Ratgeber
Integrierte Schaltkreise, kurz ICs, sind sozusagen die Kernelemente moderner Elektronik. Ihnen ist die Miniaturisierung einstmals aufwändiger Konstruktionen zu verdanken, wie beispielsweise Uhren, die automatisch und völlig ohne mechanische Komponenten die aktuelle Zeit bereitstellen. Lesen Sie hier, was genau sich hinter ICs verbirgt und wie sie buchstäblich den Zeitgeist verändert haben.
IC ist die Abkürzung des englischen Integrated Circuit, zu Deutsch integrierter Schaltkreis. Andere geläufige Bezeichnungen sind Chip oder Mikrochip. Es handelt sich dabei immer um eine Kombination elektronischer Schaltungen auf einem kleinen flachen Stück aus Halbleitermaterial, normalerweise Silizium. Die Integration einer riesigen Anzahl mikroskopisch kleiner Transistoren und anderer Bauelemente führte zu Schaltkreisen, die um Größenordnungen kleiner und schneller sind als solche, die aus diskreten elektronischen Komponenten aufgebaut sind.
IC-Bausteine lassen sich heute in großen Massen vollautomatisch, kostengünstig und nach hohen Qualitätsmaßstäben produzieren. Ihre Zuverlässigkeit und der Baukasten-Ansatz beim Design haben dafür gesorgt, dass standardisierte Mikrochips schnell an die Stelle von Entwicklungen mit diskreten Bauelementen getreten sind. Integrierte Schaltkreise werden heute in praktisch allen elektronischen Geräten eingesetzt, sie haben die Welt der Elektronik revolutioniert.
Gegenüber diskreten Schaltungen besitzen Mikrochips zwei Hauptvorteile: Kosten und Leistung. Die Kosten sind niedrig, weil die Chips mit sämtlichen Komponenten als Einheit durch Photolithographie gedruckt werden, anstatt einen Transistor nach dem anderen einzubauen. Außerdem wird bei ihnen viel weniger Material verbraucht als bei diskreten Schaltungen. Die Leistung ist hoch, weil die Komponenten des schnell schalten und aufgrund ihrer geringen Größe und Nähe zueinander vergleichsweise wenig Strom verbrauchen. Größter Nachteil von ICs sind allerdings die hohen Kosten für ihr Design und die Herstellung der erforderlichen Fotomasken. Diese hohen Anfangskosten bedeuten, dass integrierte Schaltkreise nur dann kommerziell rentabel sind, wenn hohe Produktionsmengen zu erwarten sind.
Absolut rentabel für die Hersteller sind jene ICs, die als Echtzeituhren im Einsatz sind. Zur Erklärung: Eine Echtzeituhr, oft abgekürzt als RTC von Real Time Clock, arbeitet physikalisch, im Gegensatz zu einer logischen Uhr, die auf einer relativen Zeit basiert und nicht unbedingt die genaue Uhrzeit angeben muss. In modernen Computersystemen sind im Allgemeinen beide Arten auf der Platine zu finden. Die Echtzeituhr sorgt für die exakte Angabe der Zeit und des Datums, die logische Uhr für Kausalität von Abläufen und Ereignissen.
Der Chip besteht aus einem auf Uhrenfunktionen spezialisierten integrierten Schaltkreisprozessor. Er zählt die Jahre, Monate, Tage, Stunden, Minuten und Sekunden auch dann, wenn der PC ausgeschaltet ist. Echtzeituhren sind aber auch in vielen eingebetteten Systemen vorhanden und werden in elektronischen Schaltungen verwendet, in denen eine präzise Zeitreferenz benötigt wird. Dazu zahlen beispielsweise Fernsehgeräte, Wasch- und Spülmaschinen ebenso wie Steuerungen rund um das Facility Management.
Echtzeit-Controller besitzen in der Regel einen eigenen Quarzoszillator. Dessen Frequenz beträgt normalerweise 32,768 Kilohertz – die gleiche Frequenz, die auch in Quarzuhren verwendet wird. Da sie genau 215 Zyklen pro Sekunde entspricht, ist sie für einfache binäre Zählerschaltungen geeignet. Die niedrige Frequenz spart Strom und bleibt gleichzeitig oberhalb des menschlichen Hörbereichs. Hinzu kommt, dass die verwendeten Quarze nicht sehr temperaturempfindlich sind, was zu Schwankungen der Frequenz führen kann.
Einige Echtzeituhr-Mikrochips verwenden statt eines Quarzoszillators einen mikromechanischen Resonator, der allerdings deutlich auf Temperaturschwankungen reagiert. Daher kompensieren diese Uhren die Schwankungen mit Hilfe eines elektronischen Thermometers und entsprechender Logik.
Typische Spezifikationen für Quarz-Zeitnehmer liegen bei plus/minus 100 bis plus/minus 20 Teilen pro Million, das entspricht einer Abweichung 8,6 bis 1,7 Sekunden pro Tag. Temperaturkompensierte RTC-ICs sind mit einer Genauigkeit von weniger als 5 Teilen pro Million erhältlich. In der Praxis reicht diese sogar Genauigkeit aus, um Himmelsnavigation durchzuführen, die klassische Aufgabe eines Chronometers.
Damit die Zeitmessung auch dann weiterläuft, wenn der RTC-Chip nicht mit Strom versorgt wird, sind spezielle Echtzeituhr-Module im Handel. Sie enthalten eine eigene Spannungsversorgung, in der Regel in Form einer langlebigen Lithium-Batterie. Das Modul ist daher unabhängig von der Hauptstromversorgung.
Das Herzstück eines solchen RTC-Moduls ist ein extrem genauer Chip. Er verwaltet alle Zeitmessfunktionen und verfügt über eine einfache Zweidraht-Schnittstelle oder serielle beziehungsweise parallele Anschlüsse, die leicht mit einem beliebigen Mikrocontroller verbunden werden können. Der Chip verwaltet die Informationen über Sekunden, Minuten, Stunden, Tag, Datum, Monat und Jahr. Das Datum am Ende des Monats wird automatisch für Monate mit weniger als 31 Tagen angepasst, einschließlich Korrekturen für Schaltjahre.
Auswahlkriterien für die Beschaffung
Die erste zu beantwortende Frage betrifft den Funktionsumfang. So gibt es RTCs mit und ohne Kalender, mit nur 24-Stunden- oder umschaltbarer 12/24-Stunden-Ausgabe. Ebenso wichtig ist die Gehäuseform, zur Verfügung stehen sowohl PCDIP- als auch SOIC und SON-Gehäuse. Entsprechend kann die Montage über Durchführungslöcher oder auf der Platinenoberfläche erfolgen. Je nach Einsatzbereich sind auch die Schnittstellen zu berücksichtigen. Neben einer zweiadrigen, parallelen und seriellen Schnittstelle stehen auch ICs mit I2C-Bus zur Verfügung.
Hinsichtlich der Strom- und Spannungsversorgung sind RTC-Chips relativ anspruchslos. Die Versorgungsspannung kann zwischen 1,3 und 5,5 Volt liegen, beim Strom für die Zeitmessung reichen 2 Mikroampere bis zu 3 Milliampere.