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RF Energy voll nutzen

Das »ALL-IC« aus Aachen: Missing Link für RF Energy

24. Januar 2017, 09:35 Uhr   |  Heinz Arnold

Das »ALL-IC« aus Aachen: Missing Link für RF Energy
© FH Aachen

Prof. Holger Heuermann, FH Aachen: »Mit dem Einsatz von Zündsystemen auf Basis von RF Energy ließen sich der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß deutlich senken: Ein Ottomotor mit dem Wirkungsgrad eines Dieselmotors wäre möglich.«

Im Interview mit Markt&Technik erklärt Prof. Holger Heuermann, was hinter dem Amplitude-Locked-Loop-IC steckt, den die FH Aachen entwickelt und dessen Technik MACOM lizenziert ha: »Besonders für Zündsysteme in Autos sehe ich eine riesiges Potenzial.«

FH Aachen

Laser finden sich mittlerweile in vielen Geräten, zum Beispiel in DVDs, Laserdruckern, Laser-Pointern und Schweißgeräten. Auch zur Augen- und Schienbeinbehandlung finden sie Einsatz. Der Vergleich zwischen Lasern und Mikrowellen-Plasma legt nahe, das
… und ca. 30 Plasmageräte pro Haushalt finden lassen. Zu letzterem zählen zum Beispiel Lampen, Zündkerzen, Plasma-TVs und industrielle Prozesse, wie Schweißen, Schmelzen, Beschichtungen.
2010 hat die FH Aachen den ersten Mikroplasmastrahl entwickelt, der mit einer Transistorschaltung bei 100 W angetrieben wird.

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Markt & Technik: Sie haben einen Chip entwickelt, der die eigentlichen Vorteile von RF Energy – basierend auf Leistungshalbleitern statt auf klobiger und energiehungriger Elektromechanik – erst richtig zur Geltung bringt: Innerhalb des ISM-Bandes lässt sich die Frequenz verändern, was beispielsweise mit einem Magnetron für Mikrowellenöfen nicht funktioniert. Wie sieht die Regelung aus?

Prof. Holger Heuermann: Der Chip regelt ähnlich wie eine PLL – allerdings nicht die Phase, sondern die Amplitude des Signals. Er findet die Frequenz zum Zünden des Plasmas und erkennt im Anschluss die Frequenz, bei der am wenigsten Energie reflektiert wird. Bei diesen Frequenzen sind die Amplituden der reflektierten Signale am geringsten. Deshalb sprechen wir von einem Amplitude Locked Loop, kurz ALL. Im ersten Ansatz haben wir die Steuerung rein diskret aus kommerziell erhältlichen ICs aufgebaut. Diese Funktionen konnten wir dann auf einen in der EU plus weiteren 13 Ländern patentierten IC integrieren. Das führt zu einem preiswerten und sehr leistungsfähigen Chip, der schnell genug für den Einsatz in Zündsystemen für Autos ist.

Aus welchen wesentlichen Funktionseinheiten besteht der Chip?

Fangen wir bei dem Power Amplifier an. Er verstärkt das Signal vom spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). Dann überträgt der Koppler es mit dem Wert des Reflexionskoeffizienten S11 zum neuartigen Amplitude Discriminator (AD). Der AD wiederum besteht aus zwei Detektoren und einem Differenzverstärker, um die Stärke von S11 auf Basis der vom Koppler gewonnenen Leistungspegel zu messen.  Daraus ergibt sich US11. Die weiteren Berechnungen finden dann im AD statt. Wie in einem PLL müssen die Ausgangssignale des AD einen Tiefpassfilter durchlaufen, bevor sie in den VCO weitergeführt werden und der Kreis sich schließt.

Sie haben den Baustein vor allem für den Einsatz in Zündkerzen entwickelt?

Ja, weil er sehr schnell ist, kann er in Zündsystemen und in Heizsystemen wie in Mikrowellenöfen zum Einsatz kommen. Die geringen Fertigungskosten machen ihn aber auch für den Einsatz in Beleuchtungen geeignet. Wir haben das IC an der FH Aachen zusammen mit IMST entwickelt und ein Patent angemeldet. Der auf dieser Technik basierende Chip lässt sich also in vielen Zielmärkten, darunter in Mikrowellenöfen, in Lampen und in Zündkerzen einsetzen. Deshalb hat ihn MACOM
exklusiv lizenziert.

Und ohne den Chip?

Ohne die ALL ist es schwierig, langsam und aufwändig, HF-Systeme auf Basis von Leistungshalbleitern für den Einsatz in Geräten wie Mikrowellenöfen, Lampen und Zündsystemen zu realisieren. Deshalb hat die Firma MACOM das Patent jetzt lizenziert und MACOM wird den Chip auch fertigen. Dazu reicht ein kostengünstiger eingefahrener CMOS-Prozess aus, der Chip nimmt eine Fläche von nur 2 x 2 mm ein.

Vor über einem Jahr hatte sich die RF Energy Alliance, kurz REFA, gegründet, um ein Ökosystem rund um RF Energy aufzubauen. Den ALL betrachten Sie also als ein wesentliches Element in diesem Ökosystem?

Ja, er füllt eine große Lücke aus, die bisher bestand. Die ALL ist Herzstück einer neuen GHz-Plasmatechnologie, die eine ähnliche Anwendungsvielfalt erzielen wird  wie die Lasertechnologie und dabei viele Vorteile bringt, beispielsweise im Wirkungsgrad und im Herstellungsaufwand.

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2. RF Energy mischt die Karten neu

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