In Büros, Krankenhäusern, Schulen und Fabriken geschehen zwar viele intelligente Dinge, aber die Gebäude, in denen sie geschehen, sind häufig nicht besonders intelligent. Daher gibt es kaum verlässliche Daten, wenn es darum geht, die Energieeffizienz zu verbessern, Ressourcen aufzuspüren und die Beleuchtung zu optimieren. Zudem gibt es kaum Automatisierungssysteme, um solche Erkenntnisse zu nutzen. Angesichts der Tatsache, dass etwa ein Drittel der Treibhausgasemissionen in der EU auf gewerblich genutzte Gebäude entfällt (Europäische Umweltagentur) und die Wartungskosten gesenkt und das Gebäudemanagement verbessert werden müssen, gewinnt der Einsatz von intelligenten Gebäude- und Beleuchtungslösungen zunehmend an Bedeutung.

Aus verständlichen Gründen ist die Umsetzung solcher Lösungen in Neubauten einfacher, da dort die notwendigen Kabel und Anschlüsse sowie die moderne Beleuchtung und Gebäudearchitektur bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden. Doch auch an einem großen Teil der Bestandsimmobilien lassen sich Nachrüstungen vornehmen, die zu Energie- und Kosteneinsparungen beitragen.

Es werden immer wieder neue intelligente Gebäudelösungen auf den Markt gebracht. Langfristiger Support, eine starke Lieferantenbasis und eine robuste technische Umsetzung sind hierbei besonders wichtig, vor allem bei einem System, das für die nächsten ein oder zwei Jahrzehnte funktionieren soll. Die KNX Association hat einen Standard für intelligente Gebäudetechnologie entwickelt, der 500 Hersteller und 8.000 zertifizierte Produkte umfasst und auf eine lange Liste erfolgreicher Implementierungen weltweit verweisen kann. Mit den NCN5140 Evaluierungsboards von onsemi wird die Entwicklung von zertifizierten KNX-Produkten erleichtert, denn sie bieten einen hervorragenden Ausgangspunkt für Schalterapplikationen (Abbildung 1).

Dieses System-in-Package (SiP) basiert auf dem NCN5140S und beinhaltet einen Arm Cortex-M0+ Mikrocontroller mit KNX-Transceiver. Für die Entwicklung eines KNX-Knotens benötigt das SiP lediglich einen Filterkondensator, einen Tx-Widerstand und einen Fan-in-Widerstand, um das Stromprofil des Knotens zu definieren, das von der Twisted-Pair-Verdrahtung abgeleitet wird.

Das Evaluierungsboard ist in zwei Versionen mit acht Tasten erhältlich, wobei eine Version mit mechanischen Drucktasten und die andere mit (kapazitiven) Touchtasten arbeitet. Ein vorzertifizierter Anwendungscode steuert und dimmt die acht RGB-LEDs, mit denen die Tasten oder Touchpads beleuchtet werden können. Die Evaluierungsboards ermöglichen eine vollständig zertifizierte KNX-Schalterapplikation und bieten eine zertifizierte physikalische Schicht und einen KNX-Software-Stack für intelligente Beleuchtungs-, Rollladen-, Jalousie- und Lüftungssteuerungen.

Es werde Licht

Die Zeiten der Glühlampen sind längst vorbei, und auch die Leuchtstoffröhren sind weitgehend verschwunden. Stattdessen werden heute LEDs eingesetzt, die nicht nur eine hervorragende Beleuchtungsleistung bieten, sondern dank ihrer geringen Größe auch in zahlreichen neuen und innovativen Formen erhältlich sind. Für eine optimale Leistung ist jedoch ein hochwertiger Treiber erforderlich, der die gewünschten intelligenten Funktionen und die Langlebigkeit der Leuchte ermöglicht. Der NCL31000 und sein Pendant, der NCL31001, bieten eine intelligente LED-Ansteuerung, die auch eine intelligente Lichtsteuerung und Innenraum-Positionierung unterstützt (Abbildung 2).

Das Herzstück bilden hocheffiziente, duale synchrone Buck-LED-Treiber mit einer einstellbaren Schaltfrequenz von 44,4 kHz bis 1 MHz, außerdem wird eine PWM-Dimmung bis auf Nullstrom unterstützt. Zur Verbesserung der leitungsgebundenen EMI steht eine Spread-Spectrum-Steuerung zur Verfügung. Dank eines Strommesswiderstands kann der Strom durch den Induktor überwacht werden, was Teil der messtechnischen Fähigkeiten der Geräte ist. Zu den weiteren Daten, die erfasst werden können, zählen interne Spannungen, Ströme und LED-Spannungen. Diese Informationen werden mit einer Abtastrate von 100 ms erfasst und können zusammen mit Status-, Warn- und Fehlerdaten an ein zentrales Gebäudemanagementsystem übermittelt werden. Der NCL31001 unterscheidet sich vom NCL31000 dadurch, dass er keine internen Zusatz- und 3,3-V-Abwärtswandler enthält.

Die Kommunikation erfolgt über SPI oder I2C, je nach ausgewähltem Gerät. Dies erleichtert den Einstieg in die Arbeit mit Mikrocontrollern. Das Evaluierungsboard NCL31000ASGEVB (Abbildung 3) ist ein Arduino-kompatibles Board, das LED-Strings mit bis zu 100 W unterstützt. Andere Mikrocontroller-Entwicklungsplattformen werden jedoch problemlos durch eine direkte Verbindung mit den SPI- oder I²C-Pins unterstützt.

Geräte im Blick behalten

Die vielleicht größte Frustration für diejenigen, die in Umgebungen mit gemeinsam genutzten Ressourcen arbeiten, wie beispielsweise in Krankenhäusern und Laboren, ist das Wiederfinden von Geräten. Eine kurze Kaffeepause scheint zu reichen, damit solche Gegenstände „umverteilt“ werden. Die Nachverfolgung von Geräten ist eine große Herausforderung, da hierfür häufig Funktechnologie benötigt wird, die jahrelang mit einer einzigen Batterie betrieben werden kann. Entwicklern stehen zwar zahlreiche drahtlose Technologien zur Verfügung, doch eine, die sich durch stromsparenden Betrieb mit Batterien auszeichnet, ist Bluetooth Low Energy (BLE).

Das RSL10 von onsemi ist ein hochintegriertes System-on-Chip, das auf den Strombedarf solcher Applikationen mit geringer Leistung ausgelegt ist und auch eine Konnektivität mit Bluetooth 5.2 bietet. Sein 2,4-GHz-Funk-Transceiver kann auch für andere drahtlose Protokolle mit geringer Leistung verwendet werden. Herzstück des Bauteils ist ein Arm Cortex-M3-Prozessor, der im Deep-Sleep-Modus einen Stromverbrauch von 50 nA bzw. 300 nA mit 8 kB RAM-Erhaltung bei 1,25 V Batteriespannung bietet. Die Firmware kann auch Over-The-Air (OTA) aktualisiert werden. Das Bauteil wurde bereits in mehreren Applikationen zur Nachverfolgung von Geräten in Krankenhäusern eingesetzt, wodurch das Horten und der Diebstahl von Geräten verhindert werden kann (Abbildung 4). Dadurch können Mitarbeiter bei der Suche nach medizinischen Geräten viel Zeit sparen, was zu einer besseren Patientenversorgung und finanziellen Einsparungen beiträgt. In Kombination mit Machine Learning im Backend kann ein besseres Verständnis für Mitarbeiterbedürfnisse, Gerätenutzung und vorausschauende Wartung erreicht werden.

Stromversorgung über Ethernet

Für viele Applikationen ist die drahtlose Übertragung die einzige Lösung, andere wiederum benötigen viel Strom, wie z. B. digitale Anzeigen für Konferenz- und Tagungsräume, PTZ-Kameras oder Beleuchtungssysteme. Bei Letzteren wird die Beleuchtungssteuerung mit Anwesenheitssensoren (z. B. PIR) kombiniert, um den Stromverbrauch zu reduzieren, indem das Licht in leeren Räumen ausgeschaltet wird. Über Power over Ethernet (PoE) können solche Geräte an Gebäudemanagementsysteme angeschlossen werden und liefern Energieüberwachungs- und Belegungsdaten, ohne dass eine lokale Stromversorgung erforderlich ist.

Für Powered Devices (PD), also für Geräte, die bei PoE Strom verbrauchen, bietet der NCP1095 von onsemi alles, was für die Entwicklung von IEEE 802.3af/at- und -3bt-konformen Geräten erforderlich ist. Er verfügt über Detektionssignatur, Classification Handshaking, Einschaltstrombegrenzung und Überstromschutz und eignet sich für Applikationen mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 90 W. Auch Maintain Power Signature (MPS)-Pulse werden unterstützt, sodass Entwicklungsteams PoE-Knoten mit sehr geringem Standby-Stromverbrauch entwickeln können. Zur Reduzierung der Stückliste verfügt der NCP1095 über einen Pin zur Erkennung von Zusatzstromversorgungen. Dadurch lassen sich die Geräte mit einem separaten Netzteil einfach an Nicht-PoE-Netzwerke anschließen (Abbildung 5).

Bauträger und Architekten stehen unter dem Druck, energieeffiziente Gebäude zu bauen. Die Gebäudeautomatisierung unterstützt sie dabei. Gebäudeverwalter können dabei nicht nur den Stromverbrauch überwachen, sondern mit geeigneter Software auch ermitteln, wie weitere Effizienzsteigerungen erzielt werden können. Lösungen wie KNX und NCN5140S liefern die notwendige branchenweite Unterstützung und stellen sicher, dass der Standard für Lösungen von heute und die kontinuierliche Weiterentwicklung von morgen genutzt werden kann. LED-Treiber mit integrierter Intelligenz und Überwachungsfunktion, wie z. B. NCL31000/1, bieten die notwendigen Energieüberwachungsfunktionen, um Effizienzsteigerungen zu erzielen.

Gebäude werden immer intelligenter

Mit Low-Power-SoCs wie dem RSL10 lassen sich teure Geräte in Gebäuden per Bluetooth überwachen. Das steigert die Effizienz der Nutzung und bietet einen besseren Einblick, wo Engpässe vorhanden sind. Und falls mehr Strom benötigt wird, ermöglicht das PoE-Bauteil NCP1095 die Nutzung von Ethernet für die Stromversorgung und Datenübertragung.