Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
Einfach zu integrierende Multikanal-Hochleistungslösung
Nutzen Sie das volle Potenzial von Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren mit EIS
Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist eine zerstörungsfreie Methode zur Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften von Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Durch die Modulation von Wechselstromsignalen können Informationen über den Zustand und die Effizienz dieser Systeme gewonnen werden, die mit herkömmlichen Methoden unzugänglich sind. Diese Methode unterstützt sowohl Forschungs- als auch Produktionsteams. Die Analyse der Impedanz ermöglicht es, u.a. die Effizienz von Elektroden zu optimieren und deren Lebensdauer präziser vorherzusagen. Dies minimiert Risiken und steigert die Zuverlässigkeit elektrochemischer Energiespeicher- und -erzeugungssysteme in verschiedenen Anwendungen.
GI.bench – für moderne und robuste Messaufbauten
Die GI.bench vereint schnellere Versuchsaufbauten, Projektkonfiguration und -abwicklung sowie die Visualisierung von Datenströmen in einer digitalen Werkbank.
Sie ermöglicht es Ihnen, Ihre Mess- und Prüfaufgaben im laufenden Betrieb zu konfigurieren, auszuführen und zu analysieren. Greifen Sie überall auf Live- und historische Messdaten zu.
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Vorteile der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS)
EIS ist für Akteure im Energiesektor, die ihre Betriebseffizienz verbessern wollen, von großer Bedeutung. Diese anspruchsvolle Methode quantifiziert die elektrische Impedanz von Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Sie bietet Einblicke in ihr elektrochemisches Verhalten, die entscheidend für die Verbesserung der Betriebseffizienz und die Verlängerung der Lebensdauer sind, ohne den Betrieb zu stören. Die Fähigkeit , hochauflösende Impedanzmessungen über einen breiten Frequenzbereich zu liefern, hilft, Probleme zu lösen, bevor diese die Systemleistung beeinträchtigen. Dieser proaktive Ansatz rationalisiert den Wartungsprozess und senkt die damit verbundenen Kosten erheblich, indem er potenzielle Probleme bereits im Ansatz erkennt.
- Detailierte Einblicke in den Batteriezustand: Die EIS-Technologie liefert tiefgehende Informationen über Batteriesysteme und ermöglicht die Optimierung der Leistung sowie die Verlängerung der Lebensdauer.
- Zerstörungfreie Analyse: EIS ist eine elegante Methode, die wichtige interne Verhaltensweisen der Batterie identifziert, ohne diese zu beschädigen, sodass Ihre Systeme während und nach der Analyse intakt bleiben.
- Detaillierte Impedanzanalyse: Mit EIS können Sie zwischen Widerstand und Reaktanz in Ihren Batterien unterscheiden und erhalten detaillierte Einblicke in interne Prozesse wie Ladungstransfer und Ionendiffusion, die für die Erhaltung der Elektrodenintegrität entscheidend sind.
- Vorausschauende Wartung: EIS zeigt den aktuellen Gesundheitszustand an und erlaubt genauere Prognosen über die zukünftige Leistung der Batterie. Dadurch können Sie präventiv eingreifen, um Probleme zu vermeiden, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und Kosten zu senken.
- Vielseitigkeit in der Anwendung: Über die Batterieoptimierung hinaus ist EIS auch für die Weiterentwicklung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen von unschätzbarem Wert. Durch die Bewertung der Impedanzcharakteristika dieser Systeme liefert EIS wichtige Erkenntnisse, die entscheidend für die Leistungssteigerung und Innovation in diesen bedeutenden Energiesektoren sind.
Funktionsweise von EIS: Schritte zur Messung und Datenverarbeitung
EIS bietet eine umfassende und zerstörungsfreie Methode zur Bewertung und Verbesserung der Gesundheit und Funktionalität elektrochemischer Systeme, unterstützt die Weiterentwicklung von Energiespeichern und der Effizienz der Umwandlung. Mit der EIS Messung können kleinste elektrischen Reaktionen identifiziert und deren zugrunde liegenden Mechanismen zugeordnet werden damit Systemleistung und -stabilität verbessert weren kann. Durch präzise Messungen über ein breites Frequenzspektrum entschlüsselt EIS die kritischen Parameter, die den Zustand und die Effizienz dieser elektrochemischen Systeme bestimmen.
Prozess
Übersicht
von EIS
Systemvorbereitung
Vor Beginn der EIS-Messung wird das zu testende System – eine Batterie, Brennstoffzelle oder ein Elektrolyseur – sorgfältig und sicher vorbereitet. Die Vorbereitung umfasst die Reinigung, Überprüfung der Montage und die ordnungsgemäße Verbindung, um sicherzustellen, dass das System korrekt mit den EIS-Instrumenten interagiert.
Frequenzauswahl
Ein geeigneter Frequenzbereich wird basierend auf den erwarteten elektrochemischen Prozessen im System ausgewählt. EIS-Messungen werden typischerweise von sehr niedrigen Frequenzen (Milli-Herz) bis zu 10 kHz durchgeführt. Die Anzahlt der Frequenzen pro Dekade ermöglicht eine gute Verteilung der Messpunkte und liefert so eine umfassende Analyse langsamer und schneller Prozesse.
Überlagerung von Wechselspannung oder Strom:
Eine kleines AC Signal (Strom oder Spannung) wird dem Gleichanteil überlagert. Dieses Signal wird bewusst innerhalb des linearen Ansprechbereichs gehalten, um nichtlineares Verhalten zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Messungen die inhärenten Eigenschaften des Systems widerspiegeln.
Messung der Reaktion
Die Reaktion des Systems auf das angewendete Wechselstromsignal wird über den ausgewählten Frequenzbereich aufgezeichnet. Diese Reaktion ist typischerweise ein Wechselspannung- oder Wechselstromsignal, das im Vergleich zum angelegten Signal phasenverschoben und möglicherweise abgeschwächt ist. Der Ausgang des Systems umfasst die Amplitude und die Phasenverschiebung der Spannung oder des Stroms relativ zum Eingangssignal und liefert Daten darüber, wie das System auf jede Anregungsfrequenz reagiert.
Impedanzberechnung
Die Impedanz bei jeder Frequenz wird präzise berechnet, indem die gemessene komplexe Spannung durch den komplexen Strom geteilt wird (Z = V/I). Diese Berechnung berücksichtigt auch die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom und liefert eine komplexe Zahl welche die resistiven und reaktiven Eigenschaften des Systems darstellen.
Datenvisualisierung
Die resultierenden Impedanzdaten werden typischerweise in grafischen Formaten wie Bode-Diagrammen angezeigt, die die Größe und Phase der Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz zeigen, und Nyquist-Diagrammen, die den realen gegen den imaginären Teil der Impedanz auftragen. Diese Diagramme interpretieren das elektrochemische Verhalten des Systems über den getesteten Frequenzbereich hinweg.
Weitergehende Analyse
Nach der Datenerfassung und -darstellung wird eine weitere tiefgehende Analyse durchgeführt, einschließlich der Modellanpassung und Parameterextraktion. Diese Analysen sind entscheidend für ein tieferes Verständnis der elektrochemischen Prozesse, helfen, Probleme zu identifizieren, bevor sie zu einem Systemausfall führen, und verbessern die Fähigkeiten zur prädiktiven Wartung.
EIS ist Ihr Schlüssel für die Qualifizierung und den
effizienten Betrieb von Batterien,
Brennstoffzellen und Elektrolyseur-Stapeln.
Die Gantner All-in-one EIS Lösung
EIS-Messsystem: Skalierbar und modular
Das Messsystem für Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) besteht aus modularen Komponenten, die eine präzise und umfassende Analyse elektrochemischer Systeme ermöglichen:
- Prüfobjekt: Abhängig von der Anwendung und den Forschungszielen umfasst dies typischerweise Batterien, Brennstoffzellen oder Elektrolyseure.
- Signalerzeugung und -modulation: Diese Komponente erzeugt präzise Wechselstromsignale. Sie steuert die elektrische Modulation, die auf das zu testende elektrochemische System angewendet wird, und gewährleistet die Integrität der EIS-Messungen.
- Programmierbare bidirektionale AC-Stromquellen: Diese sind unerlässlich, um anpassbare Testbedingungen für das Prüfobjekt zu simulieren, was für eine gründliche und relevante EIS-Analyse entscheidend ist.
- DAQ-Lösungen: Geräte wie Q.raxx A193 und Q.station erfassen alle Daten zu Impedanz, Strom, Spannung, Temperatur und Dehnung. Diese synchronen Daten sind entscheidend für die Analyse des elektrochemischen Verhaltens und des Zustands des zu testenden Systems. Diese Daten sind entscheidend für die Analyse des elektrochemischen Verhaltens und des Zustands des getesteten Systems.
- Controller für Algorithmus und Datenzugriff: Geräte wie der Q.core 201 EIS verwaltet diese Einheit die Algorithmen für die Datenverarbeitung und gewährleistet einen nahtlosen Zugriff auf die Messdaten für die weitere Analyse.
Sorgt für eine sichere und schnelle Trennung der Stromversorgung
Verbindet EIS-Systemkomponenten für schnellen, Echtzeit-Datentransfer und Netzwerkommunikation.
Erzeugt frequenzspezifische Signale von 1 mHz bis 10 kHz zur Analyse der Impedanzen.
Bieten erstklassige Präzision und Stabilität für die Signalerfassung auch bei hohen Potentialen, kombiniert mit einem exzellenten Signal-Rauschverhältnis.
Verwalt die Erfassung von Rohdaten und berechnet die Kennwerte jeder EIS Messung in Echtzeit
Ermöglichen den direkten Anschluss von Strommesswandler (CT) oder Shunt für maximale Benutzerfreundlichkeit
Messen wichtige Parameter wie Strom, Spannung und Temperatur für umfassende Systemdiagnosen.
Ermöglichen die Mehrkanal-Temperaturmessung an jedem Standort, um die Systemintegrität unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu überwachen.
Optimiert das Wärmemanagement innerhalb des Systems, um stabile thermische Bedingungen für eine genaue Messung zu gewährleisten.
Skalierbare Stromquelle im Bereich von von Kilowatt bis Megawatt
Technische Merkmale
Möglichkeiten der Datenerfassung
Q.series X A193 Modul
- Leistungsstarkes Modul: Das Q.series X A193 ist für Hochleistungsanwendungen und industrielle Anwendungen konzipiert.
- Signal-Verstärkung und Offset-Messung: Diese Funktion verstärkt das AC-Signal und misst den Inline-DC-Offset bis zu 100 kHz pro Kanal. Sie ist entscheidend für die Lock-In-Technik und erhöht die Empfindlichkeit und Selektivität von Impedanzmessungen.
- Spannungsmessbereich: Verfügt über einen 5-V-Bereich für DC-Zellen-/Stack-Spannung und einen 150-mV-Bereich für AC-Signale.
- Flexibilität bei der Strommessung: Strommessung über Shunt oder Strommesswandler.
- Robuste galvanische Isolierung: Bietet bis zu 800 VDC Isolierung zwischen den Kanälen, von den Kanälen zur Stromversorgung und dem Bussystem.
- Unterstützt EIS für ganze Batteriepacks: Speziell entwickelt für die elektrochemische Impedanzspektroskopie bei kompletten Akkupack-Konfigurationen, was den Nutzen bei großen Anwendungen erhöht.
Datenverarbeitung und -analyse
- Synchrone Signalerfassung: Sorgt dafür, dass alle Spannungs- und Stromsignale gleichzeitig erfasst werden, um die Kohärenz und Genauigkeit der Daten zu gewährleisten. Nutzt die Lock-In-Technik, um bestimmte Signalfrequenzen und Phasen zu isolieren, was die Messung schwacher Signale in verrauschten Umgebungen erheblich verbessert.
- Einstellbare Referenzfrequenz: Akzeptiert analoge und digitale Referenzsignale für Netzteile und elektronische Lasten.
- Umfassender Datenzugriff: Ermöglicht den Zugriff auf Rohdaten für eine eingehende Analyse im Zeitbereich.
Impedanz- und Spannungsanalyse: Berechnet automatisch die Impedanz bei jeder Frequenz und misst sequentiell die Zell-/Stack-Spannung und liefert während des gesamten Testprozesses dynamische Live-Updates.
Systemdesign und Skalierbarkeit.
- System-Frequenzbereich: Das System kann in einem breiten Frequenzbereich von 1 mHz bis 10 kHz betrieben werden und deckt damit ein breites Spektrum an elektrochemischen Testanforderungen ab. Die große Reichweite verbessert die Möglichkeiten der Lock-In-Erkennung und macht sie für verschiedene Anwendungen in Industrie und Forschung geeignet.
- Modulare Systemkonfiguration: Einfache Skalierbarkeit von einem Basis-Setup mit 4 Kanälen bis hin zu komplexen Konfigurationen mit bis zu 128 EIS-Kanälen, anpassbar an die Projektanforderungen von F&E bis zum Produktionsmaßstab.
- Temperaturmesskanäle: Enthält zusätzliche Kanäle speziell für die Temperaturüberwachung, die die thermische Analyse mit elektrochemischen Impedanzmessungen verbinden.
- Intuitive Benutzeroberfläche: Die GI.bench Software erleichtert die Konfiguration und Visualisierung und bietet eine benutzerfreundliche Oberfläche zur Verwaltung und Beobachtung des Testfortschritts.
- Echtzeit-Visualisierungstools: Bietet fortschrittliche Online-Tools für die Regelung und Visualisierung von Prozessen, einschließlich Nyquist- und Bode-Diagrammen.
Integration und Konnektivität
- Kompatibilität mit Stromversorgungssystemen: Die direkte Integration mit den wichtigsten Stromquellen und Anbietern elektronischer Lasten gewährleistet einen nahtlosen Betrieb innerhalb bestehender Anlagen und erreicht 10 kHz mit bevorzugten Partnern.
- Erweiterte Konnektivitätsoptionen: Ausgestattet mit einer offenen API und einer EtherCAT-Schnittstelle unterstützt das Modul die unkomplizierte Integration in verschiedene Automatisierungssysteme.
Besonderes Merkmal: Lock-in-Verstärker
Die Lock-in-Verstärkertechnik, die in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) verwendet wird, ist eine leistungsstarke Methode zur Erkennung und Messung sehr kleiner AC-Signale, die oft durch Rauschen verdeckt werden. Diese Technik beinhaltet die Eingabe eines Referenzsignals mit einer bestimmten Frequenz in das Testobjekt – z.B. eine Batterie oder eine Brennstoffzelle – und die synchrone Erfassung eines Ausgangssignals mit der gleichen Frequenz. Das Verfahren isoliert und verstärkt das interessierende Signal aus dem Rauschen mithilfe einer phasensensitiven Detektion. Sie verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich und ermöglicht so die genaue Messung von Impedanzänderungen über einen großen Dynamikbereich und unter verschiedenen Bedingungen.
Hier sehen Sie, wie das Lock-in-Konzept auf EIS angewendet wird:
1. Signalanwendung: Eine bekannte Wechselspannung oder ein bekannter Strom mit kleiner Amplitude wird an das elektrochemische System angelegt.
2. Synchrone Erkennung: Die Reaktion des Systems wird synchron mit dem angelegten Signal gemessen. Nur Signale mit der gleichen Frequenz und Phase wie das Referenzsignal werden erkannt und gemessen, wodurch Rauschen effektiv herausgefiltert wird.
3. Phasenabhängiger Ausgang: Der Lock-in-Verstärker erzeugt ein Ausgangssignal, das proportional zum Kosinus der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und der gemessenen Antwort ist, was eine präzise Berechnung sowohl des Betrags als auch der Impedanzphase ermöglicht.
Datenverarbeitung
EIS-Engine Plotten der Ergebnisse
Gantner Instruments vereinfacht die komplexe Datenverarbeitung bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) durch seine hochentwickelte EIS Engine. Unsere Software und Hardware arbeiten Hand in Hand, um einen nahtlosen Übergang von der Rohdatenerfassung zur detaillierten Impedanzanalyse zu gewährleisten und so bei minimalem Eingreifen des Benutzers wichtige Erkenntnisse zu gewinnen.
EIS Plug-in Vorteile
- Automatisierte Konfiguration: Das System konfiguriert die Einstellungen für jeden Test automatisch, um eine optimale Datengenauigkeit und relevante Parameter zu gewährleisten. Dazu gehört die Einstellung des Frequenzbereichs, der Signalamplitude und anderer kritischer Faktoren auf der Grundlage der spezifischen Anforderungen des getesteten elektrochemischen Systems.
- Automatisierte Regelung des Prozesses: Das System verwaltet den gesamten Testprozess von Anfang bis Ende und passt die Parameter bei Bedarf auf der Grundlage von Live-Daten an. Dieser Automatisierungsgrad sorgt für konsistente Testbedingungen und reduziert das Potenzial für menschliche Fehler, was für die Zuverlässigkeit von Testumgebungen, bei denen viel auf dem Spiel steht, entscheidend ist.
- Automatisierte Dashboard-Erstellung: Mit automatisierten Dashboard-Tools können Benutzer schnell umfassende visuelle Darstellungen ihrer Daten erstellen. Diese Dashboards integrieren verschiedene Datenpunkte in einem leicht interpretierbaren Format und helfen dabei, Trends und Muster zu visualisieren, die aus den Rohdaten allein nicht ersichtlich sind.
- Datenaufzeichnung in Echtzeit: Während der Datenerfassung verarbeitet die EIS Engine sofort Impedanzspektren und stellt sie dar. Diese Echtzeit-Darstellung ist entscheidend für ein sofortiges Feedback während des Tests und ermöglicht schnelle Anpassungen und Entscheidungen. Die mitgelieferte Grafik, die eine typische Impedanzkurve einer Lithium-Ionen-Zelle zeigt, veranschaulicht, wie die Impedanz mit der Frequenz variiert und bietet Einblicke in den Zustand und die Funktionalität der Zelle.
- Verbesserte Datenanalyse: Die EIS-Engine ermöglicht fortgeschrittene Datenanalysetechniken, wie z.B. Modellanpassung und Parameterextraktion, direkt in der Dashboard-Umgebung. Diese Integration ermöglicht eine tiefergehende Analyse, ohne dass externe Software benötigt wird, was den Arbeitsablauf rationalisiert und die Produktivität steigert.
Erweitern Sie Ihr Wissen
Entdecken Sie, wie Gantner EIS die betriebliche Effizienz unserer Kunden weltweit transformiert hat. Diese Ressourcen sind darauf ausgelegt, Sie zu informieren, Innovation zu fördern und praktische Einblicke in die erfolgreiche Integration von EIS-Lösungen in Ihre Systeme zu bieten.
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Warum brauchen Sie Gantner EIS?
Die hochmodernen EIS-Lösungen von Gantner Instruments positionieren Sie an der Spitze des Batteriemanagements und der Optimierung und verbessern Ihre Strategie für das Batteriemanagement durch Präzision und fundierte Entscheidungen. Unsere Technologie lässt sich nahtlos in Kundensysteme integrieren und unterstützt Konfigurationen über standardisierte Schnittstellen wie Ethernet und EtherCAT. Durch präzise Messungen und detaillierte Analysen verbessern unsere EIS-Lösungen den Lebenszyklus und die Funktionalität von elektrochemischen Zellen und tragen so wesentlich zum Fortschritt der Energiespeichertechnologien bei.
Einfache Integration in die Q.series X Plattform
Dadurch wird der Einrichtungsprozess gestrafft und eine nahtlose Integration in bestehende Systeme ermöglicht, was minimale Unterbrechungen und maximale Effizienz gewährleistet.
Erweitern Sie Ihre Strom-, Spannungs-, Dehnungs- und Vibrationssignale mit EIS-Informationen
Unsere Systeme bieten eine umfassende Datenerfassung, die herkömmliche Messmethoden mit fortschrittlichen EIS-Daten kombiniert und so einen ganzheitlichen Überblick über den Zustand und die Leistung des Systems bietet.
One-Stop-Shop Mehrkanal-High-Power-Lösung
Unsere Systeme bieten ein komplettes Paket für EIS-Tests und können problemlos Anwendungen mit hoher Leistung bewältigen. Diese Eigenschaften sind für Industrien unerlässlich, in denen der Umfang des Betriebs robuste, zuverlässige Testmöglichkeiten erfordert.
Synchronisierte Datenerfassung in Echtzeit für alle Parameter
Alle Parameter, einschließlich Spannung, Strom, Temperatur und Dehnung, werden in Echtzeit und synchronisiert erfasst. Diese Synchronisation ist entscheidend für eine genaue Charakterisierung und stellt sicher, dass alle Daten den tatsächlichen Zustand des Testobjekts widerspiegeln.
Echte Mehrkanaligkeit, kein Multiplexing & kürzestmögliche Analysezeit
Durch den Support von bis zu 128 Kanälen können unsere EIS-Systeme komplexe Mehrkanalanalysen durchführen, ohne dass ein Multiplexing erforderlich ist. Das spart Zeit und erhöht die Zuverlässigkeit der Daten durch die gleichzeitige Erfassung von Messungen an mehreren Testpunkten.
Perfekte Synchronisation mit Signalen
Unsere Systeme sind so konzipiert, dass sie sich nahtlos in bestehende Systeme integrieren lassen und Signale wie Temperatur, Dehnung und sogar Video unterstützen. Diese Integration ist entscheidend für eine umfassende Diagnose und Analyse.
Schnelle Bereitstellung und einfache Integration in bestehende Systeme
Das modulare Design unserer EIS-Lösungen stellt sicher, dass sie schnell in bestehende Systeme integriert werden können, was die Einrichtungszeit reduziert und einen schnelleren Übergang von der Einrichtung zum vollen Betrieb ermöglicht.
Expertenwissen über Integration und Datenanalyse
Gantner Instruments ist nicht nur ein Lieferant, sondern ein Komplettlösungspartner für die Systemintegration und bietet Expertenwissen in den Bereichen Datenanalyse und Systemdesign. Unsere offene API erweitert diese Fähigkeit und ermöglicht die individuelle Anpassung von Lösungen und die Integration mit Systemen von Drittanbietern.
Entdecken Sie unsere EIS-Lösung
Wenn Sie wissen möchten, wie das EIS Measurement System in Ihren Projekten eingesetzt werden kann, laden Sie bitte hier unseren technischen Lösungsflyer herunter.
Anwendungen
Die Vielseitigkeit der Gantner DAQ-Produkte macht sie ideal für:
Infrastruktur und Bauwesen
GI Produktfinder
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Fragen zu EIS?
Sprechen Sie mit unseren Experten.
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FAQ
Häufig gestellte Fragen zu EIS
Bis zu 100 kHz.
Von 1 mHz bis 10 kHz.
Technisch gesehen ist dies nicht hilfreich, da Sie sich im linearen Bereich befinden. Messungen bei diesen Frequenzen werden nicht empfohlen, da sie das Verhalten des physischen Geräts nicht abdecken.
Ja, die vollständige Integration wird unterstützt.
Die EIS-Lösung von Gantner Instruments zeichnet sich durch Präzision, Geschwindigkeit, Benutzerfreundlichkeit und einen breiten Frequenzbereich aus. Sie zeichnet sich durch nahtlose Integration, starke Konnektivität und Anpassungsfähigkeit an die Bedürfnisse des Kunden aus. Sie wird durch außergewöhnlichen Support und Kosteneffizienz unterstützt. Gantner ist bekannt für Zuverlässigkeit, Innovation und kundenorientiertes Engineering.
Ja, unsere Plattform ermöglicht diese kombinierte Messung.
Wir bieten die Integration auf DIN-Schiene und in ein Rack (Q.raxx 3HE und Slimline 1HE) an.
Ja, beide sind kompatibel.
EtherCAT wird für eine optimale Systemintegration unterstützt.
Die Isolierung des A193 beträgt 800 VDC. Die 1500 VDC Version wird soo auf den Markt kommen