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Telemetrie Reifenzustand zuverlässig kontrolliert

Autor / Redakteur: Mike Ju* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Viele Neufahrzeuge sind heute mit Reifenluftdruck-Kontrollsystemen ausgestattet und ständig werden es mehr. Damit eröffnen sich den Anbietern solcher Systeme beachtliche Marktchancen. Allerdings sind die Anforderungen an Reifendruck-Kontrollsysteme hoch und beim Design sollte eine ganze Reihe wichtiger Aspekte beachtet werden.

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Bild: Continental
Bild: Continental
( Archiv: Vogel Business Media )

Experten schätzen, dass 2008 weltweit rund 68 Mio. neue Autos gefertigt werden. Viele davon werden mit Reifenluftdruck-Kontrollsystemen ausgestattet sein, die für mehr Sicherheit sorgen und den Spritverbrauch senken. Mittlerweile sind fast alle Autos der Luxusklasse serienmäßig mit Reifendruck-Kontrollsystemen ausgestattet und nach und nach kommen auch das mittlere und untere Pkw-Segment hinzu. Zudem müssen in den USA ab Modelljahr 2008 alle neuen Pkw unter 4500 kg mit einem Reifendruck-Kontrollsystem ausgerüstet sein, so jedenfalls schreibt es das TREAD-Gesetz (Transportation Recall Enhancement, Accountability And Documentation) vor. Betroffen davon sind 2008 über 16 Mio. neue Pkw in den USA.

Bild 1 zeigt den Aufbau eines typischen Reifendruck-Kontrollsystems mit Radsender und Empfangseinheit im Innenraum. Bei vier Reifen und einem Reservereifen sind pro Fahrzeug fünf Sender notwendig. Zudem müssen die Sender an den Reifen regelmäßig erneuert werden. Berücksichtigt man also neben der werksseitigen Montage auch das Potenzial des Anschlussmarkts, eröffnen sich Radsendern enorme Marktchancen.

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Der Radsender überträgt die Reifendaten für Druck, Temperatur und Drehzahl regelmäßig an den Empfänger. Sowohl Sender als auch Empfänger sind Transceiver-Module: Das Empfangsmodul sendet niederfrequente Befehle im 125-kHz-Bereich und empfängt Reifendaten z. B. bei 433,92 MHz, der Radsender empfängt die Befehle auf 125 kHz und sendet Daten im HF-Bereich.

Wichtig: lange Lebensdauer und breiter Temperaturbereich

Bei der Entwicklung eines Reifendruck-Kontrollsystems sind einige wichtige Punkte zu beachten. So soll der Radsender eine Lebensdauer von zehn Jahren haben. Ist der Sender batteriebetrieben, muss auch die Batterie zehn Jahre halten. Üblicherweise werden Batterien mit 540 mAh verwendet, was einem Durchschnittsstrom von 6,164 μA über zehn Jahre entspricht. Darüber hinaus muss der Radsender bei Temperaturen zwischen –40 und 125 °C funktionieren.

Eine Batterielebensdauer von 10 Jahren lässt sich nur erzielen, wenn mehrere Designaspekte berücksichtigt werden:

  • die Periodizität des Datenflusses,
  • die Datenrate,
  • die Modulation,
  • die HF-Sendeleistung sowie
  • die HF-Antenne.

Um Strom zu sparen, werden Daten nur übertragen, wenn sich der Reifendruck plötzlich um 0,07 bar ändert, bei Temperaturänderungen, beim Beschleunigen (z. B. alle 30 s) sowie bei konstanter Bewegung (z. B. alle 60 s). Manche Systeme übertragen Daten nur bei Druck- oder Temperaturänderungen.

Da bei zunehmender Datenrate die Übertragungsdauer abnimmt, lässt sich auch mit der Datenrate Strom sparen. Ein typisches HF-Datenübertragungspaket besteht aus Präambel, Sync und den Daten (Bild 2). Die Datenrate liegt meist zwischen 1 und 10 KBit/s. Bei 100 Bit pro Datenpaket ergibt sich bei 1 KBit/s eine Übertragungsdauer von 100 ms, bei 10 KBit/s pro Paket entsprechend 10 ms. Zur Sicherheit überträgt der Sender mehrere Pakete mit denselben Daten. Je mehr Pakete übertragen werden, umso höher ist der Energiebedarf. Wenn z. B. jedes Paket 100 Bit hat und insgesamt fünf Pakete gesendet werden, ergibt sich bei 1 KBit/s eine Übertragungsdauer von 500 ms. Bei 10 KBit/s beträgt die Übertragungsdauer 50 ms. Bei niedrigen Datenraten wird die Batterie also wegen der längeren Übertragungsdauer schneller leer sein.

Hohe Datenraten erfordern empfindliche Empfänger

Doch auch zu hohe Datenraten sind problematisch, da mit steigender Datenrate die Reichweite zurückgeht. So sinkt die Empfangsempfindlichkeit bei jeder Verdopplung der Datenrate um 3 dB. Bei höheren Datenraten muss also der Empfänger empfindlicher sein: Beträgt die Datenrate z. B. 1 KBit/s, ist eine Empfängerempfindlichkeit von –98 dBm notwendig, während es bei 8 KBit/s mehr als–107 dBm sind – und entsprechend teurer ist der Empfänger.

Bild 3 zeigt eine genauere Darstellung eines Radsenders. Es gibt zwei verschiedene Modulationsarten: ASK (Amplitu-denumtastung) und FSK (Frequenzum-tastung). Bei FSK ist die Sendeleistung während der Übertragung von „0“ oder „1“ gleich, während bei ASK die Sendeleistung bei der Übertragung von „0“ deutlich niedriger ist als bei „1“. Bei der OOK-Modulation (Ein-Aus-Tastung, eine Untergruppe der ASK-Modulation) wird im „0“-Zustand kein Strom gebraucht. Bei ASK ist der durchschnittliche Stromverbrauch zwar deutlich niedriger als bei FSK, aber FSK ist störfester. So kann z. B. „0“ bei ASK irrtümlich als „1“ interpretiert werden. Vermeiden lässt sich dies nur mit höherer Sendeleistung oder einem empfindlicheren Empfänger.

Die HF-Leistung des Radsenders an der Antenne muss –30 dBm betragen, um die Kommunikation mit dem Empfänger sicherstellen zu können – eine zu hohe Sendeleistung aber geht auf Kosten der Batterielebensdauer. Deshalb müssen bei der Entwicklung der Wirkungsgrad der HF-Sendeleistung und die Einfügungsdämpfung der Antenne berücksichtigt werden. Als Antenne eignet z. B. ein kurzer Draht, eine Leiterkarte oder einfach der Ventilschaft. Alle Antennen sind allerdings verlustbehaftet – man kann von einer Einfügungsdämpfung zwischen 25 und 30 dB ausgehen, sodass die HF-Sendeleistung am Antenneneingang zwischen –5 bis 0 dBm liegen muss.

Ein HF-Sender verbraucht mehr Strom als jede andere Komponente des Radsenders. So zieht z. B. ein typisches HF-Sendemodul bei 0 dBm einen Strom von 6 mA bei 3,3 V, während sich ein Mikrocontroller bei einer Taktfrequenz von 2 MHz mit weniger als 500 mA begnügt. Damit wird klar, dass jedes Dezibel weniger Antenne-Einfügungsdämpfung die Lebensdauer der Batterie verlängert.

Bei platzendem Reifen muss der Sender 150°C aushalten

Reifen erzeugen Hitze durch Reibung, sodass die Reifenoberfläche Temperaturen von bis zu 150°C erreichen kann. Der Radsender ist zwar nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt, weil er an der Felge neben dem Ventilschaft befestigt ist. Beim normalen Stop-and-go-Verkehr erhöht sich die Temperatur durch Bremsen auf ca. 69 bis 70°C. Der Radsender ist nur dann 150°C ausgesetzt, wenn ein Reifen platzt, da die Reifenfläche beim Entweichend der Luft den Radsender berühren kann. Deshalb muss ein Radsender wieder funktionsbereit sein, wenn die Temperatur unter 125°C absinkt. Die meisten Entwickler wählen Komponenten, die 150°C verkraften, einige Reifendruck-Kontrollsysteme überstehen sogar 170°C.

Der QwikRadio-Sender MICRF112YMM von Micrel wurde speziell für den Einsatz als UHF-Sender in Reifendruck-Kontrollsystemen entwickelt und wird den hohen Anforderungen in solchen Applikationen gerecht. Er leistet 0 dBm mit 5 mA bei 3,3 V und kann für ASK sowie FSK verwendet werden. Bei einer maximalen Datenrate von 50 kBit/s bei ASK und 10 kBit/s bei FSK unterstützen der Baustein verschiedene Datenraten von Reifendruck-Kontrollsystemen.

Der MICRF112YMM begnügt sich mit der niedrigste Betriebsspannung seiner Klasse: Während die meisten integrierten HF-Sender im Bereich von 300 bis 450 MHz eine Betriebsspannung von mindestens 2,1 V benötigen, funktioniert der MICRF112YMM schon ab 1,8 V. Eine Lithiumbatterie hat unter 2,1 V immer noch beträchtliche Energiereserven. In Bezug auf die Temperatur erfüllt der MICRF112 die Anforderungen an den Betriebstemperaturbereich von –40 bis 125°C, konnte aber bei Tests auch bei 170°C noch senden. Bei den Tests wurde er zum Senden mit +10 dBm bei Raumtemperatur konfiguriert und konnte bei 170°C noch mit +7 dBm senden – und zwar bei einem Verlust von nur 3 dB über einen Temperaturbereich von 145°C.

Der Einbau von HF-Sendemodulen in Reifendruck-Kontrollsysteme ist mit dem MICRF112YMM einfach, da nur acht externe Bauelemente und eine Sendeantenne benötigt werden (Bild 4), z.B. eine Stab- oder Rahmenantenne. Referenzvorschläge sind verfügbar.

Technische Daten des UHF-Senderbausteins MICRF112YMM

Betriebsfrequenz: 300 bis 450 MHz

Betriebsspannung: 1,8 bis 3,6 V

Betriebsstrom: 5 mA bei 3,3 V für 0 dBm, 7 mA bei 3,3 V für +10 dBm

Modulation: ASK und FSK

Datenrate: 50 kBit/s für ASK, 10 kBit/s für FSK-Manchester-Codierung

Betriebstemperatur: -40 bis 125°C

Funktionsfähig bis 170°C: ja

*Mike Ju ist Produkt-Marketing-Manager für HF-Produkte bei Micrel.

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