Strom erfassen mit Messwiderständen
Strommess-IC mit Funkmodul
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Powermanagement
Beim LTC3335 handelt es sich um einen Sperrwandler mit integriertem Coulomb-Zähler. Das Bauteil ist so konfiguriert, das es an einer Versorgung zwischen 1,8 und 5,5 V seine geregelte Ausgangsspannung von 3,3 V liefert. Dies erlaubt die Versorgung der Schaltung mit zwei Alkali-Mangan-Zellen.
Für drahtlose Applikationen mit bestimmtem Tastverhältnis kann der Laststrom je nachdem, ob die Funkschaltung aktiv ist oder sich im Schlafmodus befindet, leicht zwischen 1 µA und 20 mA variieren. Der LTC3335 nimmt ohne Last einen Ruhestrom von nur 680 nA auf, was dafür sorgt, dass die gesamte Schaltung mit sehr geringer Leistungsaufnahme arbeitet, wenn sich Funkschaltung und Signalkette im Schlafmodus befinden. Trotzdem kann der LTC3335 bis zu 50 mA liefern. Dies stellt genügend Leistung für Funk-übertragung und -Empfang sowie für eine Vielzahl von Signalkettenschaltkreise zur Verfügung.
Der Coulomb-Zähler verfolgt beim Schalten die gesamte Ladung, die der Batterie entnommen wird. Diese Information lässt sich über eine I2C-Schnittstelle auslesen und dazu nutzen, um den richtigen Zeitpunkt für den Batterietausch zu berechnen.
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Funkmodul
Beim LTP5901-IPM handelt es sich um ein Funkmodul mit Sendeempfänger, Embedded Mikroprozessor und SmartMesh-IP-Netzwerk-Software. In dieser Applikation erfüllt der LTP5901-IPM zwei Funktionen: drahtlose Vernetzung und Organisation des Netzwerks. Werden mehrere SmartMesh-IP-Knoten in der Nähe eines Netzwerk-Managers eingeschaltet, der den Accesspoint zur Anwender-Software bildet und außerdem Algorithmen zur Organisation des Netzwerks ausführt, erkennen sich die Knoten automatisch und bilden ein drahtloses Mesh-Netzwerk. Das gesamte Netzwerk wird automatisch zeitsynchronisiert, was bedeutet, dass jede Funkschaltung nur während kurzer, spezifischer Zeitintervalle versorgt wird. Deshalb kann jeder Knoten nicht nur als Quelle für Sensorinformation fungieren, sondern auch als Routing-Knoten dienen, der Daten von anderen Knoten zum Manager leitet. Dadurch entsteht ein zuverlässiges Mesh-Netzwerk mit geringer Leistungsaufnahme, bei dem mehrere Pfade von jedem Knoten zum Manager zur Verfügung stehen, obwohl alle Knoten, einschließlich der Routing-Knoten, mit sehr wenig Energie auskommen.
Der LTP5901-IPM enthält einen Mikroprozessorkern des Typs ARM-Cortex-M3, auf dem die Netzwerk-Software läuft. Darüber hinaus können Anwender Applikations-Firmware schreiben, um Aufgaben auszuführen, die speziell auf die Anwenderapplikation zugeschnitten sind. In diesem Beispiel liest der Mikroprozessor im LTP5901-IPM den SPI-Port des Strommess-ADC (AD7988) sowie den I2C-Port des Coulomb-Zählers (LTC3335). Der Mikroprozessor kann auch den Chopper-Operationsverstärker (LTC2063) in den Shutdown-Modus bringen und so die Stromaufnahme von 2 µA auf 200 nA senken. Dies ermöglicht zusätzliche Energieersparnis in Anwendungen mit extrem langen Zeitintervallen zwischen den Messungen.
Leistungsaufnahme
Die Leistungsaufnahme des gesamten Applikationsschaltkreises hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zum Beispiel, wie oft die Signalkette eine Messung vornimmt und wie die Knoten im Netzwerk konfiguriert sind. Die typische Stromaufnahme eines Knotens, der einmal pro Sekunde Messwerte zur Verfügung stellt, beträgt weniger als 5 µA für den Messschaltkreis und kann 40 µA für das Funksystem betragen, was einen jahrelangen Betrieb mit kleinen Batterien ermöglicht.
Schaltung auf der Leiterplatte
Die Kombination von Produkten von Linear Technology und Analog Devices für Signalkette, Powermanagement und Konnektivität ermöglicht die Entwicklung einer drahtlosen Strommess-Schaltung (Bild 3).
Der LTC2063 kann kleine Spannungsabfälle über einem Messwiderstand genau erfassen. Die gesamte Schaltung, einschließlich Mikropower-ADC und Spannungsreferenz, gleitet mit dem Gleichtakt-Signal am Messwiderstand. Der LTC3335 kann die Schaltung jahrelang über zwei AAA-Batterien versorgen, die auf der Rückseite des Boards angeschlossen sind, und über den internen Coulomb-Zähler die entnommene Ladung aus der Batterie ermitteln. Das Funkmodul verwaltet die gesamte Anwendung und verbindet sich automatisch mit einem SmartMesh-IP-Netzwerk.
Der Autor
Kris Lokere
ist Strategic Applications Manager für Signal-Chain-Produkte und kam durch den Zusammenschluss mit Linear Technology zu Analog Devices. Lokere entwickelt bevorzugt Systeme, die Technologien mehrerer Produktlinien kombinieren. In den letzten 20 Jahren hat er Operationsverstärker entwickelt, Entwickler-Teams aufgebaut und Product-Line-Strategien erarbeitet. Lokere hält mehrere Patente. Er schloss das Studium an der Katholieke Universiteit Leuven mit dem Master of Science in Electrical Engineering (MSEE) ab und erhielt vom Babson College den Master of Business Administration (MBA).
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