Halbleiterbausteine für die Vernetzung Smarte ICs für Smart Cities

Sensorgesteuerte Straßenbeleuchtung und Zustandsüberwachung von Gebäuden sind Teil von Smart-City-Konzepten. Für die Umsetzung werden Halbleitersensoren, Leistungshalbleiter, Steuerbausteine mit hohem Integrationslevel sowie Sicherheits-ICs benötigt.

Bis 2022 werden 56 % der Weltbevölkerung in Städten leben, bis 2050 sogar fast 70 %. Die weltweite Urbanisierung bringt viele Herausforderungen und Probleme mit sich, bedingt durch das Bevölkerungswachstum, die zunehmende Verkehrsdichte und die immer komplexeren Infrastrukturen. Parallel dazu steigen die Anforderungen hinsichtlich Sicherheit und Datenschutz. Als Lösung für die vielfältigen Herausforderungen werden Smart Cities angesehen.

In Smart Cities kann durch Sensorik und Vernetzung die Lebensqualität erhöht werden. Dafür müssen Funktionen wie Verkehrs- und Gebäudemanagement, Parksteuerung, Notfallsysteme, Umweltüberwachung, Warn- und Sicherheitsfunktionen sowie Mechanismen für eine verbesserte Energieeffizienz implementiert werden. Die Komponenten dafür sind nicht selten Halbleiterbausteine. Vier Anwendungsbeispiele, die auf künstlicher Intelligenz basieren, sind in Bild 1 gezeigt.

Ein typisches Smart-City-Konzept ist die intelligente Straßenbeleuchtung. Intelligent bedeutet hier, dass Sensorik zur Umgebungserfassung, ein Mikrocontroller oder Prozessor und ein Kommunikationsmodul in der Leuchte integriert sind. Die Beleuchtung von Gehwegen, Radwegen und Straßen erfolgt hiermit bedarfsangepasst und effizienter, da die Leuchten die Wetter- und Umgebungsbedingungen per Sensorik erfassen und ihre Helligkeit anpassen. Außerdem kann eine smarte Straßenlaterne die Einwohner mit WLAN versorgen und die Luftqualität messen. An wichtigen Punkten lässt sich das Verkehrsaufkommen messen und an die Verkehrsleitzentrale übermitteln. Die Straßenleuchte kann Autofahrern auch freie Parkplätze oder Ladestationen auf dem Smartphone anzeigen oder selbst als Ladestation fungieren.

Smarte Straßenlaterne

Für eine bedarfsangepasste Beleuchtung ist Sensorik zur Umgebungserkennung nötig. Verkehrssituationen oder die Anwesenheit von Personen lässt sich über ein 24-GHz-Radarmodul erfassen, um die Beleuchtung anzupassen und den Strombedarf zu verringern. Der Radarsensor ermöglicht die Erkennung, ob und wie schnell sich beispielsweise ein Fußgänger oder ein Auto der Straßenlaterne nähert. Die Auswertung der Daten übernimmt ein Mikrocontroller. Mit den Radarsensoren stellt sich die intelligente Straßenlaterne auch auf Umweltbedingungen ein. Ist das Wetter schlecht (z.B. Nebel oder Schneefall), wird das Licht heller. Das erhöht die Sicherheit und den Komfort der Verkehrsteilnehmer.

Ein LED-Treiberbaustein sorgt dabei u.a. für eine effiziente Regelung durch erweiterte Funktionen. Beispielsweise können mit dem LED-Treiber automatisch Fehlerzustände der Beleuchtung ausgewertet werden. Der gesamte Kommunikationsweg lässt sich über Sicherheitscontroller verschlüsseln, um einen Zugriff durch Unbefugte zu unterbinden. Infineon bietet für Straßenbeleuchtungen die digitalen LED-Treiber XDP an, 24-GHz-Radarsensoren, die Mikrocontroller-Produktfamilie XMC und Sicherheitscontroller aus der Produktfamilie OPTIGA.

Die Straßenlaterne lässt sich mit weiteren Sensoren ausstatten. Zum Beispiel messen Gassensoren die Luftqualität in der Umgebung. Werden definierte Grenzwerte überschritten, kann über eine Cloud-Anbindung automatisiert eine Meldung an eine kommunale Leitstelle verschickt werden. Ausgerüstet mit Hochfrequenztechnik, kann die Straßenlaterne als Basisstation für den 5G-Mobilfunkstandard fungieren.

Verbesserte Energieeffizienz

Effiziente Ressourcennutzung wird aktuell auf allen Gesellschaftsebenen diskutiert. Ein relevanter Bereich ist dabei die Energieversorgung von Gebäuden. Allein in der EU entfallen auf Gebäude 40 % des Energiebedarfs und 36 % der CO2-Emissionen. Gleichzeitig wurden 75 % des bestehenden Gebäudebestands in der Europäischen Union als energetisch ineffizient bewertet [1]. Deshalb hat sich die Europäische Union auf ein neues Regelwerk für die Richtlinie zur Energieeffizienz von Gebäuden geeinigt. Sie fordert von den EU-Mitgliedern die Ratifizierung nationaler Richtlinien zur Verbesserung der Energieeffizienz im Gebäudesektor. In dieser Richtlinie ist das sog. intelligente Gebäude ein Schlüsselelement.

Smart Buildings

Im Gegensatz zum Begriff Smart Home bezieht sich Smart Building nicht auf Wohngebäude, sondern auf Bürogebäude, Einkaufszentren, Hotels etc. Durch Sensoren und die Vernetzung der Geräte innerhalb der Gebäude sind detailliertere Einblicke als bisher in die Nutzung eines Gebäudes möglich und Entscheidungen zur Optimierung des Betriebsablaufs können automatisiert werden.

Intelligente Deckenleuchten kombinieren beispielsweise Leistungshalbleiter mit Sensoren und ermöglichen eine effiziente Gebäudenutzung. In diesen Systemen kann der digitale LED-Treiber XDPL8221 relevante Fehlerzustände wie Unterspannung, Überspannung, Lastunterbrechung oder Kurzschluss am Ausgang des LED-Treibers überwachen. Zusätzlich ermöglicht ein 24-GHz-Radarsensor Präsenzerkennung und Personenzählung, sodass das System zur Minderung des Strombedarfs das Licht bei Abwesenheit von Personen dimmen kann. Weiterhin können diese Daten dem Gebäudemanagementsystem und dem Gebäudebetreiber zur weiteren Analyse und Optimierung zur Verfügung gestellt werden.

Im Gebäude installierte Sensoren erfassen Umweltinformationen sowie Daten über Betrieb und Nutzung eines Gebäudes. Diese Daten können entweder direkt im Sensorknoten verarbeitet (Edge Computing) oder an ein zentrales Gebäudemanagementsystem gesendet werden. Diese Informationen leiten dann beispielsweise automatisch Anpassungen in HLK (Heizung, Lüftung, Klimatechnik)- oder Beleuchtungssystemen, Verschattung und anderen Gewerken innerhalb eines Gebäudes ein. Neue Anwendungsfälle entstehen dadurch, dass Sensoren, Aktoren und Steuereinheiten bereichsübergreifend miteinander vernetzt sind. Beispielsweise kann die Belüftung unter Berücksichtigung der Raumluftqualität und der CO2-Werte in den Räumen gesteuert oder die Beleuchtung automatisch je nach Anwesenheit von Personen und zusätzlichen Faktoren wie der Raumhelligkeit angepasst werden. Abhängig vom Vernetzungs- und Automatisierungsgrad eines Gebäudes können verschiedene Stufen der intelligenten Vernetzung unterschieden werden:

  • Basisvernetzung einzelner Gewerke mit einem Gebäudemanagementsystem (Einstiegslevel)
  • Erweiterte Steuerungs- und Kontrollmöglichkeiten über mehrere integrierte Gewerke einschließlich sensorgestützter Datenerfassung (mittlerer Level)
  • Umfassende Steuerungs- und Kontrollmöglichkeiten über alle Gewerke mit bereichsübergreifender Vernetzung (hoher Level)

Solche Konzepte können für Neubauten schon in der Planungsphase berücksichtigt werden. Bestandsgebäude lassen sich im Zuge einer Modernisierung zu einem Smart Building nachrüsten. Eine Möglichkeit zur Stromversorgung und Vernetzung von Geräten ist Power over Ethernet (PoE).

Power over Ethernet

Mit Einführung der von IEEE standardisierten Power over Ethernet (PoE) Typen 1 und 2 der ersten Generation konnten sowohl die Stromversorgung als auch die Konnektivität über Ethernet-Verkabelung für mehrere angeschlossene Geräte (Powered Devices, PDs) realisiert werden. Dabei wird nur eine einzige physische Verbindung benötigt. Die Vorteile sind ein reduzierter Verkabelungsaufwand und ein einfacheres Gerätemanagement. So sinken Installations- und Betriebskosten.

Mit der Veröffentlichung des IEEE 802.3bt Standards im September 2018 wurden für Power over Ethernet die Typen 3 und 4 definiert, bei denen alle vier Paare der Ethernet-Verkabelung verwendet werden. Dadurch steigt die verfügbare Leistung pro Anschluss von 30 W auf 100 W und PoE wird interessant für Anwendungen mit höherer Leistungsaufnahme, z.B. PoE-betriebene 5G-Small-Cells, LED-Leuchten, WLAN Access Points oder öffentliche Lautsprecheranlagen.

Der neue PoE-Standard stellt allerdings zusätzliche Herausforderungen an das Design der Schaltnetzteile für PoE-Geräte. Auf der Seite der PoE-Stromversorgung mittels Power Sourcing Equipment (PSE) wie Netzwerk-Switches wird die Leistung pro PoE-fähigem Anschluss auf bis zu 100 W erhöht, um den neuesten Standard vollständig zu unterstützen. Will man die Abmessungen des Schaltnetzteils nicht vergrößern, muss die Leistungsdichte erhöht werden. Effizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit sind demnach die wesentlichen Anforderungen an Schaltnetzteile in PSEs. Zweitens müssen die richtigen Halbleiterbausteine für die jeweilige Schaltnetzteil-Topologie ausgewählt werden, z.B. ACF (Active Clamp Flyback) oder LLC-Resonanzwandler.

PSE-Geräte mit isolierten AC/DC-Schaltnetzteilen (Bild 2) erfordern hochzuverlässige MOSFETs mit hoher Effizienz und geringstem minimalen Durchgangswiderstand RDS(on) sowie Schaltungsdesigns, die auch bei variablen Lasten einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.

Auf der PD-Seite (Bild 3) werden isolierte DC/DC-Wandler kleiner als 100 W eingesetzt. Hier spielt neben kompakten Abmessungen, Leistung, Kosten und Leistungsdichte die Effizienz eine große Rolle. Jedes Watt, das durch die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades in Schaltnetzteilen an Verlusten eingespart wird, steht direkt für das versorgte Gerät zur Verfügung.

Durch Auswahl zuverlässiger und effizienter Halbleiterbausteine wie OptiMOS und IR MOSFETs für Schaltnetzteile in PDs oder CoolMOS MOSFETs für Schaltnetzteile in PSEs kann durch Power over Ethernet nicht nur eine zuverlässige Kommunikationsinfrastruktur für Gebäude aufgebaut, sondern auch eine zusätzliche Kosteneinsparung realisiert werden.

Vorausschauende Wartung

Eine wesentliches Kriterium für den reibungslosen Betrieb eines Gebäudes ist die Vermeidung von Geräte- und Systemausfällen – wie ein defekter Aufzug oder eine nicht funktionierende Klimaanlage. Daher suchen Gebäudebetreiber nach Möglichkeiten, den Status der installierten Geräte zu überwachen (Condition Monitoring) und Ausfälle vorherzusehen, bevor sie auftreten. Für die Überwachung des Gerätezustands und für eine vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) sind Sensoren erforderlich. Innerhalb oder außerhalb der zu überwachenden Geräte angebracht, sammeln sie Daten, die den Betriebszustand der Geräte widerspiegeln. Beispiele sind die Luftstromüberwachung mit barometrischen Luftdrucksensoren in HLK-Geräten, die Strommessung in Motorantrieben mit Stromsensoren oder die Erfassung von Schallanomalien und Schwingungsmessungen mit MEMS-Mikrofonen. Auf diese Weise können Abweichungen vom definierten, optimalen Zustand frühzeitig erkannt werden.

Die vorausschauende Wartung ist der nächste logische Schritt nach der Implementierung der Zustandsüberwachung. Durch Abschätzen des Zeitpunkts, wann ein Gerät wahrscheinlich ausfallen wird, kann proaktiv eine Wartung veranlasst werden. Vor diesem Hintergrund hat Infineon einen Demonstrator für die Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung von Klimaanlagen aufgebaut. Der Demonstrator wurde in Zusammenarbeit mit Klika Tech entwickelt und nutzt Amazon Web Services (AWS). Er zeigt das hohe Potenzial von Sensoren bei der Zustandsüberwachung und der vorausschauenden Instandhaltung von intelligenten Gebäuden auf.

Aufbauend auf dem Sensor-Portfolio XENSIV werden kritische Komponenten wie Verdichter, Lüfter, Motoren, Filter sowie die Schwingungen des Gesamtsystems in Klimaanlagen überwacht. Die Daten werden mit den Sensoren direkt gesammelt, lokal mit einem Mikrocontroller (aus der XMC-Familie) vorverarbeitet und zur Auswertung und Anomalie-Erkennung an die AWS-Cloud gesendet. Der gesamte Datenfluss wird vom Gerät bis zur Cloud durch Hardwaresicherheit geschützt. Der Demonstrator basiert auf den folgenden Bausteinen:

  • Barometrischer Drucksensor (XENSIV DPS368)
  • Stromsensor (XENSIV TLI4970)
  • 3D-Magnetsensor (XENSIV TLV493D-A1B6)
  • 24-GHz-Radarsensor (XENSIV BGT24LTR11)
  • Amazon FreeRTOS Connectivity Kit (XMC4800)
  • Sicherheitscontroller (OPTIGA Trust M)

Klimaanlagen sind nur ein Beispiel, in dem Sensoren die Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung ermöglichen. Aufzüge, Ventile und Beleuchtung sind weitere kritische Bereiche für die Nutzung eines Gebäudes, in dem anwendungsspezifische, halbleiterbasierte Systeme und moderne Software Wartungsprobleme lösen und tiefere Einblicke in das Nutzungsprofil eines Gebäudes gewähren können.

Zusammenfassung

Die nächste Stufe der Gebäudeautomatisierung ist in hohem Maße auf moderne Sensorik angewiesen, um basierend auf den gesammelten Daten die Gebäudesteuerung zu automatisieren. Die Grundlage dieser intelligenten Vernetzung sind Halbleiterbausteine, angefangen von Sensoren bis zu ICs zur Leistungsregelung, Mikrocontrollern und Sicherheits-ICs. Durch Sensoren und Vernetzung kann der Automatisierungsgrad der Gebäudeverwaltung erhöht und die Energieeffizienz des Gebäudes gesteigert werden – eine technikgetriebene Antwort auf die Herausforderungen der Urbanisierung und des Klimawandels.

Quellen

[1] Energy efficiency in buildings, European Commission - Department Energy, Brüssel, Februar 2020. https://ec.europa.eu/info/news/focus-energy-efficiency-buildings-2020-feb-17_en.

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