Spannungsvariable Oszillatoren

Den Takt halten

10. Mai 2021, 13:42 Uhr | Von M.Sc. Susanna Engel, Field Application Engineer bei Würth Elektronik eiSos

Batterien liefern über ihren Entladezyklus hinweg keine konstante Spannung. Oszillatoren, die eine variable Eingangsspannung akzeptieren, stellen sicher, dass die Taktfrequenz dennoch die erforderlichen Spezifikationen einhält und die erforderliche Genauigkeit gewährleistet ist.

Die fortschreitende Digitalisierung und Vernetzung, die Entwicklung von Wearables und Internet of Things (IoT) führen zu einem exponentiellen Anstieg des Bedarfs an Batterien zur Versorgung solcher Geräte sowie des übertragenen Datenvolumens. Sowohl Batteriebetrieb als auch das hohe Datenvolumen erfordern anpassungsfähige Schaltungen, die zuverlässiges, genaues Funktionieren und Langlebigkeit gewährleisten. Eine adäquate Taktquelle ist eine entscheidende Komponente, um dies zu ermöglichen.

Batterien und Akkus sind seit der Entwicklung der massenmarkttauglichen Alkali-Mangan-Batterie in den 1950er-Jahren, spätestens aber seit der Einführung des Lithium-Ionen-Akkus auf dem Vormarsch. Ebenso rasant ist die damit verbundene Entwicklung von tragbaren elektronischen Geräten. Von Werkzeugen und Messgeräten über Computer und Spielkonsolen, große Geräten und kleine Sensoren bis hin zu Uhren und Socken mit eingebauter Elektronik ist alles zu finden. Musste die Elektronik zunächst lediglich die Funktion steuern, sind batteriebetriebene Geräte nun zunehmend online, lassen sich vernetzen und sind Teil der wachsenden Welt der Smart Electronics.

Diese Entwicklung bringt jedoch zwei Hürden mit sich: Zum einen muss eine elektronische Schaltung an die Eigenschaften einer Batterie angepasst werden. Zum anderen erfordern die immer größer werdenden Datenmengen, die von mobilen Geräten verarbeitet und versendet werden, einen zuverlässigen und genauen Takt. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Geräte einwandfrei funktionieren und wir am Ende wirklich „smarter“ werden.

Oszillatoren sind auf ihre
Versorgungsspannung ausgelegt

Von jeher werden Quarze und Oszillatoren als Taktgeber elektronischer Schaltungen verwendet. Obwohl es zunehmend Alternativen gibt, wie beispielsweise mikroelektromechanische Systeme (MEMS) oder die immer besser werdenden integrierten Takte in Mikrocontrollern, ist der klassische quarzbasierte Takt immer noch am weitesten verbreitet. Während ein Quarz die Entwicklung einer Oszillatorschaltung erfordert, bietet ein Oszillator den Komfort einer fertig integrierten Schaltung. Es muss lediglich eine Versorgungsspannung angelegt werden, um eine Taktfrequenz zu erzeugen. Damit ein Oszillator entsprechend seiner Spezifikation schwingen kann, benötigt er eine Mindestversorgungsspannung. Traditionell ist dies eine feste Versorgungsspannung, auf die der Oszillator kalibriert ist. Schon kleine Schwankungen von 5 bis 10 Prozent können zu Abweichungen in der Genauigkeit des Oszillators und damit des Taktes führen. Dies wiederum kann zu Problemen oder sogar den Ausfall des Gerätes zur Folge haben. Leider liegt es (noch) in der Natur der Batterie, dass sie über ihren Entladezyklus hinweg keine konstante Spannung liefern kann.

Alterung und Temperaturabhängigkeit

Die Batterieladung und damit die Energie, die sie liefern kann, hängt von mehreren Faktoren ab. Der wichtigste Faktor ist die Zeit. Im Laufe ihrer Lebensdauer gibt die Batterie Ladung ab und verliert so bei konstantem Entladestrom allmählich an Leistung. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Belastung der Batterie. Je mehr ein Gerät benutzt wird, desto schneller entlädt sie sich. Der dritte große Faktor ist die Temperatur. Eine Batterie entlädt sich bei kalten Temperaturen viel schneller als in einer warmen Umgebung. Sowohl der Einfluss der Zeit als auch der Temperatur sind im Bild dargestellt. Besonders deutlich ist der Spannungsabfall bei –20 °C, dargestellt in Schwarz. All diese Einflüsse bedeuten, dass eine Batterie nicht dauerhaft eine feste Versorgungsspannung liefern kann.

Die Lösung für dieses Problem ist ein Oszillator, der eine variable Eingangsspannung akzeptiert. Dadurch wird sichergestellt, dass die Taktfrequenz unabhängig von der Temperatur, dem Ladezustand und der Batteriebelastung innerhalb der erforderlichen Spezifikation gehalten wird und somit die erforderliche Genauigkeit gewährleistet ist. Änderungen der Versorgungsspannung haben dann keinen Einfluss auf die Frequenzgenauigkeit.

Variabler Eingangsbereich spart Kosten

Neben dem unbestreitbaren technischen Vorteil bieten Oszillatoren mit variabler Eingangsspannung langfristig auch ein großes logistisches und wirtschaftliches Kosteneinsparungspotenzial. Ein großer Spannungsbereich ermöglicht es, mehrere Oszillatoren mit fester Versorgungsspannung durch einen Oszillator mit variabler Eingangsspannung zu ersetzen. Die Reduzierung der Anzahl der im Unternehmen verwendeten Komponenten spart Kosten: Durch die Zusammenlegung von Stückzahlen kann oft eine Preisreduzierung erreicht werden. Und durch eine geringere Zahl von Bauteilrollen können Frachtkosten, Kosten für Ein- und Auslagerung sowie Lagerhaltung eingespart werden. Darüber hinaus können zusätzliche Zeit und damit Kosten für die Bestückung reduziert werden. Eine geringere Varianz der Komponenten senkt zudem in der Regel den Verwaltungsaufwand.

Mit dem IQXO-951 bietet IQD Frequency Products, ein Unternehmen der Würth-Elektronik-eiSos-Gruppe, nun einen Oszillator, der speziell auf batteriebetriebene Anwendungen ausgelegt ist. Mit einem Versorgungsspannungsbereich von 1,62 V bis 3,63 V ist er für den gesamten Entladezyklus einer Batterie geeignet. Darüber hinaus bringt er mit einer Stabilität von ±25 ppm über den industriellen Temperaturbereich von –40 bis +85 °C die Voraussetzungen für eine genaue Taktung und damit eine präzise Datenübertragung mit. Der IQXO-951 ist in drei verschiedenen Standardgrößen erhältlich: 3,2 mm × 2,5 mm, 2,5 mm × 2,0 mm und 2,0 mm × 1,6 mm.