Ausgabe 39
Elektrifizierung weiter vorantreiben 4
Die Roboter kommen
UK Edition
11 Wenn Ihr nächster Traktor ein Tesla ist
French
German
18 Bessere Bahnen bauen
Italian
Focus ist das vierteljährliche Magazin von Avnet Abacus. Es bietet ausführliche Trend- und TechnologieBerichte, Produktneuheiten, Neuigkeiten aus der Avnet-Community und Interviews mit Marktführern.
Avnet Abacus ist ein paneuropäischer Distributor, der Kunden von der Entwicklung bis zur Umsetzung unterstützt. Unsere branchenweit führende Linecard umfasst weltweit anerkannte Hersteller und ein umfangreiches Produktangebot aus den Bereichen Verbindungstechnik, passive und elektromechanische Bauelemente, Stromversorgung, Energiespeicher, Funk- und Sensorlösungen.
Steckverbinder Amphenol: Lösungen für Hochleistungsund Signalanwendungen
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Hirose: Serien DF50/DF50A
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Leistungselektronik
Fachartikel Die Roboter kommen
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Wenn Ihr nächster Traktor ein Tesla ist
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Bessere Bahnen bauen
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Nachrichten Harwins 5-Star-Award 2021
Technologien unserer Zulieferer
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Molex: Die Welt mit intelligenter Landwirtschaft ernähren Murata: SCHA63T
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Sensoren OMRON: Serien D2JW und G8N
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Bourns: Positionserfassung für Off-Highway- und Industrie-Anwendungen
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Interview Entwicklungen bei intelligenten Batterien, die den Markt für industrielle E-Mobilität beleben
Für Kommentare oder Fragen zu den in dieser Ausgabe aufgeführten Technologien oder eine Beratung durch einen unserer Spezialisten, wenden Sie sich an avnet-abacus.eu/ask-an-expert Herausgeber Anais Dupont Design Chiltern Graphics Druck Image Evolution
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Willkommen zur neuen Ausgabe unseres Focus-Magazins, in der wir den Wandel der Energie-/Antriebssysteme im Transportwesen näher untersuchen wollen. Obwohl sich ein Großteil des Interesses an der Elektrifizierung unserer Verkehrsnetze auf straßengebundene Elektrofahrzeuge (EVs) konzentriert, ist dies nur ein Teil der Geschichte. Unser Focus-Magazin geht darüber hinaus und beleuchtet dieses Thema aus verschiedenen Blickwinkeln. Wir erklären die Marktdynamik, die Innovationen anderswo vorantreibt, und die technischen Hindernisse, die überwunden werden müssen. In unserem ersten Beitrag „Die Roboter kommen“ befasst sich Hagen Götze mit dem zunehmenden Einsatz von fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGV; Automated Guided Vehicles) für den Materialtransport und die Logistik in intelligenten Fabriken. Er erörtert die fortschrittlichen Sensorfunktionen, die erforderlich sind, damit AGVs keine Menschen verletzten, sowie die Anforderungen an Kommunikation, Datenverarbeitung und Stromversorgung, die einen effektiven, wartungsarmen Betrieb ermöglichen.
Rudy Van Parijs President, Avnet Abacus
Die Möglichkeiten der Elektrifizierung von Land- und Baumaschinen behandeln wir in unserem zweiten Beitrag: Wenn Ihr nächster Traktor ein Tesla ist. Die derzeit eingesetzten Dieselmotoren werden durch Elektromotoren ersetzt. Dies senkt die Energiekosten, die Lärmbelästigung und schädliche Emissionen, während gleichzeitig die Produktivität zunimmt. Die Elektrifizierung bringt in diesem Bereich jedoch einige Herausforderungen mit sich, da sehr viel Energie benötigt wird. Hier untersucht Alessandro Mastellari die mögliche Lösung, Batterien mit Superkondensatoren zu kombinieren, um bei Bedarf größere Energiemengen bereitzustellen. Der Schienenverkehr bleibt für den Güterverkehr und zur Personenbeförderung von entscheidender Bedeutung. Hier laufen seit mehreren Jahren Initiativen, den CO2-Ausstoß zu verringern – und dies hat zu reduzierten Kraftstoffkosten und weniger Luftverschmutzung beigetragen. Es bleibt aber noch viel zu tun. In unserem abschließenden Beitrag „Bessere Bahnen bauen“ untersucht Philip Lechner die fortschrittlichen Energiespeicher und robusten DC/DC-Wandler, die erforderlich sind, um den Schienenverkehr in eine umweltfreundlichere und nachhaltigere Zukunft zu führen. Da wir in allen Bereichen der Gesellschaft auf eine nachhaltigere Lebensweise drängen, spielt das Transportwesen dabei eine große Rolle. Wir hoffen, dass diese Ausgabe von Focus Ihnen dabei hilft, über Entwicklungen rund um Ihre Designs nachzudenken.
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Die Roboter kom m en... ...wenn wir vorher noch ein paar Details klären!
Industrieroboter sind äußerst effektiv, um hochwertige, sich wiederholende und oft sicherheitsgefährdende Prozesse zu automatisieren, z.B. die Handhabung schwerer Gussteile oder das Schweißen von Karosserienähten in der Fahrzeugproduktion. Auch für kleine und mittelständische Unternehmen, die flexible Hilfe bei wechselnden prozessorientierten Aufgaben benötigen, bieten sie Vorteile. Das einzige Problem mit Industrierobotern ist sie eineusetzen.
aus, Unternehmen in den Biowissenschaften und der Pharmazie 72% mehr, Unternehmen in der Lebensmittel- und Konsumgüterindustrie 32% mehr und der Rest der nicht automobilbezogenen Industrie gab insgesamt 12% mehr aus. Die Zahlen der A3 zeigen auch, dass 2020 das erste Jahr war, in dem Unternehmen außerhalb der Automobilbranche mehr für Robotik ausgaben als die Autohersteller.
Trotz der damit verbundenen Herausforderungen, auf die wir in Kürze näher eingehen, hat sich die Einführung von Robotern in den letzten Jahren beschleunigt, insbesondere in den USA, wo die Nachfrage nach Robotern wächst, da die Unternehmen immer mehr in die Automatisierung investieren.
„Während Fortschritte in der Robotik, die Benutzerfreundlichkeit und neue Anwendungen nach wie vor wichtige Faktoren für die Einführung von Robotern sind, ist der Arbeitskräftemangel in der Fertigung, Lagerhaltung und anderen Branchen ein wesentlicher Faktor für die derzeitige Ausweitung des Robotereinsatzes. Corona hat die Automatisierungswelle nicht ausgelöst, aber sicherlich Trends beschleunigt, die bereits im Gange waren.“
Laut der amerikanischen Association for Advancing Automation (A3) waren die Gesamtbestellungen für Roboter in den USA im ersten Quartal 2021 um 20% höher als im gleichen Quartal 2020. Unternehmen in der Metallverarbeitung gaben 86% mehr für Roboter
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Anlässlich der Veröffentlichung der Ergebnisse im Mai 2021, erklärte Jeff Burnstein, Präsident der A3:
Technologie im Detail
Hagen Götze Senior Director Marketing, Avnet Abacus
VISION DER E-INDUSTRIE 4.0 Ein Grund für die Diskrepanz zwischen unserer Einschätzung des Werts von Industrierobotern und ihrem tatsächlichen Nutzen mag in der 2011 von der Bundesregierung eingeführten Industrie-4.0Strategie liegen. Damit soll die Fertigung verbessert werden, indem Brücken zwischen der physischen Welt der Produktionslinien und der digitalen Welt der Arbeitsplanung, Anlagenüberwachung, statistischen Qualitätskontrolle und vorausschauenden Wartung geschlagen werden. Im Rahmen einer Industrie-4.0-Strategie würden sich Fertigungseinrichtungen unaufhaltsam zu „intelligenten Fabriken“ (Smart Factories) entwickeln, in denen jede physische Aktion an den Produktionslinien mit Echtzeit-Datenerfassung, fortschrittlichen Analysen und Handlungsaufforderungen abgeglichen wird. Diese werden von Cloud-basierten Rechnern verarbeitet, die über robuste Kommunikationsnetze verfügen. Für viele ist dies immer noch Zukunftsmusik. Ein Forschungsbericht über den Status und die Zukunft der Industrierobotik, der im November 2020 von der Interactive Robotics Group am MIT veröffentlicht wurde, legte einige Gründe dar, warum dies so ist.
DIE HERAUSFORDERUNG DER INTEGRATION Eine der größten Herausforderungen beim Einsatz von Industrierobotern ist deren Integration in die Fertigungslinien. Industrieroboter sind oft große, schnelle und leistungsstarke Maschinen, die zum Schutz der Mitarbeiter eingezäunt werden müssen, wodurch bestehende Arbeitsabläufe gestört werden. Das Programmieren von Industrierobotern kann sich als schwierig erweisen: Der Industrie fehlt eine gemeinsame Sprache, mit der die Bewegung von Robotern programmiert werden kann. Jeder Hersteller hat in der Regel seine eigene Benutzeroberfläche, und selbst die manuellen Steuerungen unterscheiden sich. Dies macht das Programmieren von Robotern zu einer derartigen Spezialität, dass sie oft an externe Integratoren ausgelagert wird, deren Arbeit mehr kosten kann als der Roboter selbst. Muss die programmierte Funktion geändert werden, z.B. weil sich ein Bauteil geändert hat, müssen die Unternehmen diese Integratoren erneut hinzuziehen, um die Anpassung vorzunehmen.
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Die Roboter kommen Technologie im Detail Einige in der Branche schlagen sogar vor, „Robots as a Service“ anzubieten, so dass Unternehmen den Aufwand, Roboter für sich arbeiten zu lassen, auslagern können. HERAUSFORDERUNGEN DER SMART FACTORY Selbst Unternehmen, die Industrieroboter einsetzen, stehen anderen Teilen der Smart-Factory-Strategie skeptisch gegenüber, wie z.B. dem industriellen Internet der Dinge (IIoT). Sie machen sich Sorgen um den Datenschutz, die Sicherheit und die Kontrolle über ihre Daten. Fertigungseinrichtungen, die das IIoT zur Überwachung von Roboterproduktionslinien nutzen, müssen ein extrem robustes Kommunikationsnetzwerk implementieren, um alle verteilten Sensoren und Aktoren zu erreichen. Als beispielsweise Ocado, ein Unternehmen für die Automatisierung von Lebensmittellieferungen und FulfilmentZentren, die Kommunikation für seine großen Roboterlager bereitstellen wollte, installierte es ein privates 4G-Netzwerk. Es gibt auch Bedenken hinsichtlich Cloud Computing zum Sammeln, Speichern, Bereinigen und Analysieren von Daten für eine Smart Factory. Das Versprechen von Cloud Computing ist, dass es wie ein Dienstprogramm Rechenleistung auf Abruf bereitstellt. Die Realität ist, dass Cloud-Computing-Systeme jedoch Schwierigkeiten bereiten können, die unternehmenskritisch werden, wenn es um die Verwaltung einer Fertigungslinie geht. Das eigentliche Problem ist jedoch, dass
das Sammeln vieler Daten nicht dasselbe ist wie das Gewinnen umsetzbarer Erkenntnisse. Die Geschäftsleitung mag sich angesichts der Kosten für die Implementierung der Infrastruktur, die einen eigenständigen Roboter in einen Teil einer Smart Factory integriert, fragen: „Wo ist die Rendite meiner Investition?“ DIE COBOT-ALTERNATIVE Eine Alternative ist der kollaborative Roboter (Cobot), der es Menschen und Robotern ermöglicht, enger zusammenzuarbeiten, ohne die Sicherheit der Mitarbeiter zu gefährden. Cobots sind in der Regel kleinere, leichtere Roboterarme, die für eine geringere Masse ausgelegt sind und sich langsamer bewegen als eigenständige Roboter. Viele dieser Arme verfügen über Sensoren, so dass sie ihre Bewegung stoppen, wenn sie auf ein Hindernis stoßen, z.B. ein menschliches Körperteil. Dazu können passive Kontaktsensoren, Licht- oder Laservorhänge, Näherungssensoren im Arbeitsbereich oder sogar kapazitive „Häute“ gehören. Dieser Ansatz, der von Bosch Rexroth in seinen APAS Production Assistant Cobots verwendet wird, kann Personen in seinem Arbeitsbereich berührungslos erkennen und den Betrieb des Cobots verlangsamen oder stoppen. Wenig überraschend gibt es einen ISO-Standard (ISO/TS 15066), der Sicherheitsanforderungen für kollaborierende Roboter definiert.
„Einige in der Branche schlagen sogar vor, ‚Roboter als Dienstleistung‘ anzubieten, so dass Unternehmen den Aufwand, Roboter für sich arbeiten zu lassen, auslagern können.“
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Technologie im Detail
Ein Cobot arbeitet mit einem Bediener an einem Fließband zusammen, um die Produktivität zu steigern.
Cobots bringen ähnliche Herausforderungen bei der Programmierung mit sich wie größere Roboter, aber ihre Größe und Zugänglichkeit vereinfachen es, sich mit ihnen vertraut zu machen und sie schnell an neue Aufgaben anzupassen.
GRUNDLAGENTECHNIK Wie das Beispiel AGV zeigt, werden Standards, die einen gemeinsamen Ansatz für Entwicklungsfragen wie Programmierung, Kommunikation und Zusammenarbeit bieten, eine wichtige Grundlage für zukünftige Robotik sein.
FAHRERLOSE TRANSPORTSYSTEME Automated Guided Vehicles (AGVs) sind eine wichtige Unterart von Robotern, die sich durch Fabrikhallen bewegen, um Material unter eigener Kontrolle zu transportieren. Dabei kommen Sensoren zum Einsatz, um den Weg zu finden und Hindernissen auszuweichen. Die gute Nachricht ist, dass die Arbeit an der Entwicklung selbstfahrender (autonomer) Fahrzeuge den Stand der Technik bei wichtigen Konzepten wie simultaner Ortung und Kartierung vorantreibt und die Entwicklung fortschrittlicherer Sensorik wie Time-of-Flight (ToF) und LiDAR fördert.
Es gibt bereits erste Bemühungen: Das Open-Source Robot Operating System (ROS) ist eine Sammlung von Tools, Bibliotheken und Konventionen, die bei Einzeleinrichtungen und in der Wissenschaft beliebt ist, um komplexe und robuste Roboterverhaltensweisen auf einer Vielzahl von Roboterplattformen zu erstellen.
Die weniger gute Nachricht ist, dass es aufgrund fehlender Standards schwieriger wird, eine Flotte von AGVs mehrerer Hersteller als Gruppe zu verwalten.
Das ROS begründet das Projekt so: „Warum? Weil es schwierig ist, wirklich robuste, universelle Robotersoftware zu entwickeln. Aus der Perspektive des Roboters variieren Probleme, die für Menschen trivial erscheinen, oft stark zwischen einzelnen Aufgaben und Umgebungen. Der Umgang mit diesen Variationen ist so schwierig, dass keine einzelne Einrichtung, kein Labor oder keine Institution hoffen kann, dies allein zu schaffen. Deshalb wurde ROS von Grund auf neu entwickelt, um die kollaborative Entwicklung von Robotik-Software zu fördern.“
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Die Roboter kommen Technologie im Detail
„Die andere wichtige Grundlagentechnik ist die Sensorik, die alles können muss – von der Überwachung des Batteriestatus eines AGV bis hin zur Unterstützung der Mikropositionierung eines Robotermanipulators, damit dieser ein Bauteil aufnehmen kann.“ OMRON EMC’s B5L sensor
Die andere wichtige Grundlagentechnik ist die Sensorik, die alles können muss – von der Überwachung des Batteriestatus eines AGV bis hin zur Unterstützung der Mikropositionierung eines Robotermanipulators, damit dieser ein Bauteil aufnehmen kann. Solche Sensoren müssen robust und hochpräzise sein, eine lange Lebensdauer bieten und unter sich schnell ändernden Umgebungsbedingungen konsistente Ergebnisse liefern. Die Autoren des MIT-Berichts stellten beispielsweise fest, dass einige fortschrittliche Bildverarbeitungssysteme für Roboter unter Laborbedingungen gut funktionierten, aber bei der unterschiedlichen Beleuchtung einer realen Fertigungslinie versagten.
Eine Antwort darauf besteht darin, Infrarot-/IRLaufzeitsensoren wie den B5L von OMRON EMC (siehe oben) zu verwenden, um Entfernungen zu Objekten zu messen und 3D-Modelle ihrer Position im Raum zu erstellen. Der Sensor ist so konzipiert, dass er die Auswirkungen unterschiedlichen Umgebungslichts unterdrückt und vor gegenseitiger Beeinflussung geschützt ist, sodass sich bis zu 17 Einheiten eine Arbeitsumgebung teilen können. Wie erwähnt, sind bessere Sensoren jedoch nur dann von Nutzen, wenn sie durch eine Kommunikations-, Computerund Entscheidungsinfrastruktur unterstützt werden, die Daten schnell genug aufnehmen, analysieren und darauf reagieren kann, um dem Roboter einen praktischen Vorteil zu verschaffen.
Fazit Industrierobotik hat eine lange Reihe erfolgreicher Anwendungen, insbesondere in der Automobilindustrie. Sie steht jedoch noch immer vor denselben Problemen wie früher, z.B. dem Verständnis der Position von Objekten im Raum und der Programmierung der Roboter, um diese Objekte aus der Ferne einzuschätzen. Es gibt zwar Wege und Strategien für eine breitere Anwendung der Robotik, aber um sie in die Realität umzusetzen, müssen noch viele Details an mehreren Fronten geklärt werden.
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Murata SCHA63T
Murata 6-DOF-XYZ-ACHSEN-GYROSKOP UND XYZ-ACHSENBESCHLEUNIGUNGSMESSER MIT DIGITALER SPI-SCHNITTSTELLE Murata bietet einen MEMS-basierten Trägheitssensor mit digitaler SPI-Schnittstelle für hochpräzise industrielle Maschinensteuerungen und GNSS-Positionierung. Ein Beschleunigungsmesser misst den Neigungswinkel relativ zum Erdmittelpunkt, und ein Gyroskop misst die Geschwindigkeit, mit der sich der Winkel ändert. Der Sensor bietet höchste Leistungsfähigkeit auf Bauteilebene, wenn es um wichtige Parameter wie Bias-Stabilität und Rauschen geht.
PRODUKTART
Ω XYZ
ACC XYZ
SCHA63T-K03
±300 °/s
±6g
Gängige Anwendungen: • • • • •
Trägheitsmesssysteme (IMUs) Navigation und Positionierung Maschinensteuerung/-führung Dynamische Neigung Steuerung von Robotern und UAVs
SIZE 19.71 X 12.15 X 4.6MM Gyro channel average X, Y, Z, temperature +23°C Allan-Abweichung Allan deviation (°/h) Gyro-Kanal Durchschnitt X, Y, Z, Temperatur +23°C 1000 Allan-Abweichung (°/h)
+3 sigma average X, Y, Z +3 sigma Durchschnitt X, Y, Z
1000 Allan-Abweichung Allan deviation [°/h] [°/h]
LEISTUNGSMERKMALE • 6DOF-Bauteil in einem Gehäuse • Achsübergreifende Kalibrierung ermöglicht Orthogonalitätsfehler von weniger als 0,14° • Gyro-Bias-Instabilität bis zu einem Niveau von 1°/h • Gyro-Rauschdichtepegel 0,0015°/s/√Hz • Stabiler Offset und stabile Empfindlichkeit über den gesamten Temperaturbereich • Ausgezeichnete Linearität und Vibrationsfestigkeit • Umfangreiche Selbstdiagnosefunktionen • Winkelgeschwindigkeits-Messbereich ±300°/s • Beschleunigungsmessbereich ±6g • Betriebstemperaturbereich von -40 bis +110 °C • Versorgungsspannung 3,0 ~ 3,6 V • RoHS-konformes, robustes SOIC-Gehäuse: 19,71 mm x 12,15 mm x 4,6 mm (L × B × H), 32 Pins • Kann in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden
ANWENDUNGEN Der SCHA63T eignet sich für Anwendungen, die hohe Leistungsfähigkeit bei schwierigen Umgebungsbedingungen erfordern.
100 100 10 10 1 1 0.1 0.01 0.1 0.01
1
10
100
1000
10000
1
10
Tau [sec.] 100
1000
10000
Tau [sec.]
MESSEIGENSCHAFTEN Bereich
Ω XYZ
ACC XYZ
±300°/s
±6g
13, 20, 46 oder 300Hz
13, 20, 46 oder 300Hz
80LSB/°/s
4905LSB/g
Gyro-Ausgang bei Vibration während des Betriebs Gyro output when vibration 30 applied during driving
Z-Gyro, neue Generation Z-Gyro, vorherige Generation Z-Gyro, new generation Z-Gyro, previous generation
25 30
Empfindlichkeit (Typ) Offset-Temperaturabhängigkeit Rauschdichte (Typ, 13Hz-Filter)
(XY) ±0,65°/s (Z) ±0,85°/s
±7,3mg
GyroGyro-Ausgang output (dps) (dps)
25 20
Wählbarer Tiefpassfilter
15 20 15 10 5 10 5 0
59,5mg/√Hz
New gen:40ms No drift Old gen: x 8dps> 0.32˚ heading error
-5 -10 -15 -10 -15
0,0015 °/s/ √Hz
Old gen: 40ms x 8dps> 0.32˚ heading error
-5 0
New gen: No drift 0.9
0.95
1
1.05
1.1
1.15
1.2
0.9
0.95
1
1.05(s) Zeit
1.1
1.15
1.2
Weitere Information unter avnet-abacus.eu/murata
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DIE WELT MIT INTELLIGENTER LANDWIRTSCHAFT ERNÄHREN Die Landwirtschaft steht vor gewaltigen Herausforderungen, da die Weltbevölkerung bis Mitte des 21. Jahrhunderts voraussichtlich auf fast 10 Milliarden Menschen ansteigen wird. Die Landwirtschaft muss um Land konkurrieren, da die wachsende Bevölkerung zu einer zunehmenden Verstädterung führt, und die Suche nach erneuerbaren Energiequellen dazu führen wird, dass Ackerland durch Solar- und WindenergieAnlagen in Beschlag genommen wird. MIT WENIGER MEHR PRODUZIEREN Daher suchen Landwirte nach Möglichkeiten, die Nahrungsmittelproduktion zu steigern und gleichzeitig weniger Land und weniger Ressourcen zu verbrauchen. Die Landwirtschaft war jedoch schon immer ein innovativer Wirtschaftszweig, der neueste Techniken schnell übernimmt. Die Notwendigkeit, mehr Nahrungsmittel für die wachsende Bevölkerung zu produzieren, wird durch die neuesten Entwicklungen rund um die HighspeedKommunikationstechnik gedeckt, die neue Lösungen für Landwirte bieten.
NEUESTE TECHNIK Die Einführung von 5G birgt enormes Potenzial für den Einsatz in der Industrie. 5G ist ein leistungsstarkes Werkzeug für die Agrarindustrie und konkurriert nicht nur mit der Geschwindigkeit kabelgebundener Alternativen, sondern kann auch mit der Anbindung ländlicher Gebiete, die traditionell keinen Zugang zu Highspeed-Kommunikationstechnik haben, Schritt halten.
SMART FARM – DER INTELLIGENTE BAUERNHOF Dies hat zur Entwicklung der „Smart/Precision Farm“ beigetragen. Die 5G-Kommunikation bietet Anbindung über die großen Gebiete, die von der Smart Farm abgedeckt werden, so dass selbst entlegenste Gebiete in ein einheitliches Netzwerk integriert werden können. Dieses Netzwerk umfasst neueste Sensor-, Computerund Anbindungstechnik und nutzt Daten, damit Landwirte ihren Ertrag maximieren können. Die gesammelten Daten dienen dazu, eine Entscheidung über die Strategie zu treffen. Durch die Untersuchung der Bodenbedingungen oder die Überwachung des Viehbestands kann der Landwirt die Ressourcen optimal nutzen, um optimale Produktivität sicherzustellen. Neue Techniken sind für die Verwaltung dieser Informationen daher unerlässlich. Moderne Elektronik reduziert die Baugröße, Produktionskosten, den Stromverbrauch und ermöglicht den Einsatz von Sensoren und vernetzten Einrichtungen selbst in den entlegensten Gebieten.
EIN SCHWIERIGES UMFELD Diese neue Technik wird in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen, darunter statische Sensoren und neueste schwere Maschinen. Die Landwirtschaft ist ein hartes Geschäft, und die Ausrüstung muss allen Wetterextremen standhalten. Ein breites Spektrum an Temperaturen, Feuchtigkeit und Sonneneinstrahlung bedeutet, dass landwirtschaftliche Geräte mit Sorgfalt konstruiert werden müssen.
FUNKANBINDUNG Funk-/HF-Kommunikation ist die Grundlage vieler dieser Neuerungen. Im heutigen Zeitalter der Digitaltechnik vergisst man leicht, dass funkbasierte Systeme immer noch auf HFSender/-Empfänger angewiesen sind, um zu kommunizieren. Mit den neuesten Lösungen, die Daten mit atemberaubender Geschwindigkeit und Menge senden, sind Entwickler auf leistungsstarke HF-Steckverbinder angewiesen.
DER MOLEX-VORTEIL Molex verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Herstellung von Komplettlösungen für HF-Anwendungen. Molex-Kabel und -Steckverbinder, die die neueste 5G-Technik abdecken und für optimale Signalintegrität ausgelegt sind, sind für Frequenzen bis 65 GHz erhältlich – selbst unter den harten Bedingungen in der Landwirtschaft. Zusammen mit der globalen Reichweite von Avnet ist Molex ein Innovator in der intelligenten Landwirtschaft und bietet Datenanbindung für die Landwirte von morgen. Weitere Informationen unter avnet-abacus.eu/molex Molex ist eine eingetragene Marke von Molex, LLC in den USA und in anderen Ländern. Alle anderen hier aufgeführten Marken sind im Besitz der jeweiligen Eigentümer. ©2021 Molex
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Wenn Ihr nächster Traktor ein Tesla ist
Image ref: https://www.deere.co.uk/ en/agriculture/future-of-farming/
Technologie im Detail
Alessandro Mastellari Technical Specialist Wireless & Sensors, Avnet Abacus
„Das Versprechen niedrigerer Energiekosten, gesteigerter Produktivität und größerer Zuverlässigkeit sowie der Druck durch Emissionsvorschriften treiben die schnelle Innovation im Bereich NRMM voran.“ Die Automobilindustrie verlagert sich schnell in Richtung Elektrofahrzeuge (EVs), aber es gibt noch eine weitere Kategorie von Fahrzeugen, die reif für die Elektrifizierung sind: Nicht am Straßenverkehr teilnehmende bewegliche Arbeitsmaschinen, oder NRMM (Non-Road Mobile Machinery), wie die Regulierungsbehörden sie nennen. Diese umfassen Traktoren und andere landwirtschaftliche Geräte,
kommunale Ausrüstung und Geräte zur Instandhaltung von Grundstücken, für die Handhabung und den Transport von Materialien und Gütern, sowie Baumaschinen für die Forstwirtschaft und den Bergbau. Die Elektrifizierung dieser Fahrzeuge/ Geräte wird eine Herausforderung sein, da sie unterschiedliche Arbeitszyklen haben als EVs im Straßenverkehr, komplexere
mechanische Anforderungen aufweisen und oft viel mehr Leistung benötigen als selbst der schnellste elektrische Sportwagen. Trotzdem treibt die Aussicht auf niedrigere Energiekosten, gesteigerte Produktivität und mehr Zuverlässigkeit sowie der Druck durch Emissionsvorschriften die schnelle Innovation in vielen NRMMBereichen voran.
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Wenn Ihr nächster Traktor ein Tesla ist Technologie im Detail Umweltverschmutzung und Klimaschutz Die EU begann 1997 mit der Regulierung der NRMM-Emissionen, um die Verschmutzung durch motorbetriebene Gartengeräte, landwirtschaftliche Maschinen und Geräte, Züge, Binnenschiffe und Baumaschinen zu bekämpfen. Die EU-Gesetzgebung hat sich seitdem weiterentwickelt. In der jüngsten Fassung (Stufe V) wird gefordert, dass Systeme, die heute verkauft werden, 97% weniger Partikel verursachen als vergleichbare Systeme, die 1997 hergestellt wurden, genauso wie 94% weniger Stickoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen. Das Erreichen dieser Standards bedeutet, dass Motoren für den nichtstraßengebundenen Verkehr mit Technik zur Emissionsminderung ausgestattet werden müssen, darunter DieselOxidationskatalysatoren, Dieselpartikelfilter, Abgasrückführungssysteme und CommonRail-Kraftstoffeinspritzung. Motoren mit mehr als 56 kW werden auch Module mit selektiver Katalysatorfunktion benötigen, um die Stickoxidemissionen zu verringern. Diese Systeme sind kompliziert zu implementieren und können den Nutzen der Fahrzeuge, in die sie eingebaut sind, einschränken. Einige Beobachter argumentieren auch, dass es beim Fahrzeugbau zu schlechten Kompromissen zwischen der Reduzierung von Schadstoffen und der Minimierung von Treibhausgasemissionen kommt, da die Vorschriften nicht ausdrücklich auf CO2-Emissionen eingehen. Das Tempo, mit dem die Vorschriften umgesetzt werden, bedeutet auch, dass einige sehr umweltschädliche NRMM-Motoren bis in die 2030er Jahre in Betrieb bleiben könnten. Chancen für die Elektrifizierung der Landwirtschaft Eine Antwort auf diese Vorschriften ist die Elektrifizierung von Landmaschinen. Ein Beitrag über „Rural Engineering“ aus dem Jahr 2017, der von einem Team der Universidade Federal de Lavras (UFLA) in Brasilien verfasst wurde, untersucht die aktuelle Forschung zu den erforderlichen Maßnahmen.
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Darin wird argumentiert, dass Traktoren, die manchmal sehr hohe Drehmomente liefern müssen (vor allem, wenn Zubehör wie ein Pflug zum Einsatz kommt), für den täglichen Einsatz oft überdimensioniert sind. Dies mindert ihre tatsächliche Effizienz im Alltag und macht es schwieriger, sie zu elektrifizieren. Allerdings sollte es möglich sein, kleinere Traktoren zu bauen, die mit einer Akkuladung einen 8-stündigen Arbeitstag durchhalten. Der Übergang vom Verbrennungsmotor zum Antrieb mit Elektromotor gibt den Entwicklern auch die Möglichkeit, die Antriebsstränge von Traktoren zu ändern. Ein erster Schritt wäre die Einführung von Mild-HybridSystemen, bei denen ein Elektromotor bei niedrigen Geschwindigkeiten für Traktion sorgt und ein zusätzliches Drehmoment beisteuert, wenn der Verbrennungsmotor dieses benötigt. Es gibt auch Argumente für Superkondensatoren neben wiederaufladbaren Batterien in diesen Fahrzeugen, um kurze Zeiträume mit sehr hoher Stromabgabe bereitzustellen, wenn die Elektromotoren ein sehr hohes Drehmoment liefern müssen. Zu den Nachteilen dieses Ansatzes gehören die eher geringe Energiedichte von Superkondensatoren, ihre Größe und ihre Kosten. Andererseits dürfte ihre robuste Fähigkeit, Energie zu speichern und zu entladen, die Belastung der Batterien verringern und so deren Lebensdauer verlängern. Die Elektrifizierung von Landmaschinen steht vor denselben Problemen in Bezug auf die Energiedichte und Kosten der Batterie wie in der Automobilindustrie. Es gibt noch eine weitere Herausforderung: die Bereitstellung großer Mengen an Ladeenergie in einer ländlichen Umgebung. Die naheliegende (aber kostspielige) Lösung ist der Einsatz von Fotovoltaik-Modulen und Speicherbatterien, um tagsüber Energiereserven aufzubauen, mit denen die Fahrzeugbatterien über Nacht aufgeladen werden können.
Technologie im Detail Dazu bedarf es fortschrittlicher Steuerungen, um die Sonnenenergie optimal zu nutzen, sowie einer effizienten Leistungselektronik zum Laden der Fahrzeugbatterien. Das Hybrid-Experiment Ein Team der Universität Padua, Italien, und des Landmaschinenherstellers Carraro Agritalia führte 2019 eine Machbarkeitsstudie zum Bau elektrischer Versionen kleiner Traktoren durch, die im Obst- und Weinanbau eingesetzt werden. Ein Grund für die Studie war, dass die von den NRMM-Vorschriften der Stufe V geforderten zusätzlichen Abgasreinigungssysteme möglicherweise so viel Platz beanspruchen, dass selbst kleine Traktoren nicht in den engen Reihen von Obstplantagen arbeiten könnten. Das Team entschied sich für eine MildHybrid-Architektur, damit der Traktor somohl leichte als auch schwere Arbeiten bewältigen kann. Sie überarbeiteten einen 82-kW-Verbrennungsmotor eines Traktors, verkleinerten diesen auf 56 kW und fügten einen 20-kW-Elektromotor hinzu. Die beiden Motoren sind in einem parallelen Hybrid-Antriebsstrang verbunden, mit einer zusätzlichen Kupplung, damit der Verbrennungsmotor für den reinen Elektroantrieb abgekoppelt werden kann. Die Studie zeigte, dass der Elektromotor im Hybridbetrieb den durch die Verkleinerung des Verbrennungsmotors verursachten Drehmomentverlust ausgleichen kann. Es wurde auch festgestellt, dass der Elektromotor für leichte Aufgaben allein verwendet werden kann, z.B. zum Ziehen eines schweren Anhängers bei konstant niedriger Geschwindigkeit während der Ernte.
Das Team schlug einen Elektromotor vor, der für den Hybridantrieb geeignet ist, und wies darauf hin, dass die Elektromotorsteuerung sowohl die hohen Ströme, die zur Erzeugung des Spitzendrehmoments erforderlich sind, als auch die Anforderungen an ein sofortiges Drehmoment bewältigen muss. Carraro entwickelt diese Anstrengungen nun weiter. Die Webseite beschreibt einen Traktor mit einem Mild-HybridAntriebsstrang, der einen 55-kWVerbrennungsmotor, einen 20-kWElektromotor und einen 25k-Wh-LiFePO4-Akku verwendet. Mit der Umstellung auf den kleineren Verbrennungsmotor erübrigt sich ein zusätzlicher Katalysator, der gemäß den NRMM-Vorschriften der Stufe V für größere Motoren erforderlich ist. Damit lassen sich Platz und Kosten einsparen. Der Mild-Hybrid nutzt auch das LongDrop-Drehmomentwandler-/FullPowershift-Getriebe eTCH90 des Unternehmens, das für den Einsatz in verschiedenen Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen entwickelt wurde. Laut Carraro senkt das Hybridsystem den Kraftstoffverbrauch, die Emissionen und die Wartungskosten aufgrund der geringeren Nutzung des Verbrennungsmotors. Auch die Geräuschentwicklung und Vibrationen werden verringert.
„Es gibt auch Argumente, Superkondensatoren neben wiederaufladbaren Batterien in diesen Fahrzeugen zu installieren, um kurze Zeiträume mit sehr hoher Stromabgabe bereitzustellen, wenn Elektromotoren sehr hohe Drehmomentniveaus liefern müssen.“
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Technologie im Detail
„Carraro betont, dass sein Hybridsystem den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen senkt, die Wartungskosten aufgrund der geringeren Nutzung des Verbrennungsmotors reduziert sowie Lärm und Vibrationen verringert.“
Wenn Ihr nächster Traktor ein Tesla ist Jenseits der E-Landwirtschaft Das Beispiel des Traktors dient als gutes Modell für die Aktivitäten in anderen Bereichen des NRMM-Marktes. Neuerungen werden durch Gelegenheiten als auch durch Vorschriften vorangetrieben: So stellen einige Baumaschinenhersteller auf Elektroantrieb um, weil Städte zu emissionsfreien Zonen erklärt werden, in denen herkömmliche Maschinen nicht eingesetzt werden dürfen. Viele Hersteller beginnen damit, Verbrennungsmotoren durch Elektromotoren zu ersetzen oder Hybridversionen ihrer kompaktesten Maschinen zu entwickeln. Viele Innovatoren stehen vor der Herausforderung, dass sich die Arbeitszyklen im NRMM-Bereich schnell ändern. Ein Bagger könnte mit geringer Leistung zu einem Einsatzort fahren, verbraucht dort viel Leistung, um Material auszuheben und zu bewegen, und kann dann Energie zurückgewinnen, wenn seine Schaufel zurückfährt. Der Bagger muss möglicherweise auch mechanische Leistung für den Antrieb von Hilfsgeräten und Pumpen für die Hydraulik bereitstellen, die jeweils ihre eigenen Arbeitszyklen haben. Die Komplexität der gesamten Arbeitsabläufe macht es schwieriger, Antriebe richtig zu dimensionieren, um die Leistung und das Drehmoment
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bereitzustellen, das für die Ausführung der Aufgabe erforderlich ist und für das gesamte System einen optimalen Wirkungsgrad garantiert. Die Herausforderung der Energiespeicherung bei Elektrofahrzeugen führt zu zahlreichen Neuerungen beim Aufbau von Systemen. So bauen einige Hersteller Geräte mit im Betrieb austauschbaren (Hot-Swap-fähigen) Akkupacks. Andere erwägen, Energiespeicher wie Superkondensatoren und Hydraulikspeicher in ihre Designs zu integrieren. Es sei auch daran erinnert, dass es eine ganze Klasse angebundener NRMM-Fahrzeuge gibt, z.B. Knickgelenk-Lader, die im Untertagebau eingesetzt werden, um Luftverschmutzung zu vermeiden, und die permanent an das Stromnetz angeschlossen sind oder mit einer Kombination aus Netz- und Batteriestrom arbeiten, um mehr Flexibilität zu bieten. Diese Anbindungsausrüstung erfordert andere Arbeitspraktiken, bietet jedoch mehr Gestaltungsfreiheit für diejenigen, die bereit sind, die Elektrifizierung als Chance für ein radikales Umdenken ihrer Angebote zu nutzen.
Technologie im Detail
Ein 2021 in der Zeitschrift Energies veröffentlichter Beitrag stellt auch in anderen Bereichen umfangreiche Neuerungen im NRMM-Sektor fest, darunter bei Straßenkehrmaschinen, Müllfahrzeugen, SchwerlastGabelstaplern, Baggern, Straßenwalzen, Ladern, Materialumschlag- und Zugmaschinen. Obwohl die
vollständige Elektrifizierung in vielen Fällen eine große Herausforderung darstellt, dürfte diese sich aufgrund der vielen Neuerungen und der Möglichkeit, den Evolutionsdruck zu nutzen, um das Produktangebot zu überdenken, dazu führen, dass sich die Elektrifizierung rasch über den Straßenverkehr hinaus ausbreitet.
„Obwohl die vollständige Elektrifizierung in vielen Fällen eine große Herausforderung darstellt, dürfte diese sich aufgrund der vielen Neuerungen und der Möglichkeit, den Evolutionsdruck zu nutzen, um das Produktangebot zu überdenken, dazu führen, dass sich die Elektrifizierung rasch über den Straßenverkehr hinaus ausbreitet.“ 15
Abgedichteter SubminiaturBasisschalter D2JW von OMRON
OMRON
Der OMRON D2JW ist ein sehr kleiner und hochgradig abgedichteter Mikroschalter mit einem gold-legierten Kreuzschienenkontakt und einer Spiralfeder, der eine lange Lebensdauer und hohe Kontaktzuverlässigkeit bietet. Er hat einen weiten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C. Sein Schutzgrad entspricht dem JIS-Standard für Wasserfestigkeit und der IEC-Norm IP67 (mit Ausnahme der Anschlüsse in den entsprechenden Modellen). Der D2JW eignet sich für Anwendungen, bei denen eine hohe Wiederholgenauigkeit erforderlich ist, z.B. Industriemaschinen und IIoT. LEISTUNGSMERKMALE • Entspricht dem JIS-Standard für Wasserfestigkeit und der IEC-Norm IP67 (mit Ausnahme der Anschlüsse in den entsprechenden Modellen) • Großer Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C • Goldlegierter Kreuzschienenkontakt und Spiralfeder für lange Lebensdauer und hohe Kontaktzuverlässigkeit Abgedichteter Subminiatur-
ANWENDUNGEN
Basisschalter D2JW von OMRON
• Industriemaschinen • Industrielles IoT
Automotive-PCB-Relais G8N von OMRON Das OMRON G8N ist ein schlankes (7,2 mm) Ultra-Miniatur-PCB-Relais für Automotive-Anwendungen, das Designs mit hoher Dichte ermöglicht. Trotz seiner geringen Größe kann es aufgrund seines Kontakt- und Wärmeableitungsdesigns mit hoher Leistung schalten. Das G8N bietet eine Lebensdauer von ca. 100.000 Betätigungen bei 14VDC/25A (Motorsperre). Das G8N eignet sich für die Ansteuerung von DC-Motoren im Fahrzeugbereich (Türverriegelungs-, Fensterheber-Motor, Wischersteuerung etc.) und für Blinkleuchten (Blinker/Warnblinker). LEISTUNGSMERKMALE • Sehr schlanker Aufbau (nur 7,2 mm breit) für hochdichte Designs • Schalten bei hoher Last • Rund 100.000 Schaltvorgänge bei 14VDC/25A (Motorsperre)
Automotive-PCB-Relais G8N von OMRON
ANWENDUNGEN • DC-Motorsteuerung für Fahrzeugteile (Türverriegelungs-, Fensterheber-Motor, Scheibenwischersteuerung etc.) • Blinker/Warnblinker
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Weitere Informationen und ein Whitepaper zum Download unter avnet-abacus.eu/OMRON
Positionserfassung für Off-Highway- und IndustrieAnwendungen
Bourns
Speziell für kundenspezifische Konfigurationen mit hoher Genauigkeit, mehreren Ausgängen und hoher Zuverlässigkeit.
ANWENDUNGEN
Über 40 Jahre Erfahrung mit hochpräzisen, langlebigen Positionssensoren für robuste Anwendungen.
• Drehwinkel-Positionssensor
• Bedienelemente der Benutzeroberfläche • Drehzahl- und Positionssensor für Getriebe • Positionssensor für Brems- und Kupplungspedal • Drehwinkelsensor für Zapfengelenke
MÄHDRESCHER
BAGGER
Weitere Information unter avnet-abacus.eu/bourns
Drucksensoren
NUTZEN SIE DAS POTENZIAL? Die Entwicklungen bei Drucksensoren ermöglichen eine Reihe neuer Anwendungen. Mit dem ‚Design Engineer’s Guide‘ bleibt Ihr Wissen auf dem neuesten Stand.
avnet-abacus.eu/pressure-sensors
GABELSTAPLER
Bessere Bahnen bauen
„Für Entwickler bedeutet der komplexe weltweite Markt für Schienenfahrzeuge und seine zahlreichen Technologien, dass es noch jahrzehntelang Möglichkeiten für Neuerungen geben wird, um mehr Effizienz und geringere Emissionen zu erreichen.“ 18
Technologie im Detail
Philip Lechner Technicial Specialist Power, Avnet Abacus
Der Druck, den CO2-Ausstoß zu verringern, betrifft jeden Aspekt unseres Lebens – von unserer Ernährung bis hin zu unserer Art zu reisen. Er treibt Neuerungen im gesamten Verkehrssektor voran, insbesondere im Schienenverkehr, obwohl dieser in Bezug auf kohlendioxidäquivalente (CO₂e) Emissionen pro Fahrgastkilometer zu den umweltfreundlichsten Fortbewegungsmitteln zählt. Hier werden so viele Fahrten durchgeführt, dass die Auswirkungen auf die CO2-Bilanz erheblich sind. Für Entwickler bedeutet der komplexe weltweite Markt für Schienenfahrzeuge und seine zahlreichen Technologien, dass es noch jahrzehntelang Möglichkeiten für Neuerungen geben wird, um mehr Effizienz und geringere Emissionen zu erreichen.
Das Gebot, den CO2-Ausstoß zu senken Warum ist die Dekarbonisierung des Schienenverkehrs so wichtig? Laut dem britischen Office of Rail and Road verbrauchten britische Personenzüge in den Jahren 2019 bis 2020 an die 4186 Mio. kWh Strom, was einem Anstieg von 5,3% gegenüber 2018 bis 2019 entspricht, und 476 Mio. Liter Diesel (1,5% mehr als 2018 bis 2019). Dieser Trend ging mit steigenden Fahrgastzahlen einher, wodurch die Emissionen pro Personenkilometer auf 35,1 g sanken (4,9% weniger als 2018 bis 2019). Die gesamten CO₂e-Emissionen für elektrische und dieselbetriebene Personenzüge betrugen 2400 kt (2,7% weniger als 2018 bis 2019).
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Bessere Bahnen bauen Technologie im Detail
Auffallend an diesen Zahlen ist die Auswirkung, die eine 1%ige Verbesserung der Effizienz bei der Umwandlung von Energie in Fahrgastkilometer hätte: fast 4,2 Mio. kWh Strom, fast 5 Mio. Liter Diesel und 2,4 kt CO₂e-Emissionen würden eingespart. Ein wichtiger Schritt, diese Art von Effizienzgewinn zu erreichen, zumindest auf großer Ebene, ist die Elektrifizierung der Eisenbahnen. In einem Plan aus dem Jahr 2020, der zur Dekarbonisierung des Schienenverkehrs in Großbritannien aufgelegt wurde, erklärte Network Rail (verantwortlich für die britische Schieneninfrastruktur), dass von den 15.400 km noch nicht elektrifizierten Schienenkilometern bis zu 11.700 km elektrifiziert werden sollten. Von den restlichen Kilometern sollen 900 km mit wasserstoffbetriebenen Zügen und 400 km mit batteriebetriebenen Zügen bedient werden. Die richtige Technik für die verbleibenden 2400 km an Strecke muss noch festgelegt werden. Der Bericht schlägt zudem vor, weitere 1340 km zu elektrifizieren, 400 km mit wasserstoffbetriebenen Zügen und 400 km mit batteriebetriebenen Zügen zu belegen. Eine Technik für die verbleibenden 260 km muss noch ausgewählt werden. Wenn dieser Plan umgesetzt wird, werden bis zu 96% der Fahrgastkilometer mit elektrischen Antrieben und 4% mit Wasserstoffund Batterieantrieb bedient. Im Güterverkehr werden rund 90% der Frachtkilometer elektrisch bedient, der Rest mit Diesel oder anderen Antriebsformen. Lückenschluss mit Batterien Die vollständige Elektrifizierung des britischen Schienennetzes wird Jahrzehnte dauern, in denen die Bahnbetreiber mit teilweise elektrifizierten Netzen arbeiten müssen. Ein Weg dazu werden batteriebetriebene oder batteriegestützte Züge sein – eine Idee, die bereits für Start-ups und etablierte Zughersteller von Interesse ist. Das junge Start-up Vivarail mit Sitz in Southam, Warwickshire, hat einen batteriebetriebenen Zug für den Einsatz in U-Bahnen, Pendler- und Regionalzügen entwickelt. Der Zug wird durch neue Technik möglich, mit der Vivarail neuartige batteriebetriebene Züge bauen, bestehende Dieselzüge umrüsten oder Batterien zu Elektrozügen hinzufügen will, um deren Reichweite zu erhöhen. Vivarail betreibt bereits Batterie- und Hybridzüge, wobei eine der Varianten eine Reichweite von knapp 100 km allein mit Batterien bietet. Vivarail hat auch ein Ladesystem entwickelt, das aus einer großen Batteriebank besteht, die mit Netz- oder Ökostrom und einem Stromabnehmer- und Schienenverbindungssystem unter dem Zug erhaltungsgeladen wird. Laut Vivarail sollen damit die Batterien eines Zuges in zehn Minuten aufgeladen werden. Hitachi Rail entwickelt elektrische Züge, die Strom sowohl für den Antrieb als auch für das Laden der Batterien aus der Oberleitung beziehen und dann in Gebieten, in denen die Installation der Oberleitungsinfrastruktur nicht möglich oder zu teuer ist, auf reinen Batteriebetrieb umschalten können. Das Unternehmen schlägt auch vor, einen Teil der Dieselaggregate in seinen aktuellen oder zukünftigen Intercity-Zügen durch Batterien zu ersetzen, um die Kraftstoffkosten um bis zu 30% zu senken und es den Zügen zu ermöglichen, im Batteriemodus in nicht elektrifizierte Bahnhöfe einzufahren, was für die Fahrgäste leiser und sauberer vonstatten gehen würde.
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Hitachi ABB Power Grids unterstützt die Initiative von Hitachi Rail durch die Bereitstellung modularer, containerbasierter Ladestationen, die entlang beliebter Strecken verteilt werden können, um regelmäßiges Aufladen zu ermöglichen. Ein ähnlicher Ansatz wird bereits für E-Busse verwendet, z.B. auf der Strecke zwischen dem Genfer Flughafen und den Vorstädten. Hier hat das Unternehmen Schnellladestationen an 13 der 50 Bushaltestellen der Strecke installiert. Kommt ein E-Bus an einer Ladestation an, verbindet er sich mit einer Oberleitungsbrücke und lädt dann 20 Sekunden lang mit 600 kW. CAF Power & Automation hat ein ähnliches System in Sevilla, Spanien, entwickelt und installiert. Es ermöglicht das Schnellladen von Straßenbahnen an der Endhaltestelle – über einen Oberleitungs-Stromabnehmer, der mit einem Ladesystem verbunden ist.
Technologie im Detail
Für die Bahn wird ein ähnliches System Strom aus dem allgemeinen Netz beziehen, die Spannung in 25 kV umwandeln und an einen kurzen Abschnitt der Oberleitung liefern, über die der Zug einige Sekunden lang eine Schnellladung mit hoher Leistung erhalten kann. Herausforderungen bei der Wandlung Wie bei vielen E-Mobilitätslösungen ist die Effizienz der Energiewandlung in elektrischen Zügen entscheidend, um die Auswirkungen auf unsere Umwelt zu verringern. Bedenkt man, dass die Energie für eine elektrische Bahn vom Kraftwerk mit 400 kV verteilt wird, die Fahrgäste aber erwarten, dass sie ihre Smartphones über einen 5-V-USB-Anschluss an Bord aufladen, besteht das Potenzial für viele verlustbehaftete Wandlungsstufen zwischen diesen beiden Spannungsebenen. Diese Herausforderung stellt sich nicht nur bei elektrischen Bahnen. Die Hersteller von DC/DC-Wandlern und die Halbleiterunternehmen, die sie mit Schaltbauelementen beliefern, entwickeln ihre Schaltungen und Bauteilarchitekturen ständig weiter, um eine höhere Wandlungseffizienz zu erzielen. Erschwert wird dies für Bahnbetreiber durch die anspruchsvollen Umgebungen, in denen sie arbeiten, und die Erwartungen an eine sehr lange Betriebslebensdauer. Elektronik für Bahnanwendungen muss Umgebungen standhalten, in denen sie Verschmutzung und Salznebel, großen Temperaturschwankungen (-40 bis +85 °C) und hoher Luftfeuchtigkeit sowie extremen Stößen und Vibrationen ausgesetzt sind. Sie müssen zudem feuer- und rauchbeständig sein und gegen Unterbrechungen, Schwankungen und Umkehrungen ihrer Versorgungsspannung geschützt sein.
„Wie bei vielen E-Mobilitätslösungen wird die Effizienz der Energiewandlung in elektrischen Zügen entscheidend sein, um ihre Auswirkungen auf unsere Umwelt zu reduzieren.“
„Wie bei vielen E-Mobilitätslösungen wird die Effizienz der Energiewandlung in elektrischen Zügen entscheidend sein, um ihre Auswirkungen auf unsere Umwelt zu reduzieren.“ Viele dieser Anforderungen sind in strengen Standards festgelegt, die sich nur durch gute Technik in Verbindung mit umfangreichen elektrischen und Umgebungstests erfüllen lassen. Anwendungen für DC/DC-Wandler in der Bahntechnik werden in der Regel in streckenseitige und zuginterne Anwendungen unterteilt.
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Technologie im Detail
„Die Herausforderung für Entwickler, die daran arbeiten, den CO2-Fußabdruck des Reisens zu reduzieren, wird darin bestehen, ihre Gestaltungsmöglichkeiten zu erkunden, um diese Art von systemischen Vorteilen zu erzielen.“
Bessere Bahnen bauen Zu den streckenseitigen Anwendungen zählen die Steuerung der Bahnsignalisierung und die Kommunikationsinfrastruktur. Anwendungen innerhalb eines Zuges können Traktions-, Brems- und Schmiersysteme sein; Sicherheitssysteme wie Türsteuerung, Brandschutz, Beschilderung und Kameraüberwachung sowie Komfortfunktionen für Fahrgäste wie Beleuchtung, Infotainment und Heizungs-/ Lüftungssysteme. Low-Voltage-DC/DC-Wandlermodule für die Leiterplattenmontage sind häufig vergossen, um sie vor dem Eindringen von Staub und Feuchtigkeit zu schützen. Sie können auch einen integrierten Kühlkörper aufweisen, um überschüssige Wärme von den innenliegenden Wandlerschaltkreisen abzuleiten und eine effektive Kühlung zu ermöglichen. Die Module werden in Standardformaten geliefert, die in der Bahntechnik weit verbreitet und als Half-, Quarter- oder Eight-Brick bekannt sind. Umstellung auf Siliziumkarbid (SiC) Die meisten High-Voltage-Traktionswandler in der Bahntechnik basieren auf Silizium-IGBTs, Dioden und MOSFETs. Da jedoch eine effiziente Energienutzung immer wichtiger wird, experimentieren einige Hersteller mit Bauelementen aus Siliziumkarbid (SiC). Diese können schneller schalten als Siliziumbauelemente, sodass die Resonanzbauteile in Stromwandlern (z.B. Spulen) kleiner ausfallen können. SiC arbeitet auch bei Temperaturen, die ein Siliziumbauteil zerstören würden, sodass sie mehr Strom verarbeiten können oder weniger Kühlung benötigen. CAF Power & Automation mit Sitz im spanischen Baskenland entwickelt ein elektrisches Traktionssystem mit SiC-Bauelementen, das nach eigenen Angaben
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Energieeinsparungen von bis zu 15% im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen ermöglicht. Der Zughersteller arbeitet bei der Entwicklung und Erprobung mit dem Technologiezentrum IKERLAN und Euskotren zusammen, einem örtlichen Betreiber öffentlicher Verkehrsmittel, um die Technologie zu entwickeln und zu erproben. CAF behauptet, dass durch den Einsatz von SiC die Verluste allein im Traktionsumrichter um 70% gesenkt wurden und hohe Schaltgeschwindigkeiten für einen höheren Wirkungsgrad möglich sind. Zudem werden viel höhere Betriebstemperaturen als mit Silizium erreicht, und die Wärme lässt sich schneller abführen, da die Wärmeleitfähigkeit von SiC dreimal höher ist als die von Silizium. Dies vereinfacht die Kühlung und trägt dazu bei, das Volumen und die Masse der gesamten Traktionslösung um 25% zu verringern. Dies wiederum macht die Züge leiser und verbessert den Fahrgastkomfort. Die Arbeiten an dieser Entwicklung laufen seit 2016 im Rahmen des EU-geförderten Forschungsprojekts „Horizon 2020“. Die vorherige Version des Traktionssystems verwendete einen Si-IGBTWechselrichter und SiC-Dioden, was zeigt, dass neue Technologien schrittweise aufgegriffen werden und einen wichtigen Beitrag für die Bahntechnik leisten. Neuerungen in der Bahnindustrie werden voll von dieser Art systemischer Optimierungen sein, bei denen Verbesserungen in einem engen Aspekt des Zugdesigns zu Vorteilen in anderen Bereichen führen. Die Herausforderung für Entwickler, die daran arbeiten, den CO2-Fußabdruck des Reisens zu reduzieren, wird darin bestehen, ihre Designoptionen zu erkunden, um diese Art von systemischen Vorteilen zu erzielen.
Hirose DF50/DF50A: Wire-toBoard-Steckverbinder mit 1-mmRaster und robuster Verriegelung Der flache und robuste Steckverbinder ist mit SMDKontakten und einem Rastermaß von 1 mm ausgestattet, was eine maximale Platzersparnis auf dem Board ermöglicht und die erforderliche Montagefläche reduziert.
Entsprechende Anwendungen sind LCD-Displays, WLAN, industrielle Steuerungen, Bürogeräte, Fahrzeugnavigation/-radio, POSTerminals, Tischtelefone und Unterhaltungsgeräte.
Darüber hinaus sorgt die Metallverriegelung für ein konsistentes und taktiles Klicken bei wiederholtem Stecken. Dies stellt sicher, dass der Steckverbinder vollständig eingerastet ist und eine sichere elektrische und mechanische Verbindung gewährleistet. Die Verriegelung befindet sich in der Mitte des Steckers, um eine ungleichmäßige Verriegelung und ein Verheddern der Kabel zu vermeiden.
• Raster: 1 mm
Ein- und zweireihige Versionen sind in vertikaler und horizontaler Ausführung erhältlich, um die Designflexibilität zu erhöhen.
• Anschluss-AWG: 26 bis 32
Yageo Hirose
LEISTUNGSMERKMALE • Nennstrom: 1 A • Nennspannung: AC/DC 100 V • Betriebstemperaturbereich: -35 bis +85 °C • Kontaktpositionen: 2 bis 16 (DF50A einreihig) - 7, 9, 11, 13, 14, 15 (DF50A vertikal) • Kontaktpositionen: 20, 30, 40, 50 (DF50 zweireihig) • Steckzyklen: 30
Weitere Information unter avnet-abacus.eu/hirose
• RoHS-konform
LÖSUNGEN FÜR HOCHLEISTUNGSUND SIGNAL-ANWENDUNGEN • Signal- und Hochleistungssteckverbinder für bis zu 500 A • Für Low- und High-Voltage-Anwendungen • Entdecken Sie unser breites Angebot an Lösungen für das gesamte Transportwesen
Weitere Informationen unter avnet-abacus/amphenol
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TechnologieInterview
Entwicklungen bei intelligenten Batterien, die den Markt für industrielle E-Mobilität beleben E-Mobilität bietet spannende Möglichkeiten für die Zukunft, nicht nur für einen saubereren und nachhaltigeren Personen- und öffentlichen Verkehr, sondern auch für eine Vielzahl industrieller Anwendungen wie mobile Roboter, einschließlich fahrerloser Transportfahrzeuge (AGVs) und Drohnen. Hagen Götze, Senior Director Marketing bei Avnet Abacus, spricht mit Marc Eichhorn, Product Marketing Manager Batteries, darüber, wie die neuesten Entwicklungen in diesem Bereich aussehen. intelligente Funktionen wie Kommunikation und Systemmanagement in der Regel ebenfalls integriert sind. HG: Können Sie etwas zur besten Lithiumchemie für die E-Mobilität sagen?
Hagen Götze: Wir erhalten immer mehr Anfragen von Kunden, die Anwendungen in vielen unterschiedlichen Märkten wie Lagerautomatisierung, Smart Farming, professionelle Rasenmäher, Unterwasserforschung usw. entwickeln, was unserer Meinung nach auf die Forderung nach effizienteren Lieferketten, höherer Produktivität und Umweltbelange zurückzuführen ist. Auch Corona hat die Aufmerksamkeit auf die zunehmende Automatisierung gelenkt. Marc Eichhorn: Ja, insbesondere im Hinblick auf die Lagerautomatisierung soll der AGV-Markt in den nächsten fünf Jahren um über 31% jährlich (CAGR) auf mehr als 13 Mrd. US-Dollar wachsen. Mit neuester Datenanbindungstechnik und der Fähigkeit, große Datenmengen (Big Data) zu speichern und zu analysieren, bieten diese Fahrzeuge enorme Möglichkeiten, Prozesse zu rationalisieren und zu optimieren. Darüber hinaus haben sich einige wichtige Fortschritte in der Batterietechnik ergeben, die die Kosteneffizienz und Benutzerfreundlichkeit verbessern. HG: In der Vergangenheit wurden Blei-Säure-Batterien für eine Vielzahl von kleinen Elektrofahrzeugen wie Golfwagen und Gabelstapler verwendet. Was ändert sich jetzt? ME: Blei-Säure-Batterien haben sich in der Tat bewährt und stellen in vielen Fällen immer noch eine zufriedenstellende Lösung dar. Vor allem sind die Kosten niedriger als bei Alternativen wie Lithium, und sie sind thermisch stabil. Für neue Anwendungen oder die erstmalige Elektrifizierung ist Lithium jedoch in der Regel die richtige Wahl, da die Technik einen größeren Betriebsbereich und niedrigere Betriebskosten mit sich bringt. Die Energiedichte und die Zykluslebensdauer sind deutlich höher, während das Gewicht geringer ist. Schutzschaltungen sind natürlich obligatorisch, obwohl
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ME: Es gibt zwei wesentliche Lithium-Techniken für E-Mobilitätsanwendungen: Lithium-Nickel-ManganKobalt-Oxid (NMC), das auch in Consumer-Elektronik und Elektrowerkzeugen verwendet wird, und Lithium-EisenPhosphat (LiFePO4). Während NMC die höchste Energiedichte bietet, stellen LiFePO4-Batterien eine vier- bis zehnfache Zykluslebensdauer bereit, sodass die Wahl von den Prioritäten hinsichtlich der Leistungsfähigkeit abhängt. HG: Welche anderen Faktoren sollten berücksichtigt werden? ME: Die Entscheidung für eine Standardbatterie oder eine Sonderanfertigung kann einen großen Einfluss auf das Projektergebnis haben. Eine kundenspezifische Batterie kann so aufgebaut sein, dass sie eine bestimmte Spannung liefert oder einer bestimmten physikalischen Form oder Abmessung entspricht. Auf der anderen Seite sind einmalige Entwicklungskosten (NRE) und Kosten für die Produktzulassung zu berücksichtigen. Darüber hinaus kann der gesamte Prozess eine Ablenkung für das Entwicklungsteam darstellen. Wenn das Know-how eines Unternehmens beispielsweise in den Bereichen Präzisionslandwirtschaft oder Materialwirtschaft liegt, sollte man sich auf seine speziellen Kompetenzen oder sein marktspezifisches IP konzentrieren, um das Endprodukt vom Wettbewerb abzuheben. HG: Eine handelsübliche Batterie ist also wahrscheinlich am schnellsten auf den Markt zu bringen, sorgt für den schnellsten Umsatz und ist am kostengünstigsten? ME: In den meisten Fällen ja. Außerdem können Sie Muster sofort ab Lager und dazu ein passendes Ladegerät erhalten, das sofort einsatzbereit ist. Ich freue mich, dass VARTA kürzlich zwei Serien von Standardbatterien eingeführt hat, die sich sehr gut für neue E-MobilityAnwendungen eignen. Diese anwendungsspezifischen Batterien der Serie ASB sind sowohl mit Li-Ionen- als auch LiFePO4-Chemie und mit einer Nennspannung von 24 und 48 V erhältlich. Die Easy-Block-LiFePO4-Serie umfasst Batterien mit einer Kapazität von bis zu 14,5 kWh und einer Lebensdauer von bis zu 10.000 Zyklen.
Die zweite Serie (Easy Blade) profitiert von der höheren Energiedichte der Li-Ionen-Chemie und bietet eine Kapazität von bis zu 37,5 kWh bei einer Lebensdauer von etwa 1200 Zyklen.
Typische Anwendung für die ASBBatteriemodule von VARTA
TechnologieInterview
HG: Was können Sie uns noch dazu sagen? ME: Da es sich um eine serienmäßige Produktlinie handelt, verfügen die Akkus über integrierte Sicherheitsfunktionen und sind gemäß IEC 62133-2:2017 und UN38.3 vorzertifiziert. Selbstverständlich werden die Zellen gemäß UL 1642 getestet. Die Batterien können über den robusten CANOpen-Standard kommunizieren, was das Design-In vereinfacht. HG: Was ist mit dem Ladegerät? ME: Hier hat VARTA mit Delta-Q eine Partnerschaft geschlossen. Eine skalierbare Lösung basiert auf einem Ladegerät-Design, das mit vorinstallierter Firmware geliefert wird und das Stapeln von bis zu sechs Einheiten ermöglicht, um eine Reihe von Systemleistungsanforderungen zu erfüllen. Das bedeutet, dass Kunden bei Bedarf ein für sie fertiggestelltes Ladegerät am nächsten Tag erhalten können. Wie die Akkus ist auch das Ladegerät nach einschlägigen Sicherheitsnormen zertifiziert. Dazu gehören UL 1564 und EN 60335. HG: Und wenn die Geräte/Akkus sich im Einsatz befinden? ME: Intelligente Batterien wie VARTA ASB ermöglichen Fernüberwachung und vorausschauende Wartung, die wir durch unsere Avnet-IoTConnect-Cloud-Lösungen unterstützen. Dies ermöglicht auch zukünftige Geschäftsmodelle wie „Battery as a Service“. HG: Zu einem kompletten Elektrifizierungsprojekt gehört mehr als die Batterie. Wie kann Avnet Abacus seinen Kunden sonst noch helfen, eine erfolgreiche Lösung zu finden? ME: Zu den wichtigsten Herausforderungen beim Systemdesign gehören eine geeignete Leistungselektronik und Isolierung um die Batterie herum sowie die Gewährleistung einfacher und robuster Signal- und Leistungselektronik-Verbindungen. Ein anderer unserer Lieferanten, AVX, bietet halbleiterbasierte Schalter für Anwendungen bis 48 V, die eine ideale Ergänzung zu VARTAs ASB sind. Die Schalter befinden sich zwischen dem Batterie-Management-System (BMS), dem Fahrzeug und dem Ladegerät, um Schutz zu bieten und die Batterie bei Bedarf elektronisch sicher zu trennen. Diese Schalter bieten einen viel schneller wirkenden Schutz für die Batterie als herkömmliche mechanische Relais und können intelligente Funktionen wie das Vorladen unterstützen. Sie können bis zu 85% leichter sein, haben eine viel längere Lebensdauer und sind außerdem leise im Betrieb. HG: Sie erwähnten Signal- und Stromanschlüsse? ME: Ja, Batteriewechselmodule wie die BSM-Serie von Amphenol sind hier die Lösung. Die intelligenten Funktionen von Lithiumbatterien erfordern Strom- und Signalverbindungen, sodass das Zusammenführen dieser im selben Steckverbinder Zeit beim Stecken und Trennen
spart. Die BSM-Serie bietet eine Selbstkorrektur für Positionsabweichungen von bis zu ±2 mm in X- und Y-Richtung und bis zu ±5 mm in der Z-Achse, um ein schnelles und sicheres Stecken zu ermöglichen. Sie sind in verschiedenen Leistungsstufen bis zu 600 VDC und 100 A erhältlich. HG: Das Entwicklungstempo der Batterietechnik wird als recht langsam empfunden. Gibt es irgendetwas Neues am Markt, das frischen Wind bringt? ME: Sie haben Recht, Fortschritte erscheinen hier eher langsam vonstatten zu gehen, obwohl es immer wieder Verbesserungen und Optimierungen gibt, die etwas mehr aus dem Bestehenden herausholen. Aber jetzt hat VARTA eine neue Reihe von Li-Ionen-Zellen eingeführt, die den Anforderungen an schnelles Aufladen gerecht werden – was in der E-Mobilität wichtig ist. Bei diesen Zellen mit der Bezeichnung V4Drive handelt es sich um 21700-Zellen (21 mm Durchmesser x 70 mm Höhe), die in weniger als sechs Minuten vollständig aufgeladen sind, während sie die Temperatur unter +35 °C halten und eine stabile Lebensdauer gewährleisten. Sie sind so konzipiert, dass sie regenerative Energie effizient aufnehmen und auch bei niedrigen Temperaturen hervorragende Leistungsfähigkeit bieten. Mindestens eine renommierte Fahrzeugmarke arbeitet mit VARTA zusammen, um diese Zellen für Fahrzeuge der nächsten Generation zu entwickeln. Sie sind auch ideal für Anwendungen wie Elektrowerkzeuge und kabellose Geräte. HG: Und Avnet Abacus kann den Kunden helfen, diese Technologien zu nutzen? ME: Ja, wir stellen die ASB-Akkus und die zugehörigen Ladegeräte bereit, und unsere Entwickler arbeiten mit Kunden und VARTA zusammen, um die Design-InAnforderungen zu erfüllen. Es gibt zahlreiche Referenzdokumente, darunter ein umfassendes technisches Handbuch und eine Design-In-Anleitung für Ladegeräte, die unverbindlich zur Verfügung stehen. Bei den V4Drive-Akkus wird die Produktion dieses Jahr hochgefahren, um Hauptkunden zu beliefern. Die serienmäßige Verfügbarkeit für den Massenmarkt beginnt 2023. HG: Das gibt viel Stoff zum Nachdenken für kommende E-Mobility-Projekte. Danke für das Gespräch.
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Avnet Abacus’ MasterclassSerie Leistungselektronik Sechs der klügsten Köpfe und größten Akteure im Bereich Leistungselektronik diskutieren über die neuesten Herausforderungen bei der Implementierung von Stromversorgungssystemen
Um alle Sessions auf Abruf anzusehen, besuchen Sie avnet-abacus.eu/power-masterclasses
Harwins 5-staraward 2021
Nachrichten
José Ramón Blázquez, Account Manager, und Dieter Kuhn, Senior Field Application Engineer – Interconnect & Electromechanical bei Avnet Abacus, haben den 5-Star-Award 2021 von Harwin für ihren außergewöhnlichen Beitrag zum Erfolg des Harwin-Produktangebots erhalten. Die Auszeichnung wird an Einzelpersonen und Organisationen vergeben, die dazu beigetragen haben, Harwins Produktangebot rund um die Verbindungstechnik am Markt weiter zu etablieren und viele interessante Möglichkeiten in neuen Anwendungen und geografischen Regionen zu schaffen.
„Diese Auszeichnungen sind eine großartige Möglichkeit, unseren Vertriebspartnern unsere Wertschätzung zu zeigen. In einer für globale Lieferketten schwierigen Zeit ist die Reaktionsfähigkeit und Kundennähe des Vertriebsnetzes wichtiger denn je", so Andrew McQuilken, Chief Revenue Officer bei Harwin.
V.l.n.r: José Ramón Blázquez Avnet Abacus, Eneko Ansoleaga, Business Development Manager für Südeuropa bei Harwin und Dieter Kuhn, Avnet Abacus
José Ramón hat eine wichtige Rolle bei der Sicherung von Harwin-Design-Wins in einer Vielzahl von Märkten gespielt, darunter auch im immer dynamischeren Markt für Elektrofahrzeuge. Dieter Kuhn hat einen wesentlichen Beitrag geleistet, indem er technische Unterstützung in einer Reihe wichtiger Kundenprojekte geleistet hat.
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Engineers’ Insight: der Blog von Avnet Abacus
Design-In-Herausforderungen lösen Der technische Blog von Avnet Abacus „Engineers‘ Insight“, hilft Ihnen, Herausforderungen in den verschiedenen Märkten und Technologien, die wir bedienen, zu meistern. Von Elektronikwissen wie dem äquivalenten Serienwiderstand in Elektrolytkondensatoren über optimale Designansätze für neue Funktechniken bis hin zu detaillierten Entwicklungsleitfäden für Stromversorgungslösungen ist dies ein Blog, der von Entwicklern für Entwicklern gestaltet wird.
Hier geht's zum Blog :
avnet-abacus.eu/engineers-insight
