Roadmap für HF-Leistungsverstärker
HF-Leistungshalbleiter für Haushaltsgeräte
Wird Mikrowellen-Energie zum Erhitzen angewendet, so werden überwiegend Magnetrone als HF-Energiequelle eingesetzt. Diese Dominanz will die RF Energy Alliance brechen – mit standardisierten HF-Leistungshalbleitermodulen. Sie bieten eine Reihe von technischen Vorteilen, sind aber noch teuer.
Die Erzeugung von Hochfrequenzsignalen mittels Halbleitern ist kein neuartiges Konzept. Alle modernen Kommunikationsmittel wie Mobiltelefone, Rundfunksender und – bei niedriger Sendeleistung – WiFi- und Bluetooth-Geräte nutzen mittlerweile komplexe, modulierte HF-Signale, die mit Halbleiterbauelementen erzeugt und mit halbleiterbasierten Verstärkern auf das benötigte Leistungsniveau gebrachte werden. Halbleiter haben die älteren Röhren im Grunde schon vor einiger Zeit verdrängt – aufgrund der besseren Leistungsmerkmale, Zuverlässigkeit und Anwenderfreundlichkeit [1].
Nicht im Widerspruch zu Obigem steht die Tatsache, dass die HF-Technik auch zum Betreiben eines lokalen, chemischen oder physikalischen Prozesses benutzt werden kann – also nicht zum Aussenden von Daten. Diese nicht Daten versendenden Anwendungen definieren das Gebiet der HF-Energie-Anwendungen. Beispiele für solche HF-Energie-Anwendungen finden sich beim industriellen Erwärmen [2], in den allgemein bekannten Mikrowellenherden, bei HF-Plasmalampen [3, 4], bei neuartigen Zündsystemen für Autos [5] und in der Medizintechnik [6].
Ein wichtiger Unterschied zwischen Daten aussendenden HF-Systemen und HF-Energie-Systemen ist, dass die HF-Energie-Anwendungen keine modulierten Signale oder besonders lineare Verstärker benötigen. Hierdurch kann beim Entwickeln der HF-Verstärkerschaltung auf besonders hohen Wirkungsgrad hingearbeitet werden.
Eine der herausragenden HF-Energie-Anwendungen ist der Haushalts-Mikrowellenherd. Die momentan dominierende, hierfür eingesetzte HF-Energiequelle ist das Magnetron; seit 60 Jahren am Markt und ausentwickelt, ist sie das Arbeitspferd für die HF-Leistungserzeugung im 2,45-GHz-Frequenzbereich. Allerdings ist diese Vorzugsstellung durch die aufkommende HF-Halbleitertechnik zunehmend bedroht. Die Mitglieder der RF Energy Alliance (RFEA) [7] erwarten, dass in ein paar Jahren die Magnetron-Röhre beinahe komplett durch Halbleiterverstärker verdrängt sein wird.
Die HF-Halbleitertechnik hat sich bewährt und hat vor Kurzem eine enorme Leistungssteigerung sowie erhebliche Kostensenkungen erfahren. Sie erscheint nun ausreichend kostengünstig, um den Kampf um den Einsatz im Mikrowellenherd gegen das Magnetron auf zu nehmen. Die halbleiterbasierten HF-Verstärker bieten große Vorteile hinsichtlich der Prozesskontrolle im Garraum eines Mikrowellenherdes, sei es Auftauen, Erhitzen oder Kochen – was zu deutlich verbesserten Kochfunktionen führt. Nutzer von Mikrowellenherden können zukünftig »Halbleiter-Herde« genießen und sich einer großen Koch-Perfektion mit hundertprozentiger Reproduzierbarkeit erfreuen.
Das Herz des HF-Energie-Generators, der HF-Leistungsverstärker, ist zur Zeit das teuerste Bauteil in der HF-Generations-Kette (Bild 1). Er wird sehr bald zur Billigware werden. Die Differenzierung der damit ausgerüsteten Mikrowellenherde wird – mehr als bisher – von den Herstellern über die mögliche Kochkontrolle, -leistung und Ausstattung erreicht. Die Steuerungs- und Leistungsvarianz wird durch Sensoren und Algorithmen ermöglicht, die den momentanen Garzustand bestimmen. Basierend auf den Sensorsignalen lassen sich dann die HF-Signale zur Ansteuerung der Leistungsverstärker so berechnen, dass ein optimaler Energieeintrag ins Kochgut stattfindet.
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