RF Energy Eine Technik – viele Märkte

Die Teilnehmer informierten sich auf dem SmarterWorld RF Energy Summit darüber, was Stand der Technik ist und wie sich die RF-Energy-Systeme in ganz unterschiedliche Geräte integrieren lassen.

Der SmarterWorld RF Energy Summit hat gezeigt: Es gibt zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für RF Energy – jede einzelne könnte die Zielmärkte nachhaltig verändern.

Die Idee, mit sehr genau regelbaren Transistoren und Leistungsverstärkern RF Energy zu erzeugen, ist nicht ganz neu. Teilweise arbeiten die Entwickler schon mehr als 15 Jahre daran. Denn damals standen erstmals Leistungstransistoren zur Verfügung, deren Performance es zumindest als realistisch erscheinen ließen, sie eines Tages für RF-Energy-Systeme zu verwenden. In Stückzahlen gefertigt wurden sie schon damals für Basisstationen – ein Markt, der ständig wachsen sollte. Weitere Kostensenkungen waren also zu erwarten.

Um das Jahr 2000 untersuchten deshalb die ersten Ingenieure, wie sich mit Hilfe dieser Transistoren Plasma erzeugen ließe, etwa für Plasmalampen oder für medizinische Anwendungen – zu Zeiten, als dies vor allem über Gas-Laser realisiert wurde. Allerdings sind die Transistoren für Basisstationen darauf optimiert, Informationen zu übertragen. In der RF Energy kommt es darauf an, Leistung zu übertragen. Das macht also bestimmte Anpassungen erforderlich.

Inzwischen haben sowohl die LDMOS- als auch die GaN-Transistoren ein Leistungsniveau erreicht, das sie für den Einsatz in der RF-Energy-Technik geeignet macht. Trotz der Optimierungen auf die Übertragung von Leistung können sie auf den Linien gefertigt werden, die für die Transistoren vorgesehen sind, die in Basisstationen Einsatz finden. Deshalb lassen sie sich relativ kostengünstig produzieren.

Inzwischen haben die Hersteller Regelschleifen entwickelt, die in der Lage sind, die Eingangs- und Ausgangsleistung in die Last über Netzwerkanalysatoren zu messen und den Leistungsverstärker entsprechend zu steuern. Das Ergebnis: Die Frequenz und Amplituden der HF-Signale und damit die Energie lassen sich in einer bisher nicht erreichbaren Genauigkeit einstellen und dem Prozess anpassen.

Bisher kam dafür die gute alte Röhrentechnik zum Einsatz, vor allem Magnetrone, die sich allerdings nicht steuern ließen. Die RF Energy hat das Potenzial, sie in vielen Bereichen zu ersetzen – und den Markt in jedem dieser Sektoren tiefgreifend zu verändern.

Die Mikrowellenöfen identifizierte die RFEA als einen der ersten vielversprechenden Märkte, die sich der Solid-State-RF-Energy öffnen. Erste Geräte, die auf das High-End-Segment abzielen, sind bereits auf dem Markt. Ihre großen Vorteile – energieeffizient, wartungsarm, robust, langlebig – können die neuen Systeme zunächst vor allem am Markt für professionelle Mikrowellenöfen ausspielen, die Tag und Nacht laufen. Die potenziellen Stückzahlen sind verlockend: Rund 70 Millionen Mikrowellenöfen werden pro Jahr weltweit gefertigt.

Ein weiterer sehr interessanter Markt tut sich in der Industrie auf. In vielen Bereichen ganz unterschiedlicher Industrien sind Wärme- und Trockenprozesse erforderlich, für die teilweise heute schon Mikrowellen zum Einsatz kommen – allerdings über Magnetrone erzeugt. Auf rund 100 MW dürfte die derzeit installierte Leistung kommen; allein in den USA und in Europa werden rund 11 Millionen Trockengeräte pro Jahr verkauft. Doch weil sich die Magnetrone nicht regeln lassen, müssen sie durchgehend mit höherer Leistung arbeiten und anschließend müssen die Hersteller wieder aufwendig kühlen. Das wäre so, als ob der Automotor permanent auf Höchstleistung eigestellt ist und der Fahrer die Geschwindigkeit über die Bremse regelt – ein sehr ineffektives und teures Verfahren. Die Solid-State-RF-Energy verspricht hier deutliche Verbesserungen und so ist es kein Wunder, dass Dr. Klaus Werner aus diesem Bereich über die letzte Zeit ein enormes Interesse wahrnimmt.

Interessante Anwendungen ergeben sich im Plasma-Lighting und der Erzeugung von Plasmen im Allgemeinen. Denn Plasmen mit hoher Energiedichte lassen sich auf sehr kleinem Raum realisieren. Das ist etwa für den Einsatz als Zündkerzen interessant und für medizinische Anwendungen, beispielsweise als Plasma-Skalpelle, die sowohl gegenüber den alten Metallskalpellen als auch gegenüber heute verwendeten Laser-Skalpellen deutliche Vorteile aufweisen.

Es lassen sich aber auch großflächige Plasmen erzeugen, die eine niedrige Temperatur aufweisen. Bisher war dies praktisch unmöglich: Hohe Energie bedeutete auch hohe Temperatur. Nun aber gelingt der Trick, indem hohe Frequenzen genutzt werden. Dadurch bewegen sich nur die leichten Elektronen, die schweren und trägen Ionen aber kaum, deshalb bleibt die Temperatur niedrig. Solche Plasmen können nun für die Oberflächenbehandlung von Kunststoffen und sonstigen temperaturempfindlichen Materialien eingesetzt werden, sodass sich die Prozesse insgesamt beschleunigen und kostengünstiger werden.