Was hat das alles mit Äpfeln, Orangen, Zitronen und Limetten zu tun? Und wie lässt sich anhand dieser Früchte „grüne“ Technologie demonstrieren? Nun ja, wenn eine Story medienwirksam sein soll, muss sie eine eingängige Überschrift haben. Die Überschrift besagt, dass ICs von Maxim so wenig Strom verbrauchen, dass eine „Obstbatterie“ – bestehend aus ein paar Äpfeln, Orangen, Zitronen oder Limetten – als Energiequelle genügt. Bild 1 zeigt eine solche Schaltung.

Batterie aus Obst

Diese 3,6-V-Batterie besteht aus vier Zitronenzellen. Jede Zelle liefert eine Spannung von 0,9 V bei Strömen bis zu etwa 100 μA. Die Spannungsreferenz MAX6029 liefert eine präzise Referenzspannung von 2,5 V und zieht einen maximalen Strom von 5,5 μA. Bild 1 illustriert den extrem geringen Stromverbrauch dieses IC.

Die Batteriespannung wird in erster Linie durch die chemischen Eigenschaften der Kupfer- und Zink-Elektroden bestimmt. Viele Früchte- und Gemüsesorten können als Batterien fungieren. Äpfel, Orangen, Zitronen, Limetten, Grapefruit und Kartoffeln liefern allesamt Spannungen zwischen 0,88 und 0,95 V pro Zelle. Die Farbe der Batterie ist eigentlich egal, aber wenn wir behaupten, durch Verwendung von Zitronen „grüner“ zu werden, dann ergibt das eine Überschrift, die die Story interessant macht.

Einer Schätzung zufolge werden etwa 10% des gesamten Strombedarfs von Haushalten durch Geräte im Standby-Modus verschwendet.² Das Energy Star-Programm, das von der US-Umweltschutzbehörde und dem U.S. Department of Energy ins Leben gerufen wurde, schätzt, dass 129 Millionen Haushalte durchschnittlich jeweils US-$ 2200 pro Jahr für elektrische Energie ausgeben.³ Aus diesen Zahlen kann man leicht errechnen, dass die Energievergeudung im Standby-Modus jährliche Kosten von etwa US-$ 28,3 Milliarden verursacht. Das ist eine atemberaubende Zahl – insbesondere wenn man bedenkt, dass der Standby-Modus nur dazu dient, dass wir es uns als Couch Potatoes bequem machen können. Wenn wir einfach aufstehen und einen Schalter betätigen würden, könnten wir uns diese Ausgabe ersparen.

Angesichts der Tatsache, dass wir US-$100 im Jahr sparen können, bekommt das Wort „grün“ auf einmal einen sehr angenehmen Klang. Jetzt, da wir wissen, was Energieeffizienz für jeden von uns persönlich bedeutet, können wir unsere Umweltschutzbemühungen nochmals verdoppeln. Zwar ist ein Microampere ein winzig kleiner Wert, doch angesichts von Milliarden Menschen auf der Welt macht die Summe einen gewaltigen Betrag aus.

Der Autor Bill Laumeinester ist als Strategic Application Engineer bei Maxim in Sunnyvale /USA tätig .

*Die Strompreise für Haushalte sind von Ort zu Ort unterschiedlich und zeitabhängig. Die zugrunde gelegten Preise galten für Haushalte in Nordkalifornien zum Zeitpunkt der Drucklegung dieses Applikationsberichts.

 

Weiterführende Literatur

¹“What are energy vampires and what can I do about them?“ ENERGY STAR (Stand: 27. September 2011).

²“Standby Power“ in Wikipedia, The Free Encyclopedia (Stand: 27. September 2011).

³“Where Does My Money Go?“ ENERGY STAR (Stand: 27. September 2011).