Entwicklung einer leitfähigen textilen Matrix zur Übertragung von hohen Strömen
(IGF-AiF 18434 BR)

Abstract

In diesem Projekt wurden optimierte elektrisch leitfähige textile Strukturen entwickelt, die in der Lage sind, hohe Ströme zu übertragen, und die kostenoptimiert produziert werden können. Durch eine gezielte Strukturierung der Verschaltung der Leiterbahnen in Verbindung mit einer optimierten Ansteuerung der elektrischen Verbraucher werden bedeutende Mengen des teuren elektrisch leitfähigen Fadenmaterials eingespart und somit können die Materialkosten entscheidend gesenkt werden.

Aufgabenstellung

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Sicherheit ist es unumgänglich, dass leitfähige textile Schaltungsmatrizen entwickelt werden, welche bereits im Schaltungslayout auf eine Optimierung der Zuleitungen für hohe Ströme ausgerichtet sind und eine optimale Strom­verteilung gewährleisten. Hierzu sind Richtlinien zum Aufbau textiler Schaltungsträger zu erarbeiten, die eine Übertragung hoher Ströme ermöglichen.
Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung von stromtragfähigen textilen Schaltungsmatrizen und deren kostengünstige Fertigung. Es sollen elektrisch leitfähige Strukturen entwickelt werden, die in der Lage sind, Ströme im Bereich von 5...10 A zu übertragen.

Lösungsweg

Die gegenwärtig angewandten Verschaltungsstrukturen bei textilen Applikationen im Bereich heiztechnischer und lichttechnischer Anwendungen sind nicht für hohe Ströme optimiert. Ebenso ist der Aufbau textiler Leiter nicht für solche Anwendungen ausgelegt. In der Ent­wicklung geeigneter stromtragfähiger textiler Schaltungsmatrizen liegt ein großes Potenzial zur Einsparung teurer elektrisch leitfähiger Fadenmaterialien.

Um die Strombelastbarkeit von Leiterbahnen zu ermitteln, muss vor allem deren Erwärmung unter Anwendungsbedingungen erfasst werden. Hierfür wurde ein Messaufbau entwickelt, der in Abbildung 1 dargestellt ist. Über ein Netzteil mit einstellbarer Ausgangsspannung wird ein definierter Strom in die Leiterbahnen eingespeist, der mittels der an der anderen Seite angeschlossenen elektronischen Last exakt eingestellt werden kann. Mit einer Wärmebildkamera wird die Erwärmung der Leiterbahnen und des umliegenden Gewebes aufgezeichnet. Somit wird ermittelt, ob sich die Leiterbahnen bei einer definierten Stromübertragung innerhalb des für die Anwendung zulässigen Temperaturbereiches erwärmen oder ob hierbei unzulässige Erwärmungen auftreten. Alternativ können zur Bestimmung der Leiterbahntemperatur auch Temperatursensoren oder Infrarot-Thermometer verwendet werden.
 

Messaufbau Strombelastbarkeit
Abb. 1: Messaufbau Strombelastbarkeit

Im Wesentlichen sind für den Erfolg der optimierten Schaltungsauslegung folgende Strategien zielführend:

  1. Materialauswahl
  2. Erhöhung der Betriebsspannung
  3. Einsatz von DC/DC-Wandlern
  4. Einsatz von Datenbussystemen
  5. Optimierte Stromverteilung
  6. Intelligentes Energiemanagement
  7. Einsatz energiesparender Verbraucher
  8. Stromkreise mit separaten Spannungsquellen
  9. Mehrfache Spannungszuführung
  10. Integration konventioneller Kabel
  11. Optimale Leiterbahnbreiten
  12. Antiparallelschaltung von Verbrauchern


Ergebnis/Anwendungen

Im Projekt wurden Erkenntnisse und Richtlinien aus der Elektronikindustrie auf textile Anwendungen adaptiert und weiterentwickelt. Es konnte aufgezeigt werden, wie Anwendungen mit hohem Strombedarf auf textiler Basis trotz des hohen elektrischen Widerstandes der textil verarbeitbaren Leitermaterialien realisiert werden können.
Im Projekt wurde eine textile Leuchte als Demonstrator entwickelt, bei der eine hohe Anzahl von LEDs auf textilen Leiterbahnen integriert wurde. Durch die Anwendung der im Projekt entwickelten Strategien, war es möglich, eine solche Leuchte zu realisieren, die bei einer einfachen Parallelverschaltung der LED einen Stromfluss von mehreren Ampere zur Folge hätte. Die Leuchte kann, aufbauend auf den Projektergebnissen, nun mit einem Stromfluss von nur 400 mA betrieben werden.
Die Lösung besteht hierbei in der strukturierten Parallelschaltung der LEDs in einzelnen Segmenten und der Reihenverschaltung der Segmente untereinander bei einer Erhöhung der Betriebsspannung von 3 V auf 36 V (siehe Abbildung 2). Somit können handelsübliche Netzteile zur Spannungsversorgung verwendet werden. Optional könnten die Segmente der Lampe auch mit der doppelten Anzahl von LED bestückt werden, die dann mit umgekehrter Polarität zu verschalten sind. Wird die Lampe mit Wechselspannung betrieben, kann eine Verdoppelung der Helligkeit erzielt werden, da dann alle LEDs gleichzeitig leuchten. Abbildung 3 zeigt die fertig konfektionierte LED-Leuchte.
 

Doppelsegment der textilen Leuchte mit gestickten Leiterbahnen und LED-Bestückung
Abb. 2: Doppelsegment der textilen Leuchte mit gestickten Leiterbahnen und LED-Bestückung

LED-Leuchte
Abb. 3: LED-Leuchte

 
Die Umsetzung der FuE-Ergebnisse kann sowohl bei Vertretern der Bereiche der Textilindustrie, der Stickereibetriebe, in der Medizintechnik sowie der Elektronikindustrie als auch bei den Endanwendern, den Herstellern von Smart Textiles, erfolgen.
Auf der Grundlage der im Projekt gewonnenen Erkenntnisse können neue Produkte entwickelt und neue Funktionen in Textilien integriert werden.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Frank Thurner
Tel.: 03661 / 611-346
Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailf.thurner(at)titv-greiz.de


 
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