Pieter Edelman
27 October 2014

Dankzij de onstuimige groei in mobiele communicatie wereldwijd zijn powertransistoren de laatste jaren zo ver verbeterd dat ze voor een heel andere toepassing kunnen worden gebruikt: verwarmen. Magnetrons, bougies en lampen zijn enkele toepassingen die kunnen profiteren van een rf-energie-aanpak. NXP werkt hard aan de ontwikkeling van deze markten.

Op het NXP-terrein in Nijmegen draait de ICN8-fabriek momenteel op vol vermogen. Voor een belangrijk deel komt dat door de vraag naar powertransistoren: grote transistoren die per stuk worden verkocht om stromen van honderden watt te schakelen. Ze worden gebruikt in onder meer zendapparatuur en radarsystemen, maar het is vooral de wereldwijde groei in zendmasten voor mobiele netwerken die zo’n grote vraag creëert dat halfgeleidermakers er nauwelijks aan kunnen voldoen.

Een stukje verder op het NXP-terrein zit een r&d-club die heel andere plannen heeft met de technologie, de RF Energy-groep. Ze zijn misschien wel als de rebellen van de draadloosindustrie te beschouwen; waar iedereen bezig is met slimme antenneontwerpen, vernuftige circuits, betere halfgeleidermaterialen en geavanceerde algoritmes om zo weinig mogelijk zendvermogen als nutteloze warmte verloren te laten gaan, zet dit selecte gezelschap diezelfde kennis juist in voor precies het omgekeerde: zo veel mogelijk warmte produceren uit rf-golven. ‘Antenneplaatsing, frequentienauwkeurigheid, beamforming, al die alledaagse dingen uit de telecommunicatiewereld betekenen dat je energie ineens heel nauwkeurig kunt sturen’, vertelt Robin Wesson, systeemarchitect bij NXP’s RF Energy-groep.

Er zijn allerhande toepassingen te bedenken voor het overstralen van warmte over een relatief korte afstand: plasmalampen, staal snijden, zuinigere verbrandingsmotoren, huidtherapieën. Maar het laaghangende fruit is de magnetron, hét schoolvoorbeeld van verwarmen met rf-golven. ‘De magnetron is het laatste huishoudelijke apparaat dat nog radiobuizen gebruikt. Het wordt hoog tijd om ook die te vervangen door transistoren’, vindt Wesson.

Samen met toeleveranciers en witgoedfabrikanten werkt NXP al een paar jaar aan power-elektronicagebaseerde ‘magnetrons’ – de Nederlandse aanduiding voor de microgolfoven moet eigenlijk op de schop, aangezien de term ‘magnetron’ verwijst naar de lijvige component die de elektromagnetische golven opwekt. De komende jaren moeten de eerste apparaten met de nieuwe technologie op de markt verschijnen.

Prakje opwarmen

Het ontwerp van een rf-energiesysteem is in principe hetzelfde als bij een zendmast: een golfvormgenerator zorgt voor het signaal, een powertransistor schaalt dit op naar een grote stroom en een antenne zendt het resultaat weg. ‘Het idee dat voor warmte te gebruiken, is niet nieuw; de eerste patenten ervoor zijn al verlopen’, weet Wesson. ‘Maar wat er veranderd is de afgelopen jaren is dat bedrijven zoals NXP de energiedichtheid en betrouwbaarheid van de halfgeleidertechnologie zo ver hebben verbeterd dat het nu mogelijk is om de honderden of duizenden watts energie te leveren die nodig zijn om dingen bij wijze van spreken in de fik te steken.’

Rf-energietoepassingen gebruiken principes en technologieën uit de telecommunicatie, maar zetten ze in om objecten te verhitten.

NXP begon de toepassing een jaar of vijf geleden serieus te nemen. Dat betekende vooral bedrijven opzoeken die de technologie zouden kunnen inzetten, en samen met hen referentie-implementaties ontwikkelen. Begin deze maand werd het een en ander geformaliseerd in de RF Energy Alliance, die op de European Microwave Week het levenslicht zag. Onder meer witgoedfabrikant Whirlpool neemt hieraan deel, maar ook toeleverende bedrijven zoals EGO Elektro-Gerätebau, Huber+Suhner en Rogers Corporation.

De voordelen die de rf-aanpak te bieden heeft, hangen af van de toepassing. Tegenover de klassieke magnetronoven zitten de voordelen voornamelijk in de controle over de verwarming. Vanuit de telecomwereld is er een enorme push geweest om zaken als vermogen, fase en frequentie nauwkeurig te kunnen regelen. ‘Frequentienauwkeurigheid is bijvoorbeeld een bijzonder waardevolle eigenschap. De overheid verkoopt de frequentiebanden voor veel geld, en hoe nauwkeuriger je je frequentie afbakent, hoe meer signalen je naast elkaar kunt stoppen’, verklaart Wesson.

Bij een magnetron – de klassieke component – is dat heel anders: de frequentie zit slechts ongeveer in het juiste gebied en is sterk aan verandering onderhevig. Dat maakt het fundamenteel onmogelijk om grip te krijgen op de hotspots in de magnetron, want de locatie daarvan hangt af van de frequentie. Bij de rf-aanpak valt er aan de frequentie te sleutelen en zijn de hotspots te sturen. NXP demonstreerde dit vorig jaar elegant op het IEEE International Microwave Symposium in Seattle door een vis in een blok ijs gaar te koken – zonder het ijs te smelten.

De rf-aanpak kan ook een trucje dat een magnetron niet kan: het vermogen dimmen. Een magnetron heeft slechts twee standen: aan en uit. Om een lager vermogen te krijgen, wordt de magnetron daarom een aantal seconden aangezet en een aantal seconden uit. ‘Maar voedsel reageert niet alsof dat een middelmatig vermogen is. We weten allemaal dat magnetrons over het algemeen niet worden gebruikt om echt te koken’, zegt Wesson.

Het is niet gezegd dat dat verandert met de rf-aanpak, maar die mogelijkheid ontstaat wel. Witgoedfabrikanten krijgen ineens een reeks parameters waarmee ze kunnen spelen om te kijken hoe voedsel reageert, waardoor de technologie veel beter ingezet zou kunnen worden om echt te koken in plaats van alleen een prakje op te warmen.

Het betekent ook dat het mogelijk wordt de oven te laten reageren op wat er in de magnetron gebeurt. Door te meten hoeveel energie er wordt gereflecteerd, is te bepalen hoe efficiënt het voedsel de golven opneemt. Maar met een regelbaar rf-systeem kan er ook daadwerkelijk iets mee worden gedaan: door een beetje met de golfparameters te schuiven, kan de overdracht fors worden opgekrikt. Het moet zelfs mogelijk zijn om informatie over het kookproces af te leiden uit de metingen. Wellicht wordt het in de toekomst dus mogelijk om recepten te programmeren.

De rf-aanpak kent nog andere, bescheidener voordelen. De lage voedingsspanning bijvoorbeeld. Met enkele tientallen volt kan het systeem uit de voeten, tegen kilovolts voor de magnetron. Dat maakt weer compactere voedingen mogelijk. Ook het aloude draaiplateau kan worden weggelaten, aangezien de hotspots elektronisch zijn te sturen. Dat opent de deur naar andere vormfactoren. ‘Je zou kunnen denken aan een draagbare versie voor op je bureau of in je auto, speciaal om een portie noodles of een drankje op te warmen’, speculeert Thijs Tullemans, marketingdirecteur van de productlijn Multi-Market, waar de RF Power-businesslijn onder valt.

Alle voordelen ten spijt moet de technologie opboksen tegen een zeer volwassen markt die in tientallen jaren is doorontwikkeld. Op energie-efficiëntie winnen de magnetrons het voorlopig nog, hoewel de rf-aanpak ze op de hielen zit – zeker wanneer een feedbacklus in het systeem de energieafgifte optimaliseert. Ook qua kosten heeft de magnetron nog een voorsprong. ‘Maar op onze roadmaps tot 2020 voorzien we een daling tot een vijfde van de huidige kosten’, aldus Tullemans. Hij denkt dat binnen vijf tot acht jaar ongeveer de helft van de microgolfovens met powertransistoren moet kunnen werken.

Powertransistoren worden als losse componenten in een systeem gebruikt om hoge stromen te schakelen.

Parkeerplaatsen en stadions

Een andere toepassing waar NXP actief aan werkt, is een alternatief voor de ouderwetse bougie die het brandstofmengsel in een benzinemotor tot ontbranding brengt. De mogelijkheid om hitte exact op de juiste tijd en plaats af te leveren, maakt het mogelijk om het verbrandingsproces langer te laten duren en beter in de hand te houden. Met de juiste optimalisatie resulteert dat in een completere verbranding en een lagere uitstoot.

NXP werkt hiervoor samen met een aantal automotivetoeleveranciers, die het concept vervolgens bij de oem’s op de kaart moeten zetten. ‘Rf-energie is een van de kanshebbers om de bougie te vervangen; er zijn nog een paar andere. Dit is een typische automotivecase: het begint heel langzaam, je moet eerst bewijzen dat het concept werkt. Daar zijn we nu al een paar jaar mee bezig. Maar als het eenmaal op gang komt, dan wordt het ook echt heel groot’, stelt Tullemans.

Een toepassing die er vandaag de dag al wel is, is de Lep-lamp, van light-emitting plasma. Hoewel het soms lijkt alsof de toekomst van verlichting alleen nog maar uit led bestaat, is op parkeerplaatsen en in stadions de high-intensity discharge-lamp nog altijd heer en meester: een glazen buis waarin twee elektrodes een elektrisch veld opwekken die de aanwezige edelgassen en metaalzouten in een plasma veranderen dat vervolgens zeer fel licht uitzendt.

De Lep-lamp vervangt de elektrodes door een rf-gebaseerde warmtebron, met een hoop voordelen van dien. De lampen zijn veel minder onderhevig aan slijtage en een stuk zuiniger. Ook zijn ze door de fysieke afwezigheid compacter uit te voeren – dat heeft weer voordelen voor het efficiënt bundelen van het licht.

Aan deze toepassing hoeft weinig meer te worden ontwikkeld; de lampen worden op dit moment al verkocht door enkele kleine spelers en het wachten is nu op adoptie door de markt. ‘Dat is iets waar we ook mee kunnen helpen’, meent Tullemans. ‘NXP maakt ook chips voor verlichting; we kennen die markt erg goed. We kunnen dit soort kleine bedrijven in contact brengen met de andere spelers in de waardeketen. We kunnen een klein beetje als hun salesteam optreden.’

Dat is een beetje een terugkerend thema voor de businesslijn. ‘Klanten weten niet zo veel van rf, dus we moeten ze echt overtuigen’, vertelt Thullemans. Het betekent ook een lange adem om de ideeën naar de markt te krijgen. Als ze echter aanslaan, krijgt de halfgeleiderfabrikant er een paar lucratieve massamarkten bij voor zijn powertransistoren: auto’s rollen met tienduizenden van de band en van magnetrons worden er jaarlijks een slordige honderd miljoen verkocht. ICN8 kan nog even vooruit.