Cool Silicon: Neues Forschungsprojekt

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Moderne Leuchtmittel verbrauchen weniger Strom als klassische Glühbirnen. Dennoch gibt es noch Potential, Energie einzusparen und die Lichtausbeute von Leuchtdioden zu steigern. Auch durch spezielle Ansteuer-Schaltungen für Elektromotoren lässt sich der Stromverbrauch weiter reduzieren. Diese Einsparmöglichkeiten will das Projekt ‘Cool Drivers’ erschließen.

Cool Drivers ist ein Bestandteil des Spitzenclusters Cool Silicon und wird im Rahmen des Förderprogramms IKT 2020 vom BMBF gefördert. Für das Vorhaben wurden über einen Zeitraum von drei Jahren Fördermittel von etwa 1 Million Euro bewilligt.

Unter Federführung der Dresdner Tochter des Erfurter Halbleiterunternehmens X-FAB entwickeln die Forscher in drei Teilprojekten integrierte Motorsteuerungen, integrierte LED-Ansteuerungen sowie die erforderlichen Halbleiter-Bauelemente und Fertigungsprozesse.

Um die Energieeffizienz von Leuchtmitteln und elektromotorischen Anlagen zu verbessern, gibt es verschiedene Ansätze. “Eine Erhöhung des Wirkungsgrades ist bereits durch einen optimierten elektronisch geregelten Leistungsfluss vom Netz zum Verbraucher zu erreichen”, so Projektkoordinator Roberto Gärtner, Director Process Characterization bei X-FAB. Die Forscher beschäftigen sich zudem mit der Reduktion von Koppelverlusten in Mehrantriebssystemen und suchen nach Wegen zur Minimierung des Eigenverbrauchs der Leistungselektronik. Die Regelalgorithmen, die die Forscher entwickeln, werden mittels einer Ultra-Low-Power-Technologie integriert und mit der Ansteuerelektronik sowie den Kommunikationskomponenten als Multi-Chip-Modul demonstriert.

Dabei übernehmen die Projektpartner bestimmte Aufgaben. X-FAB ist für die Koordination des Projektes Cool Drivers verantwortlich. Der Chiphersteller entwickelt zudem Verfahren für den Entwurf und die Fertigung der Elektronikbausteine, die in dem Projekt entstehen werden. X-FAB wird die von den Partnern entwickelten Chips produzieren und ihre Zuverlässigkeit untersuchen.

Die PE GmbH wird einen Spezialchip entwerfen, der die bisher üblichen Vorschaltgeräte für Leuchtdioden (LED) ersetzen und damit ihre Nachteile beseitigen soll. Denn die bislang gebräuchlichen Schaltnetzteile verursachen auf der Energieversorgerseite Störstrahlung im Hausstromnetz. Bei Leuchtmitteln über 25 Watt ist eine Leistungsfaktorkorrektur gesetzlich vorgeschrieben, die diese Nebenerscheinungen verhindert. Das Problem: Die Leistungen von Energiespar- und LED-Leuchten bleiben in aller Regel unterhalb dieser gesetzlichen Grenze.

Die Idee der Dresdner Forscher: Die Konstantstromerzeugung für LED-Beleuchtungen gleich mit der Leistungsfaktorkorrektur verbinden – und zwar in einem Schaltkreis, der obendrein mit einer Kommunikationsfunktion ausgestattet wird. Dadurch wird eine Steuerung der LED-Lampe über das konventionelle Leitungsnetz möglich. Sie kann über diesen “digitalen Schalter” ein- und ausgeschaltet sowie gedimmt werden. Damit wird auch der Einsatz von LED-Beleuchtungen in normalen Lampensockeln denkbar. Die PE GmbH wird mit der Technologie von X-FAB einen solchen Chip entwickeln und im Anschluss an das Projekt zur Marktreife führen.

Die DMOS GmbH, die MAZ Brandenburg GmbH und die Technische Universität (TU) Dresden, speziell der Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie, werden gemeinsam eine Lösung zur Ansteuerung von Elektromotoren entwickeln. Sie kombiniert Aktor, Sensor und Prozessor in einem Hybrid-Chip und bewirkt damit, dass die Regelgenauigkeit etwa um einen Faktor zehn gegenüber den bisher verfügbaren Lösungen ansteigt.

Doch die Wissenschaftler wollen nicht nur für einzelne Motoren eine bessere Regelung erarbeiten. Im Maschinen- und Anlagenbau ist es oft sinnvoll, mehrere Motoren – Fachleute sprechen auch von “Achsen” – synchron bzw. mit einer bestimmten Zeitgenauigkeit zu regeln. Eine typische Anwendung stellen z.B. Zeitungsdruckmaschinen mit über 100 Achsen dar, aber auch jeder Roboter und jede Bandstraße sind mit solchen Achsen ausgestattet.

Für die “Echtzeitprogrammierung” wird sich nach Meinung vieler Fachleute im industriellen Bereich in Anlehnung an die Computerbranche Ethernet als Standard durchsetzen. Viele künftige Netze im Bereich der Automatisierung werden auf der Ethernet-Technologie des ‘Point to point’-Transfers beruhen. Das gilt auch für die Synchronisation mehrerer Motoren untereinander. Im Projekt Cool Divers werden die Experten daher die branchenüblichen Kommunikationsprotokolle entsprechend weiterentwickeln.

Die Hardware für die Motoransteuerung wird aus mehreren CPUs bestehen, die über einen sogenannten “Switch” miteinander kommunizieren. Zu dieser Hardware müssen jedoch auch die entsprechenden Softwaretreiber für die verschiedenen Aufgaben entwickelt werden. Der größte Teil dieser Treiber wird in Flash-Komponenten für die jeweilige CPU abgelegt werden. Als Ergebnis des Forschungsprojektes Cool Drivers werden zudem zwei Chips zur Verfügung stehen, die durch die Partner DMOS und MAZ entwickelt werden und die in einem einzigen Gehäuse – oder für entsprechende Leistungsvarianten auch getrennt – am Markt angeboten werden können. Trotz der erheblich höheren Regelgenauigkeit vermuten die Partner, dass es möglich sein könnte, diese Lösung kostengünstiger umzusetzen, als dies derzeit mit Standardbauelementen möglich wäre.

Fotogalerie: Festakt 'Zehn Jahre Silicon Saxony'

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