Unter der Haube Sensorlösungen für Anforderungen in Automobilanwendungen

Autor / Redakteur: Carolyn Mathas * / Peter Koller

Heutzutage kann man sich kaum mehr vorstellen, dass 1995 nur etwa 10 Sensoren in einer Automobil-Motorsteuerung zum Einsatz kamen. Bis 2012 ist diese Anzahl auf mehr als 30 angestiegen.

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Bild 1: Der SS350PT/SS460P ist ein hochempfindlicher Hall-Effekt-Sensor mit Latch-Schaltverhalten.
Bild 1: Der SS350PT/SS460P ist ein hochempfindlicher Hall-Effekt-Sensor mit Latch-Schaltverhalten.
( Honeywell)

Die Verwendung von Sensoren "unter der Haube" in Autos und Lastwagen ist aufgrund der Sicherheitsanforderungen und einer Tendenz zu einer verbesserten Betriebseffizienz, geringeren Emissionen und einem geringeren Kraftstoffverbrauch rasant angestiegen. Zählt man ein weiteres rasant wachsendes Segment des Automobilmarkts, das Infotainment, hinzu, so kann man erwarten, dass der gesamte Automobilsensormarkt bis 2022 die Marke von 33,59 Milliarden US-$ erreicht, wobei von einer Wachstumsrate (Compound annual growth rate, CAGR) von 7,8 Prozent ausgegangen wird.

Die Anzahl der intelligenten Systeme in Autos und Lastwagen schnellt in die Höhe und die Kunden verlangen immer mehr Komfort, Infotainment und Kraftstoffeffizienz. Dies führt dazu, dass die Anzahl an Sensoren und der Grad der Sensorfusion und -integration ungewohnte Ausmaße erreichen wird. Was die Einheiten anbelangt, so wird erwartet, dass die Anzahl an Sensoren für den Automobilmarkt im Jahr 2022 die Marke von 8,93 Milliarden erreicht – ausgehend vom einem Wert von 2,965 Milliarden im Jahr 2012, was einer geschätzten Wachstumsrate von 11,7 Prozent von 2013 bis 2022 gleichkommt, wie der von MarketsandMarkets veröffentlichte neue Marktforschungsbericht “Sensors Market for Automotive Applications 2012 – 2022” feststellt.

Sensoren führen viele wichtige Aufgaben in allen Bereichen des Fahrzeugs aus, von der Motorleistung und Sicherheit der Insassen bis hin zum Komfort und dynamischen Fahrverhalten. Die Zukunft der Fortschritte bei Sensoren für den Automobilmarkt hängt stark von Sensortechnologien wie MEMs, drahtlosen Sensoren, Radar usw. ab.

Gesetzliche Bestimmungen in Nordamerika, Europa, Japan, China und Südkorea treiben weiterhin die Nachfrage nach Sicherheitsfunktionen an, die passive und integrierte aktive und passive Sicherheitssysteme umfassen. Das Wachstum der Fahrassistenz- und Sicherheitsanwendungen in Fahrzeugen erklärt sich vor diesem Hintergrund. Die Segmente Motormanagement, Komfort der Insassen und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme entwickeln sich schnell. Auch die Verwendung von Netzwerken spielt eine immer größere Rolle, da verschiedene Subsysteme intern in den Fahrzeugen und mit externen Geräten und Netzwerken kommunizieren.

Es ist ganz offensichtlich, dass zahlreiche Sensoren und sensorbasierte Systeme für Automobilanwendungen zur Verfügung stehen. Aus der großen Auswahl an Sensoren haben wir drei bemerkenswerte Bausteine ausgewählt, die für die Art von Sensoren, die heute in Automobilanwendungen verwendet werden, sehr repräsentativ sind.

Hall-Effekt-Sensor-IC mit Latch-Schaltverhalten

Das hochempfindliche, digitale Hall-Effekt-Sensor-IC mit Latch-Schaltverhalten SS350PT/SS460P (Bild 1) mit integriertem Pull-up-Widerstand von Honeywell wird in den folgenden Automobil- und industriellen Anwendungen verwendet: Durchflussmessung, Geschwindigkeits- und Drehzahlmessung, Tachometer, Zähler und Motor- und Lüftersteuerung. Der Sensor wird über ein magnetisches Feld eines Dauermagneten oder Elektromagneten betrieben und ist so ausgelegt, dass er auf alternierende Nord- und Südpole reagiert. Dank des integrierten Pull-up-Widerstands kann auf externe Komponenten verzichtet werden, was die Kosten reduziert.

Diese Sensor-ICs verwenden keine Chopperstabilisierung auf dem Hall-Element und bieten ein sauberes Ausgangssignal und eine schnellere Ansprechzeit des Latch-Schaltverhaltens im Vergleich zu Konkurrenz-Sensor-ICs mit hoher Empfindlichkeit und bipolarem Latch-Schaltverhalten mit Chopperstabilisierung.

Der Baustein SS350PT/SS460P arbeitet bereits ab 30 Gauss typisch, bei 25 °C und 55 Gauss maximal über den vollständigen Temperaturbereich von -40 °C bis 125 °C, wodurch der Einsatz kleinerer Magnete oder ein breiterer Luftspalt möglich sind. Das integrierte Pullup-Hall-IC-Design sorgt für geringe Komponentenkosten und vereinfacht die Installation, während das magnetisch bipolare Latch-Schaltverhalten eine genaue Geschwindigkeits- und Drehzahlmessung ermöglichen. Der Sensor weist ein robustes Design auf und sein RoHS-konformes Material erfüllt die Richtlinie 2002/95.

Kostengünstiger Doppelachsen-Beschleunigungsmesser

Beim Modell MXR7900A/C/D von MEMSIC handelt es sich um einen kostengünstigen, leistungsfähigen ±1,0 g Doppelachsen-Beschleunigungsmesser mit ratiometrischen Ausgängen, der auf einem einzelnen CMOS-IC untergebracht ist. Er misst die Beschleunigung mit einer Empfindlichkeit von 900 mV/g und stellt einen g-proportionalen ratiometrischen Analogausgang über/unter dem Null-g-Punkt bei 50 Prozent der Versorgungsspannung bereit.

Das Design basiert auf Wärmeströmung und benötigt keine feste Testmasse, wodurch die typischen Probleme, die in Verbindung mit Konkurrenzprodukten auftreten, entfallen. Eine einzelne auf dem Siliziumchip zentrierte Wärmequelle ist entlang eines Hohlraums aufgehängt. Aluminum-/Polysilizium-Thermophile (Gruppen von Thermoelementen) sind im gleichen Abstand auf allen vier Seiten der Wärmequelle angebracht (Doppelachse). Bei Nullbeschleunigung ist der Temperaturgradient symmetrisch zur Wärmequelle, sodass die Temperatur an allen vier Thermophilen gleich ist, was dazu führt, dass diese die gleiche Spannung ausgeben.

Die Beschleunigung in eine Richtung führt dazu, dass das Temperaturprofil aufgrund der freien Wärmeübertragung aus dem Gleichgewicht gerät, sodass es asymmetrisch wird. Deshalb ändert sich die Temperatur und folglich auch die Spannungsausgabe der vier Thermophile. Die differentielle Spannung an den Thermophilausgängen ist direkt zur Beschleunigung proportional. Der MXR7900A/C/D weist zwei identische Beschleunigungssignalwege auf, einen zur Messung der Beschleunigung auf der X-Achse und einen zur Messung der Beschleunigung auf der Y-Achse.

Er kann sowohl dynamische Beschleunigung wie Schwingungen als auch statische Beschleunigung wie Schwerkraft messen. Er stellt auch eine Widerstandsfähigkeit gegenüber Erschütterungen von mehr als 50.000 g bereit. Aufgrund der Handhabung bei der Montage und vor Ort gewährleistet das Gerät deutlich geringere Ausfallquoten und geringere Verluste. In Automobilanwendungen wird dieser Sensor für die Überrollschutz-Erfassung sowie für die elektronische Stabilitätsregelung (Vehicle Stability Control, VSC) und für die elektromechanische Servolenkung (EPS, Electronic Powered Steering) eingesetzt.

Energiesparender Dreiachsen-Beschleunigungsmesser

Ein weiteres erwähnenswertes Beispiel stammt von STMicroelectronics : der AIS329DQ. Hierbei handelt es sich um einen Dreiachsen-Beschleunigungsmesser mit hoher Leistung und extrem geringem Stromverbrauch, der einen digitalen Ausgang bietet und sich für Automobilanwendungen eignet (Bild 2).

Der Sensor weist folgende Merkmale auf: breiter Versorgungsspannungsbereich von 2,4 V bis 3,6 V, Niederspannungs-kompatible IOs (1,8 V), Verbrauch im extremen Stromsparmodus von nur 10 μA, ±2 g/±4 g/±8 g dynamisch auswählbarer voller Bereich, eine digitale SPI-/I2C-Ausgangsschnittstelle, 16-Bit-Datenausgang, zwei unabhängig programmierbare Interrupt-Erzeuger, einen Schlaf-/Aufwachmodus und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Erschütterungen (von bis zu 10.000 g).

Bild 2: Von STM kommt der energiesparende Dreiachsen-Beschleunigungsmesser AIS329DQ
Bild 2: Von STM kommt der energiesparende Dreiachsen-Beschleunigungsmesser AIS329DQ
( STMicroelectronics)

Der AIS328DQ kann Beschleunigungen mit Ausgangsdatenraten von 0,5 Hz bis 1 kHz messen. Der AIS328DQ kann auch in den Stromspar-Betriebsmodus geschaltet werden, der sich durch eine niedrigere Aktualisierungsrate der Daten auszeichnet. Obwohl das Gerät auf diese Weise in den Schlafmodus geschaltet ist, erfasst es weiterhin die Beschleunigung und erzeugt Interruptanforderungen.

Die Betriebsmodi mit extrem geringem Stromverbrauch ermöglichen eine fortschrittliche Stromersparnis und intelligente Schlaf-zu-Aufwach-Funktionen. Wenn die Schlaf-zu-Aufwach-Funktion aktiviert ist, kann der AIS328DQ automatisch aufwachen, sobald das Interrupt-Ereignis erkannt wurde, wodurch die Ausgangsdatenrate und die Bandbreite erhöht wird.

Dank einer Selbsttestfunktion kann der Anwender die Funktionsfähigkeit des Sensors in der endgültigen Anwendung überprüfen. Der in einem QFPN-Gehäuse (Quad Flat Pack No-Lead) untergebrachte Baustein AIS328DQ mit einer Grundfläche von 4 x 4 mm folgt dem Trend hin zur Anwendungsminiaturisierung und arbeitet garantiert über einen Temperaturbereich von -40 bis +105 °C.

Dieser Beschleunigungsmesser wird in Anwendungen wie Fahrzeugnavigation im Armaturenbrett, Kipp-/Neigungsmessungen, Diebstahlsicherung, intelligentem Energiesparen, Aufprallerkennung und -protokollierung, Schwingungsüberwachung und -kompensation und bewegungsaktivierten Funktionen verwendet.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie auf den Produktinformationsseiten auf der Digi-Key-Website.

* Carolyn Mathas ist Autorin im US-amerikanischen Publishing House Hearst Electronic Products

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