Cem Som - Vice President Midcom Europe
Cem Som
Aufstrebende Technologie
09. Februar 2022
Lesezeit: 12 Min.

IIoT-Projekt Wireless Power Transfer: Weg mit den Kabeln – auch in der Industrie

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Arbeiter, der Industrieanlagen übersieht

Internet of Things (IoT) und Industrial Internet of Things (IIoT) dienen als Sammelbegriffe für verschiedenste technische Entwicklungen vom Fitnesstracker über Agrarroboter bis zur Smart Factory (Stichwort Industrie 4.0). Ihre gemeinsamen Nenner sind die Vernetzung und ein Ziel: der Aufbau flexiblerer Lösungen über intelligente, dezentralisierte Funktionen.

Flexibel und intelligent – ich denke da sofort an mobile Geräte, die sich selbst steuern. Aber der Punkt ist: Wie mache ich Geräte mobil und autonom? Und wie können autonome Geräte Rückmeldungen geben? Auf jeden Fall muss ich sie „von der Leine lassen“. Sie müssen also ohne Kabel auskommen. Kein Kabel für Daten und auch kein Kabel für Strom – nicht immer ganz einfach.

Würth Elektronik hilft dabei, die Kabel zu kappen. Ein wichtiger Schritt: Wireless Power Transfer (WPT). Wir haben eines der größten Angebote an WPT-Spulen auf dem Markt und machen es Entwicklern leicht, Lösungen zu entwickeln. Die Herausforderung dabei: Kabellose Energieversorgung erfreut sich zwar in der Consumer-Elektronik großer Beliebtheit, doch kann man sich bei vielen industriellen Anwendungen nicht einfach an deren Standards anlehnen. Der Hintergrund: Das zentrale Anliegen von Wireless-Power-Standards wie Qi ist die Interoperabilität, die Universalladestationen möglich machen soll. Wer aber industrielle Lösungen entwickelt, hat meist andere Prioritäten – allen voran eine deutlich höhere Leistung als diese beispielsweise im Qi-Standard vorgesehen ist.

Doch auch hier gibt es Lösungen: Würth Elektronik bietet ein Wireless-Power-Entwicklungssystem für Applikationen bis zu einer Leistung von 200 W. Aufgrund der Leistungsklasse empfiehlt sich für 200 W ein induktiver Ansatz mit einem Resonanzwandler. Dies hat den Vorteil hoher Effizienz und guter Schirmung des Magnetfeldes. Beim Design der Anwendung muss der Abstand zwischen den Spulen bedacht werden, um Einbußen in der Effizienz zu minimieren. Ein Spulenabstand von 1-5 mm wäre optimal, 10 mm sollten nicht überschritten werden. Auch der laterale Versatz sollte je nach Spulengröße 5 mm nicht überschreiten. Die gute Nachricht zu der für Applikationen bis 200 W vorgeschlagenen Lösung von Würth Elektronik: Mit einem Resonanzwandler lässt sich ein Wirkungsgrad von über 90 % erreichen. Wie man mit dem Entwicklungs-Kit 760308EMP eine WPT-Lösung realisiert, wird in diesem Webinar am Beispiel einer Drohne gezeigt.

Kommunikation durch Modulation

Hat das Entwicklerteam einer Anwendung durch WTP ein gekapseltes, vielleicht sogar besonders wasser- und staubgeschütztes Design ermöglicht, muss natürlich auch die Kommunikation kabellos erfolgen. In vielen Fällen reicht es, wenn ein mobiles Gerät einfache Befehle empfangen und lediglich ein paar Sensordaten oder seinen Akkustand an eine Basisstation zurückmelden kann. Für solche Fälle bietet unser WPT-Entwicklungs-Kit eine herrlich schlanke Lösung an: Während der Wireless-Power-Übertragung tauschen Gerät und Ladestation über Amplituden- und Frequenzmodulation Daten aus. Die Software für diese neuentwickelte Funklösung inklusive einer Checksum-Kontrolle stellen wir frei zur Verfügung.

Als optionale Hardwareerweiterung des Entwickler-Kits gibt es zudem ein Display Board 760308EMPLCD, um beispielsweise die Temperatur abzulesen, die der Sensor des aufzuladenden Geräts über die ASK-Modulation übermittelt hat. Wie im Webinar beschrieben, lässt sich auch der nächste Schritt, die Übermittlung der Daten von der Basisstation zum Beispiel an eine Smartphone-App mit Funkmodulen von Würth Elektronik sehr leicht realisieren.

Hobby Flugzeug mit Wireless Power Ladefunktion

Kommunikation über NFC

In der Überschrift steht IIoT. Aber entgegen der Begrifflichkeit muss die Datenübertragung zwischen Maschinen nicht zwingend über das Internetprotokoll erfolgen. Wo unregelmäßig nur wenige Daten übertragen werden müssen oder nur hin und wieder ein Statusreport übermittelt werden soll, kann zum Beispiel die Integration eines WLAN-Interfaces einen übertriebenen Aufwand darstellen. Mit der vorgestellten Modulation des WPT zur Datenübertragung kann man bis zu 500 Bit/s erreichen.

Eine weitere Möglichkeit, die man mit Hilfe des Development Kits und speziellen Spulen von Würth Elektronik ausprobieren kann, ist die Nutzung von NFC. Mit einer Datenrate von 848 kBit/s ist NFC (Near Field Communication) eigentlich ein RFID-Standard, der aber zu weit mehr als für Authentisierungslösungen verwendet wird.

Zu diesem Thema sei die Application Note ANP084: Impedanzanpassung für Near Field Communication Anwendungen empfohlen.

Fazit

Das Kappen des Stromkabels eröffnet also auch Möglichkeiten zur kabellosen Datenübertragung – mit dem Wireless Power 200 W Development Kit kann man schnell die Machbarkeit solcher Ideen überprüfen. Und man sollte sich vom Begriff Internet of Things nicht in die Irre führen lassen. Nicht jede Kommunikation braucht Internetprotokoll und WLAN. Im Gegenteil: Oft reichen schlanke Lösungen wie die Amplituden- und Frequenzmodulation oder NFC aus. Dort, wo es um größere Datenmengen geht, sollten Entwickler gerade im industriellen Bereich auch ruhig mal proprietäre Lösungen evaluieren – je nach Prioritäten können so oft bessere und dem Internetprotokoll überlegene Lösungen realisiert werden.

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