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IO-Link-Sensor IO-Link-Sensor: Kleiner zweikanaliger IO-Link-Transceiver-IC mit Abwärtswandler und Überspannungsschutz

Kristin Rinortner

Anbieter zum Thema

Maxim Integrated Products GmbH
ET System electronic GmbH
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

IO-Link ist in der modernen, über das IIoT vernetzten industriellen Sensorik unverzichtbar geworden. Kleinere Formfaktoren, kürzere Markteinführungszeiten und eine möglichst geringe Verlustwärme stellen Entwickler vor Herausforderungen. Der MAX22513 vereinfacht das Design derartiger Edge-Sensoren.

IO-Link-Tranceiver: Der MAX22513 mit integriertem Überspannungsschutz und DC/DC-Wandler bietet eine vollständig integrierte, industrietaugliche Alternative für die Sensorik mit Stromstärken bis 200 mA in einem wesentlichen kleineren Gehäuse.(Bild: Maxim)
IO-Link-Tranceiver: Der MAX22513 mit integriertem Überspannungsschutz und DC/DC-Wandler bietet eine vollständig integrierte, industrietaugliche Alternative für die Sensorik mit Stromstärken bis 200 mA in einem wesentlichen kleineren Gehäuse.
(Bild: Maxim)

IO-Link spielt in der Industrie eine wichtige Rolle. Der Markenname IO-Link steht für ein System mit Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, mit dem Sensoren und Aktoren an ein Automatisierungssystem angebunden werden. Maßgebend ist die Norm IEC 61131-9, die auf klassischen 24-V-Signalen basiert.

In smarten Sensoren ist IO-Link heute als festes Merkmal integriert. Das Kommunikationssystem bildet die Grundlage für ein zukunftsfähiges Automatisierungssystem für Anwendungen im Kontext von Industrie 4.0. Aktuell gibt es viele Systeme (Knoten) und Bausteine auf dem Markt. Wir haben uns den MAX22513 genauer angeschaut.

Der MAX22513 ist ein zweikanaliger Sender/Empfängerbaustein für IO-Link, den Maxim kürzlich auf den Markt gebracht hat und der als Ergänzung zum einkanaligen Transceiver MAX14828 angesehen werden kann. Der Chip ist recht klein (WLP-/TQFN-EP-Gehäuse) und integriert bereits die wesentlichen Teile der externen Beschaltung des Gesamtsystems.

Wählbare Steuerschnittstelle und einstellbare Strombegrenzung

Der Transceiver mit Push-Pull Ausgang kommt mit wählbarer Steuerschnittstelle (SPI oder I2C), bereits integriertem Abwärtswandler und zwei Linearreglern. Integriert ist ebenfalls ein Stoßspannungsschutz von ±1 kV/500 Ω (8 μs/20 μs), der die Verlustleistung bei kleinen Sensoren (Stromaufnahme ca. 10 mA) begrenzt. Zusätzliche Suppressor-Dioden (TVS-Dioden) sind also nicht notwendig.

Alle vier IO-Pins (V24, C/Q, DO/DI und GND) sind verpolungssicher und kurzschlussfest ausgeführt. Eine Strombegrenzung lässt sich einstellen. Der Verpolungsschutz ist nicht mit einer Diode realisiert. Daher hat man im Betrieb einen deutlich reduzierten Spannungsabfall und damit geringere Verlustleistungen. Die Push-Pull Endstufe der Treiber (C/Q bzw. DO/DI) weist einen Ausgangswiderstand bzw. eine Ausgangsimpedanz von 2,25 Ω (High-Side) bzw. 2,07 Ω (Low-Side) auf. Über einen zweiten IO-Link-Kanal kann der digitale Eingang (DO/DI) des Sensors geschaltet werden, während Daten über C/Q übertragen werden.

Abwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad für geringe Verlustleistung

Eine geringe Verlustleistung des Chips spielt eine maßgebliche Rolle gerade bei kleinen Sensoren. Viele der marktüblichen Bausteine arbeiten mit LDO-Reglern. Bei einer Versorgungsspannung von 24 V und einer Ausgangsspannung von 3,3 V erreichen die Linearregler Wirkungsgrade von ca. 10%. Maxim setzt an dieser Stelle auf einen Abwärtswandler (Buck-Topologie), der einen Wirkungsgrad von 80% haben soll.

Ein DC/DC-Wandler an dieser Stelle macht bereits bei Stromstärken von weniger als 10 mA durchaus Sinn. Nebenbei bemerkt, bei 10 mA gibt es wenige DC/DC-Wandler, die eine Eingangsspannung von 60 V vertragen und einen Wirkungsgrad von 80% haben. Der Abwärtswandler kann eine maximale Last von 300 mA handhaben. Die Ausgangsspannung lässt sich von 2,5 bis 12 V regeln. Die Eingangsspannungen von 5 und 3,3 V werden durch LDOs bereitgestellt.

Bild 1: Blockschalltbild des IO-Tranceiver-IC MAX22513.(Bild: Maxim)
Bild 1: Blockschalltbild des IO-Tranceiver-IC MAX22513.
(Bild: Maxim)

Der Chip wird über die SPI- oder I2C-Schnittstelle angesteuert. Es werden sowohl Voll- als auch Halbduplex-Betrieb an der SPI-Schnittstelle (12 MHz) unterstützt. Ein interner (MCLK)-Oszillator fungiert als Master-Taktquelle für die IO-Link-Kommunikation mit dem Mikrocontroller. Der IC kommt im WLP-Gehäuse (4,1 mm x 2,1 mm) oder im 28-poligen TQFN-EP-Gehäuse (3,5 mm x 5,5 mm) und ist für einen Temperaturbereich von –40 bis 125°C ausgelegt.

Fazit: Der zweikanalige Tranceiver für IO-Link MAX22513 mit Überspannungsschutz bietet eine vollständig integrierte, industrietaugliche Alternative für die Sensorik mit Stromstärken bis 200 mA in einem wesentlichen kleineren Gehäuse.

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Applikationstipp: Wie Sie mithilfe des MAX22513 einen IO-Link-Sensor entwickeln können, der klein und leistungsfähig ist und wenig Verlustwärme produziert, erklärt Konrad Scheuer in unserem Webinar.

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