Anwendungsgebiete der Leistungs- und Mikroelektronik

Elektromobilität

Ob rein elektrisch angetrieben oder in der Hybrid-Variante: Jeder elektrische Antriebsmotor in einem Automobil benötigt Leistungselektronik für die Ansteuerung. Die Herausforderung besteht darin, diese Komponente mit geringer Verlustleistung, geringem Gewicht und in kleiner Baugröße zu bauen. Dafür sucht die Industrie jetzt und auch in der Zukunft Ingenieure.

Antriebstechnik in der Industrie

Stand in der industriellen Antriebstechnik bisher der Wunsch im Vordergrund, hohe Leistung zu geringen Kosten zu realisieren, tritt heute das Energiesparen in den Vordergrund. Angesichts endlicher fossiler Energieträger auf der Erde überlegt man, wie die Antriebe elektrischer Maschinen so gestaltet werden können, dass der Energieverbrauch gering ist. Und das ohne Mehrkosten für die Leistungselektronik, eine spannende Herausforderung für Ingenieure!

Hochgeschwindigkeitszüge

Der französische TGV hält den Weltrekord mit einer Geschwindigkeit von mehr als 570 km/h, der deutsche ICE hat eine Höchstgeschwindigkeit von 407 km/h und der Transrapid in Shanghai erreicht sogar 501 km/h. In einem ICE 3 treiben vier Motoren zu je 500 kW einen Wagen an, ein Halbzug verfügt über 16 dieser Motoren. Für den ruckfreien Betrieb sorgt die Leistungselektronik, sie wird von einem Wechselspannungsnetz mit 15 kV gespeist.

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Möchte man elektrische Energie über große Entfernungen (mehr als 750 Km) übertragen, sind Übertragungssysteme vorteilhaft, die mit Gleichstrom (High Voltage Direct Current, HVDC) arbeiten, da sie geringere Verluste aufweisen. Allerdings ist die Leistungselektronik zur Erzeugung der Hochspannung wesentlich aufwändiger als der konventionelle Transformator. Diese Energiewandler kostengünstig und verlustarm zu gestalten, ist für Ingenieure der Leistungselektronik eine Herausforderung. Nur wenn dies gelingt, ist der Bezug von Solarstrom aus Afrika eine realistische Option zur Lösung der Energieversorgung Europas.

Windkraft und Photovoltaik

In heutigen Windkraftanlagen wird der Wechselstrom der Generatoren zunächst gleichgerichtet und anschließend von Wechselrichtern auf die Netzspannung und die Netzfrequenz umgewandelt. Bei Photovoltaik-Anlagen entsteht die Gleichspannung direkt, aber auch hier ist der Wechselrichter eine wichtige Komponente des Gesamtsystems. Die Gleichrichter und Wechselrichter arbeiten mit Leistungselektronik-Bauteilen. Hohe Zuverlässigkeit und geringe Verlustleistung sind hier die Ziele, an denen Ingenieure der Leistungselektronik arbeiten.

Mikroelektronik in der Medizin

Die Anwendung der Mikroelektronik in der Medizin hat in den letzten Jahren beeindruckende Erfolge erzielt. Nicht nur die Ausstattung der Ärzte mit medizintechnischen Geräten sondern auch die Implantierung elektronischer Geräte in den Körper des Patienten führte zu beachtlichen Fortschritten. Der Herzschrittmacher ist ein bekanntes Beispiel. Zur Zeit wird die Implantierung von Bildsensoren in die Netzhaut blinder Menschen erforscht mit dem Ziel, ihnen das Sehvermögen zurückzugeben.

Unfallvermeidung durch Fahrassistenzsysteme

Die Zahl der jährlichen Autounfälle ist erfreulicher Weise abnehmend. Einen wesentlichen Beitrag daran haben elektronische Systeme, die das Fahrverhalten der Autos verbessern und menschliches Fehlverhalten teilweise korrigieren. Eine besondere Ingenieurleistung stellen elektronische Notbremssysteme dar, die bei erwiesener Unaufmerksamkeit des Fahrers die Bremsen aktivieren und damit Auffahrunfälle verhindern.

Elektronische Kommunikationssysteme

Die Mobiltelefone und das Internet sind aus dem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. In vielen Fällen sind Mobiltelefone zum Lebensretter geworden, weil Helfer schnell zu Notsituationen geleitet werden konnten. Das Internet, das weltumspannend Wissen und Informationen bereitstellt, ist vielleicht eines Tages die Basis für ein friedliches Zusammenleben der Nationen. Beide Kommunikationssysteme stehen nur deshalb einem wachsenden Anteil der Menschheit zur Verfügung, weil Elektronik-Ingenieure die Kosten dieser Systeme laufend verringern.