Fortschrittliche Gehäusetechnik hilft der Industrie 4.0 ihre Ziele zu erreichen

Die Geschichte des verarbeitenden Gewerbes umfasst seit ihrem Beginn im 18. Jahrhundert vier grob definierte "industrielle Revolutionen", bei denen die menschliche Kraft und die Pferdekraft nach und nach durch einen immer höheren Grad an Mechanisierung ersetzt wurden. Die erste Stufe der Mechanisierung beruhte auf der Kraft von Wasser und Dampf. In der zweiten Phase erfolgte der Übergang zur elektrischen Energie und die Einführung der Massenproduktion und des Fließbands, während die dritte Phase durch Computer und Automatisierung gekennzeichnet war. Jede Stufe ermöglichte eine größere Produktionsflexibilität, eine effizientere Nutzung der Energie und geringere Kosten als die vorherige.

Wir befinden uns nun mitten in der vierten Phase, die oft als Industrie 4.0 bezeichnet wird. Sie baut auf der dritten Stufe auf, indem sie Robotertechnologien, massive Datenerfassung durch das Internet of Things (IoT) technology und eine cloudbasierte Komponente hinzufügt, die zunehmend Machine Learning (ML) und Artificial Intelligence (AI) umfasst.

In der Fertigung ist Industrie 4.0 gleichbedeutend mit der intelligenten Fabrik, in der automatisierte Systeme Entscheidungen über lokale Prozesse treffen, miteinander kommunizieren, kooperieren und mit menschlichen Bedienern in Echtzeit interagieren, sowohl in der Fabrik als auch in der Cloud.

Industrie 4.0 kombiniert elektronische Steuerung und Überwachung mit drahtgebundener oder drahtloser Konnektivität in praktisch jedem Fertigungsprozess. In vielen Fällen erfordert dies den Einbau von elektronischen Modulen in kleine Positionen, die nie für diesen Zweck vorgesehen waren, sodass extrem kompakte elektronische Module ein Muss sind.

Eine typische Industrie-4.0-Anwendung ist zum Beispiel die Installation eines Netzes von dezentralen Sensoren, die Daten zur Übertragung an einen zentralen Knotenpunkt sammeln. Der verfügbare Platz für diese Sensormodule ist oft sehr begrenzt. Leider ist das Stromversorgungsdesign in der Regel einer der größeren Schaltkreisblöcke, da es eine Reihe von sperrigen Komponenten wie Leistungstransistoren, Transformatoren, Kondensatoren und Induktivitäten erfordert. Leistungsdesigner suchen stets nach neuen Möglichkeiten, die Effizienz zu verbessern, die Herstellungskosten zu senken und die Leistungsdichte zu erhöhen, indem mehr Leistung auf kleinerem Raum untergebracht wird.

Bei nicht isolierten und isolierten DC/DC-Schaltreglern mit niedrigem Stromverbrauch müssen die Entwickler die Nachfrage nach besserer Leistung und höherer Leistungsdichte befriedigen und gleichzeitig eine kostengünstige Lösung entwickeln.

Bei dem oben beschriebenen Sensordesign ist es oft nicht möglich, lange Kabel im gesamten Werk zu verlegen, insbesondere wenn Industrie 4.0-Funktionen zu einer bestehenden Anlage hinzugefügt werden. Daher setzen viele Sensormodule auf Batteriebetrieb und drahtlose Kommunikation, wie WLAN, Bluetooth Low Energy (BLE) oder LoRa.

Deswegen sind hocheffiziente Stromversorgungslösungen mit sehr niedrigem Standby-Stromverbrauch für die Maximierung der Batterielebensdauer unerlässlich. Das Streben nach höherer Effizienz hat die Entwicklung von DC/DC-Wandlern vorangetrieben, die ausgeklügelte Topologien wie Push-Pull-Konfigurationen und synchrone Gleichrichtung verwenden. Industrielle Anwendungen müssen eine lange Betriebsdauer haben, sodass die Lebenserwartung der Stromversorgung kein einschränkender Faktor sein darf.

Moderne Gehäusetechnologie kann helfen, wichtige Ziele der Industrie 4.0 zu erreichen

Moderne Gehäusetechnologie kann dazu beitragen, den Wirkungsgrad zu verbessern, die Größe von Wandlern zu verringern und sogar die Kosten zu senken.

Der Wunsch nach kompakteren Stromversorgungen hat zu Geräten geführt, die den Transformator, das Steuergerät, die Leistungstransistoren und andere Komponenten in einem einzigen Gehäuse integrieren.

Der Footprint muss jedoch klein bleiben, um die Vorteile eines Moduls gegenüber einem diskreten Design zu nutzen. Um dies zu erreichen, nutzen nicht isolierte DC/DC-Schaltregler und isolierte Wandlermodule die Z-Achse durch die Integration von 3D-Montagetechniken für minimalen Footprint und maximale Leistungsdichte. Im Inneren des Geräts wird ein kostengünstiger Flip-Chip auf einem Leadframe montiert und eine integrierte Induktivität durch Overmolding hinzugefügt.

Die 3D-Konstruktion trägt auch zu einer höheren Effizienz bei: Die Komponenten befinden sich in unmittelbarer Nähe zueinander, was zu engen Schaltstromschleifen führt, die eine sehr geringe EMI erzeugen, sowie zu einer hohen Leistungsdichte und einer optimierten thermischen Leistung, die die von diskreten Designs übertrifft.

So weit, so gut. Doch auf der Suche nach immer höherer Produktzuverlässigkeit bei geringeren Kosten gehen moderne Elektronikfertigungslinien dazu über, die manuelle Montage, einschließlich des Lötens von Hand, wo immer möglich zu eliminieren. Die beiden standardmäßigen automatisierten Lötverfahren - Wave- und Reflow-Löten - erfordern Komponenten, die in SMT-Technik (Surface Mount Technology) aufgebaut sind. Nahezu alle elektronischen Bauteile, wie Datenkonverter, Mikrocontroller und passive Bauelemente, sind in diesem Format erhältlich. Traditionell werden jedoch für integrierte Gleichspannungswandler häufig Through-hole-SIP-Gehäuse verwendet, da sie den Footprint auf der PCB minimieren, auch wenn sie die Montage durch einen zusätzlichen Handlötschritt, der eine potenzielle Fehlerquelle darstellt, erschweren können.

RECOM-Produkte vereinfachen automatisierte Produktionsabläufe

RECOM bietet eine Reihe von isolierten und nicht isolierten DC/DC-Wandlern in SMT-Gehäusen an, die ideal für Industrie 4.0-Anwendungen sind. Diese Wandler mit geringem Stromverbrauch können wie jedes andere SMT-Bauteil gehandhabt, platziert und gelötet werden. Darüber hinaus haben sie ein niedriges Profil, das zu den heutigen Slim-Line-Produkten passt.

Der RPX-0.5Q ist ein für die Automobilindustrie geeigneter Abwärtswandler mit integrierter geschirmter Induktivität in einem kompakten, 3 mm x 5 mm x 1,6 mm großen, thermisch optimierten QFN-Gehäuse mit Wettable Flanks, die eine automatische optische Inspektion der Lötstellen ermöglichen. Der Eingangsbereich reicht von 4 bis 36VDC, so dass 5V, 12V oder 24V Versorgungsspannungen verwendet werden können. Die Ausgangsspannung kann zwischen 0,8 und 34VDC eingestellt werden, die über zwei externe Widerstände ausgewählt werden. Der Ausgangsstrom beträgt bis zu 0,5A, und das Gerät ist vollständig gegen Dauerkurzschlüsse, Ausgangsüberstrom oder Übertemperaturfehler geschützt.

In der isolierten Produktlinie ist der R05C05TE05S ein kosteneffizienter, flacher, isolierter 0,5-W-SMD-DC/DC-Einzelausgangswandler mit einem Eingangsbereich von 4,5 bis 5,5V und einem halbregulierten 5-V-Ausgang. Es gibt keine Mindestlastanforderung, was ideal für Anwendungen ist, die in sehr leichte Lastbetriebsmodi wechseln. Das Modul kann außerdem bis zu 600mW für Anwendungen liefern, die zusätzliche Leistung für kurzzeitige Betriebsmodi benötigen. Die Standardisolierung beträgt 3kVDC/1min, die Betriebstemperatur reicht von -40°C bis zu +125°C mit Derating. Das vollautomatische Design ist mit Kurzschluss-, Überstrom- und Übertemperaturschutz ausgestattet, um höchste Zuverlässigkeit in Anwendungen wie Kommunikation, Strommessung und COM-Port-Isolierung zu gewährleisten.

Fazit

Industrie 4.0 stellt strenge Anforderungen an die Zuverlässigkeit, Größe und Effizienz. Die isolierten und nicht isolierten Gleichspannungswandler von RECOM mit geringem Stromverbrauch verwenden eine fortschrittliche Gehäusetechnologie, die die Zuverlässigkeit des Produkts verbessert, die Kosten senkt und die Effizienz steigert - und das alles in den besten Gehäusegrößen der Klasse.