Liebling, ich habe den Trafo geschrumpft

Komponenten zur Steuerung und Automatisierung in Industrie, Gebäude- und Verkehrstechnik sowie auch Leuchtdioden (LED) benötigen so genannte Treiberschaltungen, durch die sie angesteuert und mit Strom versorgt werden. Der Platzbedarf dieser Baugruppen verhindert aber häufig einen leichten und übersichtlichen Systemaufbau. Ließen sich solche Schaltungen verkleinern, könnten sie mit der „Vor-Ort-Integration" in das Gerät eingebettet werden. Ein Problem bei der Miniaturisierung sind Transformatoren mit ihrem magnetischen Ferritkern und metallischen Wicklungen. Sie bestimmen maßgeblich die Größe der Baugruppe.

Siemens-Wissenschaftlern ist es nun gelungen, neuartige Keramiken zu entwickeln, die sie in Transformatoren einbetten können. Damit lassen sich Trafos für Netzteile auf ein Fünftel ihrer Baugröße verkleinern, sodass sich etwa bei Leuchtdioden die normalerweise separaten Schaltnetzteile in den Kühlkörper der Baugruppe integrieren lassen. Diese Technologie entwickelten die Forscher mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft im Verbundprojekt „Ansteuerung von LEDs durch LTCC-Ferrit-Module" (ALFerMo).

Das ALFerMo-Konsortium hat am Beispiel einer lichtstarken Leuchtdioden-Anordnung mit 16 Osram-Leuchtdioden Typ OSLON demonstriert, wie ein Schaltnetzteil in Aussparungen des Kühlkörpers montiert werden kann. Mit zwei Tricks haben die Experten einen Transformator miniaturisiert: Sie vervierfachten die Schaltfrequenz und machten sich dabei den Effekt zunutze, dass Transformatoren umso kleiner werden, je höher die Schaltfrequenz ist. Zudem entwickelten sie einen Schichtaufbau mit magnetischen Keramikfolien, bei dem sich der Ferritkern samt Wicklungen unkompliziert in eine keramische Leiterplatte integrieren lässt. Der Transformator ließ sich so auf ein Fünftel seiner ursprünglichen Größe verkleinern und die Treiberschaltung in den LED-Kühlkörper von zehn Zentimetern Durchmesser und fünf Zentimetern Höhe montieren. Die LED-Baugruppe benötigt somit bei gleicher Helligkeit kein gesondertes Netzteil mehr.

Dem Projektteam gelang es, die Integration von Leiterplatten für künftige modulare, kompakte Leistungsbaugruppen zu erweitern. Solche intelligente Steuersysteme machen Gebäude sowie Energie- und Fertigungsanlagen wettbewerbs­fähiger. Die Forscher untersuchen nun auch Anwendungen in den am weitesten verbreiteten Epoxid-Leiterplatten sowie außerhalb der Lichttechnik. ALFerMo ist Bestandteil des Förderschwerpunktes Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES) des Bundesforschungsministerium (BMBF) und wurde im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung bis Ende Mai 2013 mit 2,65 Millionen Euro gefördert.

Siemens / AH