Nest PCB-Design im Thermostat von Nest bringt neue Technik in unsere Häuser

July 15, 2017 Altium Designer

thermostat à cadran rond

Kein besonders spektakuläres Produkt.

 

Ich bin im Nordosten der USA aufgewachsen und der Thermostat war immer ein Streitpunkt in meinem Elternhaus. Er war nie hoch genug eingestellt – nur auf gut 15 Grad mitten im Januar! Meine Eltern, pragmatisch wie immer, wollten Energie sparen. Wenn sowieso alle den ganzen Tag bei der Arbeit oder in der Schule sind, dann ist es sinnlos, die Heizung voll aufzudrehen. „Außerdem kannst du auch einen Pullover mehr anziehen“, hieß es dann immer. Ich sah das anders. Der typische Heranwachsende in mir betrachte meine Familie als zivilisierte Leute, die eine Heizungsrechnung bezahlen konnten. Wie die meisten Heranwachsenden war auch ich damals ziemlich ahnungslos. Ein leeres Haus zu heizen ist nicht billig, sogar, wenn es warm und gemütlich ist. Ich konnte natürlich nicht ahnen, dass Technologie, die sich die Fortschritte im PCB-Design zunutze macht, Abhilfe schaffen würde.

 

 

Thermostate waren nicht immer der heißeste Techniktrend

 

Lange Zeit haben Startups und Hardware-Entwickler den guten alten Thermostat einfach ignoriert. Bisherige Thermostate hatten nicht besonders viele Funktionen. Thermometer ablesen, Temperatur einstellen. Mit etwas Glück gab es eine Zeitschaltuhr und ein kleines LCD-Display. Im Grunde unterschied sich ein Thermostat aus dem Jahre 2005 kaum von einem aus dem Jahr 1965. Klar, sie hatten den Sprung von analog auf digital geschafft und waren vielleicht etwas schicker (zum Beispiel goldfarbig) – aber Funktionen und Steuerung blieben identisch. Er ist entweder „an“ oder „aus“. Wenn man es so betrachtet, waren Thermostate reif für eine Revolution. Erst in den späten 2000er-Jahren hatte jemand dem Thermostat endlich die Aufmerksamkeit gab, die ihm gebührte.

 

Dann nämlich trat Nest auf den Plan. Als PCB-Designer oder -Entwickler verfolgen Sie wahrscheinlich das Wachstum des „Smart Home“-Bereichs, den Nest mit definiert hat. Das Unternehmen wurde 2011 von zwei ehemaligen Apple-Ingenieuren, Tony Fadell und Matt Rogers, gegründet. Es wird erzählt, dass Fadell beim Bau seines Ferienhauses verschiedene Thermostate kaufte. Wie in dem Buch von Steve Jobs zu lesen ist, war Fadell sofort unzufrieden mit der vorgefundenen Auswahl und nahm sich vor, es besser zu machen. Zusammen mit Rogers, einem ehrgeizigen Mitarbeiter in der iPod-Abteilung von Apple, entwickelte er den Thermostat für das 21. Jahrhundert. Das Ergebnis war eine völlig neue Idee der Heimsteuerung. Ein Thermostat, der Ihre Heiz- und Kühlgewohnheiten „erlernt“. Er bemerkt, wenn die Heizung beim Aufbruch zur Arbeit runter- und zum Feierabend wieder hochgedreht wird. Wiederholen sich diese Muster, führt der Nest-Thermostat sie automatisch aus. Dabei berücksichtigt er auch die Zeit, die zum Aufheizen oder Abkühlen eines Raums auf die gewünschte Temperatur nötig ist. Er hat auch das Wetter an seinem Standort im Blick und fährt den Heizkessel hoch, wenn eine Kaltfront naht. Außerdem ist der Nest-Thermostat, anders als andere „Smart Home“-Produkte, mit einem Steuerungssystem in der Cloud verknüpft, über das er sich online steuern und überwachen lässt.

 

thermostat digital
Viel besser! Der Thermostat von Nest sieht besser aus als ältere Modelle.
 
 

Der Thermostat von Nest hat die Konkurrenz definitiv stark beeindruckt, aber woher weiß er, wann die Klimaanlage eingeschaltet werden muss? Das ist das Ergebnis seiner Fähigkeit zum maschinellen Lernen. Mit selbstlernenden Algorithmen „lernt“ der Thermostat die Gewohnheiten eines Haushalts, indem er verfolgt, wann die Heizung oder die Klimaanlage rauf- oder runtergedreht werden. Sind genügend Daten gesammelt, kann der Thermostat von Nest die Temperatureinstellung nach Ihren Gewohnheiten und Tageszeit voraussehen und automatisch anpassen. Aber das bedeutet mehr als eine neue Art, Energie zu sparen. Für den PCB-Designer stellt Nest eine neue Art und Weise dar, die neuesten und besten PCB-Entwicklungen einzusetzen.

 

 

Eine spannende Art und Weise, moderne PCB-Technologie einzusetzen

 

Der Thermostat von Nest ist das Ergebnis jüngster Fortschritte in der modernen PCB-Entwicklung. Hätte Nest ein Jahrzehnt früher versucht, den Thermostat neu zu erfinden, wäre die Technologie gar nicht in der Lage gewesen, die Größen- und Leistungsvorgaben zu erfüllen. Klar, Nest hätte sicher einen funktionierenden Prototypen hinbekommen, aber der hätte nicht die Größe und die Aufmachung eines zeitgemäßen „Smart Home“-Produkts gehabt. Noch dazu wäre er teurer gewesen! Techniken wie hochdichte PCBs, Ball-Grid-Array-ICs und effizienzorientierte Designlösungen steckten noch in den Kinderschuhen. Ein bezahlbarer Preis lag in weiter Ferne. Nest hat die Welt der Thermostate auf den Kopf gestellt, aber zunächst einmal musste die Technologie dafür existieren.

 

processeur avec BGA
Kompakte Ball-Grid-Array-ICs (BGA) sind nur eine der Techniken, die Nest sich zunutze gemacht hat
 
 

Es ist nämlich so, dass die Technologien im Thermostat von Nest nicht nur das Ergebnis günstiger Massenproduktion sind. Alle diese ICs auf eine komplexe, hochdichte Leiterplatte zu bringen, ist keine einfache Sache. Es gilt also, den Designaufwand hinter dem Produkt zu würdigen. Als Sparkfun den Thermostat zerlegte, wurde klar, was moderne PCB-Design-Techniken ermöglichen. Die Leiterplatte der Haupt-Logik basiert auf einer Multilayer-Lösung mit vielen oberflächenmontierten Chips für optimale Platzausnutzung. Mehrere BGAs sind verbaut, um die Größe weiter zu minimieren und die höhere Anzahl der Anschluss-Pins zu nutzen. Ein eher konventionelles Quad Flat Pack wäre zu groß und ineffizient gewesen. Weiteren Platz spart Nest mit Oberflächenkontakten auf der Leiterplatte selbst, die die sperrigen Flachbandkabel ersetzen. Bei einer der Zusatzleiterplatten dienen die Montageschrauben selbst als Stromversorgungs-, Masse- und Signalverbindungen. Alles in allem ist der Thermostat  von Nest ein Höhepunkt eines platzsparenden Designs hoher Dichte. Mithilfe der eingesetzten Techniken konnte Nest die Kombination aus Performance und  Format realisieren, die für eine erfolgreiche Umsetzung des Thermostats notwendig ist.

 

Die Techniken, die Nest erfolgreich eingesetzt hat, ermöglichen eine völlig neue Kategorie von Smart-Home-Geräten. Tatsächlich versuchen Start-Up-Unternehmen und unabhängige Designer überall, den Erfolg von Nest in der Smart-Home-Branche zu wiederholen. Auch wenn Sie vielleicht nicht am nächsten revolutionären Thermostat arbeiten, ist eine leistungsstarke PCB-Design-Software auch für Sie der Schlüssel zum Erfolg. CircuitStudio von Altium, eine benutzerfreundliche PCB-Design-Software, bietet eine intuitive Benutzeroberfläche und beherrscht die neuesten Hardware-Tricks. Damit behalten Sie alles im Blick und unter Kontrolle, um die Designvorgaben selbst der schwierigsten Projekte zu erfüllen. CircuitStudio ist die Komplettlösung für Start-Up-Unternehmen und Profis. Mit einer Lösung von Altium kommen Sie auch bei Ihrem nächsten Projekt nicht ins Schwitzen.

 
 

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PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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