In der Messtechnik unterscheidet man prinzipiell zwischen Messwertaufnehmern mit linearem und mit binärem Ausgang. Dies gilt auch für Sensoren in der Druckmesstechnik. Trotz zahlreichen möglichen Anwendungen wird aber eine Kombination von beiden nur selten angeboten. Das Beispiel des piezoresistiven OEM-Drucksensors AMS 5105 von Analog Microelectronics zeigt, wie ein Sensor mit einem analogen, linearen Ausgang und mit zwei binären Ausgängen realisiert wurde und welche Vorteile diese Kombination für den Anwender hat.

Das Keramiksubstrat des Drucksensors AMS 5105 hat die Abmessungen 15,2 mm x 15,2 mm. (Bild: Analog Microelectronics)

Bei der AMS 5105-Serie handelt es sich um OEM-Drucksensoren mit zwei Schaltausgängen und einem linearen Spannungsausgang. Die verschiedenen Varianten ermöglichen die Absolutdruck-, die Differenzdruck- und die bidirektionale differenzielle Druckmessung über einen weiten Druckbereich von 5 mbar bis 7 Bar. Alle diese OEM-Sensoren werden bei der Herstellung individuell kalibriert, linearisiert und für den Temperaturbereich von -25 bis +85 ºC temperaturkompensiert. Hohe Messgenauigkeit und gute Langzeitstabilität sind das Ergebnis hochwertiger piezoresistiver Silizium-Messelemente in Kombination mit einem State-of-the-Art CMOS-ASIC. Ein 15,2 mm × 15,2 mm großer Keramikträger mit Dual-In-Line-Lötpins und ein Keramikgehäuse verleihen dem AMS 5105 hohe mechanische Stabilität und robuste Handhabbarkeit.

Der AMS 5105 ist für Anwendungen konzipiert, bei denen man die Sensoren auf eine bestimmte Konfiguration bezüglich Schaltfunktion, Schaltpunkt, Hysterese, Schaltverzögerung und Ähnliches einstellt und während ihrer Betriebszeit nicht mehr verändert. Sie finden dann als Druckschalter Verwendung, die keinen Prozessor benötigen oder bei denen die Leistungsfähigkeit eines Prozessors auf der Systemebene für andere Aufgaben benötigt wird.

Sie sind besonders unter sicherheitstechnischen Aspekten für Anwendungen geeignet, die direkt und ohne zwischengeschaltete Datenverarbeitung auf eine Druckänderung reagieren müssen, beispielsweise für eine Notabschaltung oder Anwendungen, die eine reduzierte Anzahl an Bauteilen erfordern.

Die eigentliche Druckmessung findet in der piezoresistiven Silizium-Druckmesszelle des AMS 5105 statt, die den zu messenden Druck in ein differenzielles, druckproportionales, analoges Spannungssignal wandelt. Anschließend wird dieses Spannungssignal im nachfolgenden ASIC verstärkt und über einen Multiplexer zum ADC weitergeleitet, wo die Umwandlung in einen 14-Bit-Digitalwert stattfindet. Um standardisierte, das heißt kalibrierte, linearisierte und temperaturkompensierte Ausgangswerte zu erhalten, gleicht man die digitalisierten Signale im nachfolgenden μC-Block während der Herstellung elektronisch ab.

Im Drucksensor sind umfangreiche Funktionen integriert. Analog Microelectronics

Zum Abgleich ermittelt man bei verschiedenen Drücken und Temperaturen für jeden einzelnen Sensor Korrekturkoeffizienten und speichert diese im EEPROM. Im Mikroprozessor-Block des ASICs läuft ein zyklisches Programm ab, das auf Basis der jeweils digitalisierten Druck- und Temperaturwerte und der Korrekturkoeffizienten das korrigierte und normierte, digitale Drucksignal errechnet. Die so berechneten Digitalwerte werden in das Ausgangsregister geschrieben und zyklisch aktualisiert, typischerweise alle 0,5 ms bei 14 Bit ADC-Auflösung.

Ein interner 11-Bit-DAC wandelt den digitalen Druckwert, um ihn als ratiometrischen Spannungswert zwischen 0,5 und 4,5 V auslesen zu können. Die SIF-Einheit (Serielles Interface) dient zur Programmierung des ASICs und der Ausgangsparameter im I²C-Format. Der AMS 5105 hat neben dem linearen Ausgang Uout = 0,5 – 4,5 V zwei binäre Ausgänge Switch1 und Switch2 für den Druck mit den logischen Pegeln Low (0 – 10 % VCC) und High (90 – 100 % VCC).

Der AMS 5105 verfügt über einen analogen und zwei digitale Ausgänge. Analog Microelectronics

Unter binären Signalen versteht man zweiwertige Signale, das heißt, es gibt nur zwei Signalzustände. Auf eine entsprechende elektronische Schaltung übertragen bedeutet dies, es gibt nur den gesperrten oder den durchgeschalteten Ausgang. Man hat also einen elektronischen Schalter.

Im Digitalteil der Signalverarbeitung ist ein entsprechender Wert mit dem Starter-Kit als Schaltwert zu programmieren. Bei Erreichen dieses Wertes schaltet der Ausgang von low auf high oder umgekehrt. Da die beiden Ausgänge sink- und sourcefähig sind (maximal 4 mA), lassen sich bei geeigneter Anordnung der Lastwiderstände beide Ausgänge als Stromausgänge realisieren. Da das ASIC die Möglichkeit bietet, an einem Ausgang (Switch1 und/oder Switch2) zwei Schaltpunkte zu programmieren, lassen sich auch Zweipunktschalter (Window-Mode) realisieren. Möglich sind dabei die Schaltfunktionen Schaltausgang deaktiviert, Low-Side-Schalter, High-Side-Schalter und Zweipunktschalter

An den Ausgängen sind verschiedene Schalterfunktionen realisierbar. Analog Microelectronics

Diese sind per Software über eine I²C-Schnittstelle vom Benutzer individuell konfigurierbar oder können bei der Herstellung voreingestellt werden. Als Systemparameter sind Schaltfunktion, Hysterese, Schaltschwelle, und Schaltverzögerungszeit in einem weiten Bereich programmierbar. Alle erwähnten Einstellmöglichkeiten sind unabhängig für beide Ausgänge einstellbar.

In Anwendungen, bei denen ein geringer Schaltstrom (maximal 4 mA, beispielsweise für LED-Anzeige) an den binären Ausgängen gefordert wird, lassen sich wahlweise an jedem Ausgang die Funktionen Öffner, Schließer und/oder Zweipunktschalter direkt realisieren. Insbesondere lässt sich so mit dem einen Ausgang auch der Schaltzustand des anderen anzeigen, beispielsweise mit einer Diodenbeschaltung.

Sind größere Schaltströme, zum Beispiel für die Ansteuerung eines DC-Motors oder das Schalten höherer Betriebsspannungen erforderlich, so ist eine externe Leistungsstufe hinzuzufügen, beispielsweise ein intelligenter Low-Side-Power-FET Profet BSP75G oder ein High-Side Power-FET ISP452. Mit integrierten Schaltern lassen sich insbesondere industrielle Druckwächter herstellen, die sich durch eine Vielzahl von Schutzfunktionen auszeichnen. Integrierte Schutzfunktionen sind Kurzschluss- und Eingangsschutz, Überlast-, Überspannungs- und Übertemperaturschutz mit Hysterese. Weiterhin besteht eine interne Strombegrenzung und eine Unterspannungsabschaltung mit Restart und ein ESD-Schutz.

Beim BSP75G handelt es sich um einen vertikalen n-Kanal-FET-Switch für Low-Side-Anwendungen. Analog Microelectronics

Der ISP452 ist ein n-Kanal-FET für High-Side-Anwendungen. Analog Microelectronics

Für piezoresistive Messzellen, wie sie beispielsweise im AMS 5105 zum Einsatz kommen, gilt in erster Näherung Vout = S × P × VS (mit S = Sensitivität, P = wirkendem Druck und VS = Versorgungsspannung). Man sieht, dass das Ausgangssignal einer piezoresitiven Silizium-Messzelle Vout direkt von der Versorgungsspannung VS abhängig ist. Das heißt, dass sich das Signal der Messzelle synchron zur Änderung der Spannungsversorgung verhält, was man als Ratiometrie bezeichnet. Dieses Verhalten findet sich auch in dem Ausgangssignal des AMS 5105 von 0,5 bis 4,5 V.

Dieses Analogsignal hat unter dem Sicherheitsaspekt den Vorteil einer inhärenten Fehlerdiagnose. Wenn das Signal schon ohne Druck 0 V beträgt, weiß man, dass keine Versorgungsspannung anliegt, zum Beispiel infolge eines Kabelbruchs. Wenn das Signal bei minimalem Druck zwischen 0 und 0,5 V liegt, handelt es sich um einen Defekt im ASIC oder um eine Fehlkalibration. Wenn sich das Ausgangssignal bei maximalem Druck zwischen 4,5 V und 5 V befindet, muss eine Fehlkalibration vorliegen. Wenn das Signal 5 V beträgt, ist von einem Kurzschluss nach Vcc auszugehen. So lassen sich anhand des Analogsignals bereits grobe Fehler analysieren, die man am Digitalsignal auf Anhieb nicht erkennen kann. Die Ratiometrie gilt allerdings nur für die analogen Ausgänge.

Durch Kalibrierung lassen sich standardisierte Ausgangssignale erreichen. Analog Microelectronics

Kombination von linearen und binären Ausgängen

Mit den AMS 5105 lassen sich unter anderem einfache Druckschalter (Öffner und/oder Schließer) mit Zustandskontrolle oder Druckanzeige, aber auch antivalente/ambivalente Schaltsysteme mit Druckkontrolle realisieren. Prinzipiell liegt der Vorteil der Kombination eines lineareren Analog-Ausgangs und binären Schaltausgängen darin, dass sich in einer industriellen Anlage, in der druckabhängig geschaltet werden muss, der Druckzustand über das analoge Signal direkt kontrollieren lässt. Ein Beispiel hierfür wäre ein Wasserkühlungskreislauf mit Schutzschalter und Kontrollsystem. Wenn in einer solchen Anlage durch einen Fehler im Schaltsystem nicht ordnungsgemäß geschaltet wird, lässt sich mit Kenntnis des eingestellten Schaltpunktes (zum Beispiel 50 % max. Druck) am entsprechenden analogen Ausgangssignal (½ Full-Scale-Anzeige) das Fehlverhalten schon visuell erkennen. Dies ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen von Bedeutung.

In industriellen Anwendungen kommen Drucksensoren häufig als Informationsgeber für Schaltfunktionen zum Einsatz. Eher selten ist die Kombination von analogen und digitalen Ausgängen auf einem Sensormodul, obwohl es eine Reihe von Argumenten für diesen Ansatz gibt.

Auch wenn bei einer Schaltanwendung die Steuerung des Drucks vor Erreichen des Schaltpunktes erfolgen soll, beispielsweise durch Verringerung der Druckänderungsgeschwindigkeit, lässt sich diese Forderung mit dem Analogsignal realisieren. Da man außerdem am Schaltzustand eines Zweipunktschalters nicht erkennen kann, in welchem Bereich man sich auf der Druckkennlinie befindet, lässt sich am Analogausgang die entsprechende Information ablesen. Dies sind nur einige Beispiele, die im industriellen Umfeld immer wieder auftreten und die sich mit dem AMS 5105 realisieren lassen.

Der AMS 5105, in dem ein linearer, analoger Ausgang und zwei binäre Schaltausgänge kombiniert sind, ist für Stand-alone-Anwendungen ohne zusätzlichen Mikroprozessor gedacht. Alle Schaltfunktionen sind entweder durch den Benutzer oder durch den Hersteller programmierbar, sodass keine digitale Zusatzelektronik zur Realisierung von Druckkontrollsystemen, wie beispielsweise die direkte Ansteuerung eines Relais mit Schaltkontrolle, erforderlich ist. Durch die parallelen Ausgänge lassen sich ohne Zusatzbeschaltung Druckschalter mit Eigenkontrolle aufbauen.

Die OEM-Sensoren der Serie AMS 5105 gibt es für alle Druckmessungen, einschließlich Absolutdruck-, Relativdruck-, Differenzdruck- und bidirektionale differenzielle Druckmessungen. Sie sind in den verschiedenen Versionen im Druckbereich von 0 bis 5 mbar bis 0 bis 7 bar einsetzbar.

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