Die Herausforderung, industrielle IoT-Anwendungen mit Strom zu versorgen

Der Hype um IoT-Geräte heutzutage ist nicht überraschend. IoT-Engineering-Kits und die entsprechenden Technologien für den Entwurf von IoT-Prototypen sind weithin verfügbar und für kreative Technikbegeisterte erschwinglich. Folglich sind den Ideen und möglichen Geschäftsmodellen, die auf diesen Technologien basieren, keine Grenzen gesetzt.  

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Auch im industriellen Umfeld gibt es eine rasant steigende Nachfrage nach professionellen IoT-Anwendungen. Zu den gemeinsamen Merkmalen gehört die Fähigkeit, Intelligenz zu verteilen, indem verschiedene Sensoren und Aktoren mit dezentraler Steuerung verbunden werden. Die Fähigkeit, sie intelligent zu machen, besteht darin, dass diese Sensoren und Aktoren Daten sammeln und kommunizieren können und darauf ausgelegt sind, mit Intelligenz verwaltet zu werden. Der Markt für industrielle IoT-Anwendungen wird weiter wachsen, da sich immer mehr Anwendungen entwickeln, darunter (häusliche) Gesundheitsfürsorge, Infrastruktur, Versorgungsunternehmen, Heimautomatisierung und Smart Homes, Fahrzeuge, Mobilität und mehr. Diese professionellen IoT-Trends werden zweifelsohne Miniaturisierung, Mobilität, Robustheit, Effizienz (Wirkungsgrade) und die Vernetzung elektronischer Geräte beinhalten. 

Im Gegensatz zu Hobby-IoT-Anwendungen unterliegen solche sicherheitsrelevanten Industrial-IoT-Anwendungen strengen Vorschriften und Auswahlkriterien, sowohl für den Ingenieur als auch für die verwendeten Komponenten. Dies beginnt bei einer korrekt angepassten und sorgsam durchgerechneten Versorgung mit Strom und endet bei einer den zu erwartenden Belastungen entsprechenden Montage der Anwendungen längst noch nicht. Dies stellt eine grosse Herausforderung für Entwickler von industriellen IoT-Anwendungen dar. Der Einsatz von zertifizierten, zuverlässigen und langzeitverfügbaren elektronischen Komponenten ist kritisch, da diese oft in sicherheits- und funktionskritischen Anwendungen eingesetzt werden. Die professionelle Unterstützung von Komponentenlieferanten spielt dabei eine sehr wichtige Rolle.
 

Anforderungen für die Stromversorgung professioneller IoT-Anwendungen

Kritische Module innerhalb professioneller IoT-Geräte sind zweifelsohne die Wandler und die Stromversorgung. Miniaturisierung, geringer Stromverbrauch, Grösse und ein hoher Wirkungsgrad spielen für diese Produkte eine immer wichtigere Rolle. Halbleiter sind wahrscheinlich die Komponenten, die den höchsten Innovationsgrad aufweisen. Als zweite Schlüsseltechnologie sind die in den Produkten verwendeten Stromwandler und Isolationsgeräte zu nennen. Da diese meist batteriebetriebenen IoT-Systeme die meiste Zeit im Standby-Modus verbringen und nur ein kleiner Teil im aktiven Modus ist, müssen die eingebauten DC/DC-Wandler einen grossen Lastbereich mit hohem Wirkungsgrad abdecken.


Grösse und Effizienz zählen - was noch?  

Um solche professionellen IoT-Geräte zu entwickeln, zu zertifizieren und zu vermarkten, sind nicht nur diese technologischen Produkteigenschaften wichtig. Wenn diese professionellen IoT-Geräte zertifiziert und verkauft werden wollen, müssen sie die immer strengeren Vorschriften durch global harmonisierte Normen und Richtlinien vollständig erfüllen, was eine grosse Herausforderung für den heutigen IoT-Elektroingenieur darstellt. Werden IoT-Funktionalitäten für kritische Anwendungen wie z. B. in der Medizintechnik benötigt, müssen die elektronischen Komponenten so gestaltet werden, dass sie entsprechend eingesetzt werden können und branchenspezifische Vorschriften erfüllen. 

Nehmen wir als Beispiel ein medizinisch zugelassenes, drahtloses, batteriebetriebenes Bedienfeld mit Internetzugriff auf die Patientendatei. Mit diesem Bedienfeld ist ein weiteres Gerät drahtlos verbunden, das mit dem Patienten in Kontakt kommen kann (z. B. ein Blutdruckmessgerät). Einer der wichtigsten Sicherheitsaspekte in Bezug auf medizinische Geräte ist, dass der Patient oft elektrisch mit dem Gerät verbunden ist. Folglich müssen die Stromversorgung und der DC/DC-Wandler dieser IoT-Anwendung sicherheitskritische Vorschriften wie die BF-Konformität und 2XMOPP-Standards innerhalb der IEC/EN 60601-1 3rd Edition erfüllen.  

Ein weiteres gutes Beispiel sind industrielle IoT-Anwendungen für "intelligente" Häuser und Gebäude. Hoher Wirkungsgrad & geringer Leerlaufstromverbrauch (ErP-konform, s. Energieeffizienzverordnung EnEV), geringe Grösse, hohe Zuverlässigkeit und ein erschwinglicher Preis sind Schlüsselelemente für all diese IoT-Automatisierungsanwendungen für Haushalte und Gebäude sowie die ständig zunehmende Einhaltung von Normen und Standards wie IEC/EN 60335-1. 


Eine sorgfältige Planung ist erforderlich

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Wir wissen, dass der Einsatz neuer Technologien in sicherheitssensiblen und funktionskritischen Anwendungen eine erhöhte Zuverlässigkeit, Qualität, Lebensdauer und Zertifizierungen und - nicht zuletzt - eine lückenlose Rückverfolgbarkeit elektronischer Schlüsselkomponenten erfordert. 

Hersteller sind mehr und mehr in der Notwendigkeit, Werkzeuge zu verwenden, die in der Automobilindustrie seit Jahren etabliert und perfektioniert sind, wie z.B. Fehlermöglichkeitsanalyse, Korrekturmassnahmen, 8D-Berichte, DFMEA, PFMEA, Total Quality Management und kontinuierliche Verbesserung). 

Total Quality muss heute schon in der frühesten Phase fast jeder Entwicklung Einzug halten. Um dies zu erreichen, muss ein Entwickler heute mehr tun, als nur eine funktionierende Lösung zu liefern. Wo früher ein Mobiltelefon ein nützliches Begleitinstrument war, verzichten wir heute zunehmend auf die Redundanz anderer Mittel. Bargeld, Kamera, Adressbuch, Teilnehmer sind in das Smartphone integriert. Smartphones sind daher heute kritische Lebensbegleiter. Der Produktdesigner trägt heute viel mehr Verantwortung für die Qualität seiner Entwicklung als noch vor 10 Jahren. Wir alle wissen, dass dieser Trend nicht nur anhält, sondern sich rasant weiter entwickeln wird. Darüber hinaus sollten Zulieferer die digitale Transformation in den Lieferkanälen der einzelnen Komponenten als eine höchst bedeutsame Entwicklung betrachten.  Durch die Erfassung, Analyse und Aufbereitung relevanter Daten kann eine schnelle, zuverlässige und wirtschaftliche Verfügbarkeit der Komponenten zu einer erhöhten Produktivität beim Kunden beitragen 

Zusammengefasst bedeutet dies, dass IoT-Anwendungen in kritischen Anwendungen, zum Beispiel in der Medizintechnik, der Gebäudeautomation oder der Mobilität, nicht nur effizient, miniaturisiert und mit einem extrem niedrigen Standby-Stromverbrauch sein müssen, sondern auch über Jahrzehnte hinweg verfügbar, nachverfolgbar und vollständig konform mit den relevanten Normen und Vorschriften sein müssen. 

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