Driftfreier Operationsverstärker für drahtlose Strommessungen

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Industriegeeignetes drahtloses Mesh-Netzwerk

Drahtlose SmartMesh-Module wie das LTP5901-IPM enthalten die Schaltung für die Funkübertragung, den eingebetteten Mikroprozessor und die Netzwerk-Software. Wenn mehrere SmartMesh-Sensoren in der Nähe eines Netzwerk-Managers eingeschaltet werden, erkennen sich die Sensoren automatisch selbst und bilden ein drahtloses Mesh-Netzwerk. Alle Sensoren in einem Netzwerk sind automatisch Zeit-synchronisiert, was bedeutet, dass jede Funkschaltung nur während sehr kurzen speziellen Zeitintervallen mit Strom versorgt wird.

Als Ergebnis kann jeder Knoten als Quelle der Sensorinformation agieren und ebenso als Routing-Knoten, um Daten von anderen Knoten an den Manager weiter zu leiten. Dies ergibt ein sehr zuverlässiges vermaschtes Netzwerk mit sehr geringem Leistungsbedarf in dem mehrere unterschiedliche Pfade von jedem Knoten zum Manager verfügbar sind, auch wenn alle Knoten, einschließlich der Routing-Knoten, mit sehr geringer Leistung arbeiten.

Der LTP5901-IPM enthält einen ARM-Cortex-M3-Mikroprozessorkern, auf dem die Netzwerk-Software läuft. Zusätzlich können die Nutzer Anwendungs-Firmware schreiben, um Aufgaben auszuführen, die spezifisch für ihre jeweilige Applikation sind.

In diesem Beispiel liest der Mikroprozessor im LTP5901-IPM den SPI-Port des strommessenden A/D-Wandlers (AD7988) und den I²C-Port des Coulomb-Zählers (LTC3335). Der Mikroprozessor kann auch den Chopper-OPV (LTC2063) in den Abschalt-Modus versetzen, was den Stromverbrauch weiter von 2 µA auf 200 nA senkt. Dies ergibt weitere Einsparungen in Anwendungen mit extrem langen Zeitintervallen zwischen den Messungen.

Nanopower-Coulomb-Zähler integriert

Der typische Leistungsbedarf für einen Sensor, der einen Messwert einmal pro Sekunde sendet, liegt für die Messschaltung unter 5 µA und kann für die drahtlose Funkschaltung 40 µA betragen. In der Praxis hängt der Leistungsverbrauch von verschiedenen Faktoren ab, z.B. wie oft die Signalkette einen Messwert liest und wie die Knoten im Netzwerk konfiguriert sind.

Die Beispielschaltung wird von zwei Alkali-Primärzellen versorgt. Die Eingangsspannung der Batterie wird vom Ab-/Aufwärtswandler mit integriertem Coulomb-Zähler LTC3335 geregelt. Er konvertiert aus der Eingangsstromversorgung von 1,8 bis 5,5 V bis zu 3,3 V geregelte Ausgangsspannung. Der Laststrom in drahtlosen Anwendungen mit Tastverhältnis kann zwischen 1 µA und 20 mA variieren, je nachdem, ob die Funkschaltung aktiv oder im Schlafmodus ist.

Der Wandler hat ohne Last einen Ruhestrom von 680 nA. Damit ist der Leistungsbedarf der gesamten Schaltung sehr gering, wenn sowohl die Funkschaltung als auch die Signalkette im Schlafmodus sind. Der Chip liefert trotzdem noch bis zu 50 mA, was für Funkübertragung/-empfang und viele Signalketten-Schaltungen ausreicht.

In hochzuverlässigen drahtlosen Sensoranwendungen dürfen sich Batterien nicht vollständig entladen. Gleichzeitig führt jedoch ein prophylaktisches Auswechseln zu oft zu unerwünschten Kosten und Stillstandzeiten.

Für diese Aufgaben ist eine akkurate Batterie-Entladeschaltung notwendig. Der LTC3335 hat einen eingebauten Coulomb-Zähler. Wann immer der Regler schaltet, erfasst er die gesamte Ladung, die er aus der Batterie zieht. Diese Information kann über das I²C-Interface ausgelesen und dann als Prädiktor für die Zeitintervalle für einen Batteriewechsel benutzt werden.

Eine wirklich stommessende Schaltung

Kombiniert der Ingenieur die Produkte aus Signalkette, Power-Management und drahtlosem Netzwerk von Linear Technology und Analog Devices, kann er eine wirklich strommessende Schaltung entwickeln. Bild 3 zeigt ein Beispiel. Der Chopper-Operationsverstärker mit geringem Stromverbrauch LTC3335 kann selbst kleine Spannungsabfälle an einem Messwiderstand sehr genau erfassen.

Die gesamte Schaltung, einschließlich von Micropower-A/D-Wandler und Spannungsreferenz, schwebt mit der Gleichtaktspannung des Messwiderstands. Der Nanopower-Schalter kann die Schaltung über Jahre hinweg aus einem kleinen Akku mit Strom versorgen. Die aufsummierte Batterienutzung zeigt er mit seinem integrierten Coulomb-Zähler an. Das drahtlose Netzwerk-Modul LTP5901-IPM managt die gesamte Applikation und verbindet alle Komponenten zu einem hoch zuverlässigen SmartMesh-IP-Netzwerk.

* Kris Lokere arbeitet als Strategic Applications Manager Signal Conditioning Products bei Linear Technology (jetzt Analog Devices) in Milpitas.

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