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Transistor ersetzt die letzten Röhren

RF Energy erobert die Consumer-Märkte

24. Januar 2016, 9:16 Uhr | Heinz Arnold

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Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß deutlich senken

Die neuen Zündsysteme haben gegenüber herkömmichen Zündkerzen den Vorteil, dass sie sich einfacher einbauen lassen, den Kraftstoffverbrauch um bis zu 15 Prozent senken und den Schadstoffausstoß deutlich reduzieren. Ampleon arbeitet bereits seit fünf Jahren mit Anwendern zusammen, um RF Energy für Verbrennungsmotoren nutzbar zu machen und so den CO2-Ausstoß deutlich senken zu können. Laut Ampleon sind Autohersteller in Japan dabei, die neue Technik in die Kraftfahrzeuge zu bringen.

Die HF-Plasma-Lampen bestehen aus einer gasgefüllten »Glühbirne« aus Quarz, die ohne Elektroden auskommt und deshalb sehr langlebig ist. Die HF-Strahlung ionisiert das Gas und es entsteht ein sehr helles Licht – sehr viel heller als LED-Licht –, dessen Farbe sich über die Zusammensetzung des Plasmas sehr genau steuern lässt. Die Lampen erreichen eine Lebensdauer von 50.000 Stunden und sie arbeiten sehr effizient: 1 W HF-Energie wird in 140 lm Licht umgesetzt. Erste Anwendungen finden sich dort, wo mehr als 5000 lm erforderlich sind, beispielsweise in Straßen- und Bühnenbeleuchtungen.

Schon auf der IMS 2014 hatte NXP eine Lampe gezeigt, die mit 440 MHz arbeitet und die Energie ins Plasma einkoppelt, ohne dass dazu Zirkulatoren erforderlich wären. Zum Einsatz kommt hier ein 200-W-LDMOS-Transistor vom Typ BLC05M6XS200, der speziell auf die Anforderungen von Beleuchtungen ausgelegt ist. Er arbeitet bei Frequenzen von 425 bis 450 MHz und sitzt in einem high-tech Plastikgehäuse. Damit erreicht die Lampe 20.000 Lumen. »Dies ist eine der schönsten Anwendungen von RF-Energy, die ich kenne«, sagt Dr. Klaus Werner. Einerseits kann die Lampen ein Spektrum abstrahlen, das dem der Sonne sehr nahe kommt, so dass unter diesem Licht die Farben sehr natürlich wiedergegeben werden, was beispielsweise in Bekleidungsläden interessant ist. Andererseits lässt sich das Farbspektrum einstellen, so dass etwa Pflanzen in Gewächshäusern nicht nur sehr schnell wachsen, sondern die Beleuchtung auch sehr energieeffizient betrieben werden kann.

Die RF-Energie lässt sich aber auch zum Erwärmen und Trocknen nutzen. Die Vorteile sind hier, dass sich der Wärmeeintrag selektiv, präzise, sehr gleichmäßig verteilt und genau steuern lässt, und örtliche Überhitzungen vermieden werden. Anwendungen finden sich in Haushaltsgeräten, in der Medizin (Erwärmung von Blut und Organen) in industriellen Anwendungen, etwa wenn Holz, Kleidungstücke, Farbe oder andere Materialien getrocknet werden sollen. Auch in diesen Anwendungen trägt die HF-Energie dazu bei, Emissionen zu reduzieren, die Effizienz zu steigern und die Prozesse zu beschleunigen.

»Es tut sich derzeit also sehr viel«, erklärt Dr. Klaus Werner. Die RFEA will nach seinen Worten dazu beitragen, die HF-Power in unterschiedliche Anwendungen zu bringen. Dabei spielen die Halbleiter eine entscheidende Rolle. Mit Ampleon, Win Semiconductors und Macom konnte die RFEA bereits drei Hersteller aus diesem Bereich gewinnen. Weil diese Hersteller auf Wafer mit großen Durchmessern übergehen, um die Komponenten zu fertigen, und zunehmend kostengünstige Plastikgehäuse einsetzen, leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Kostensenkung. Damit das große Ziel erreicht werden kann, müssen aber auch die Hersteller der übrigen Komponenten mit einbezogen werden.

Erst kürzlich veröffentlichte die RFEA bereits ein erstes Ergebnis: die »RF Power Amplifier (PA) Roadmap: Hausgeräte.« Das Dokument spezifiziert die kommenden Generationen PA-Module für Konsumentenhaushaltsgeräte. Dazu haben Vertreter durch die gesamte Wertschöpfungskette übergreifend zusammengearbeitet. Ziel ist es, die Kosten zu senken und die PA-Module innerhalb eines Jahrzehnts zu den derzeitigen Magnetron-basierenden Systemen wettbewerbsfähig zu machen. Unter der Führung von Firmen wie Ampleon, E.G.O.-Group, Huber+Suhner, ITW, Rogers Corporation und Whirlpool R&D, setzt der Strategieplan Parameter für fünf PA-Modulgenerationen, die Kochanwendungen zum Ziel haben. Mehr als 40 Eigenschaften sind pro Modul definiert, die von Betriebslebensdauer- und Umweltbedingungen, Effizienz und Größe bis zu HF-Leistung und Schnittstellenstandards reichen.

»Die RF Energy Alliance sieht diese Roadmap als den ersten abgestimmten Ansatz im HF-Energie-Halbleitertechnik-Konstruktionsdesign«, sagt Dr. Klaus Werner. »Überall, wo in der Industrie geheizt werden muss und wo es auf eine möglichst hohe Energieeffizienz ankommt, stehen wir an einen kritischen Wendepunkt: Wir fangen erst damit an, das wahre Potenzial der HF-Energie-Halbleitertechnik zu entdecken.«