Neue Elektronik für grünere Luftfahrt

Bei der heutigen Entwicklung umweltfreundlicher Flugzeugtechnologie werden Verfahren für aktive Strömungsregelung (active flow control, AFC) eingesetzt, um Lärm, Emissionen und Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Piezoelektrische Aktoren für AFC auf Grundlage mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) verfügen über strikte Anforderungen hinsichtlich der für ihren Betrieb erforderlichen Spannung und kapazitiven Last. Kommerzielle Komponenten für Hochspannungsverstärker sind in der Regel groß und schwer oder sind nur für moderate kapazitive Lasten geeignet.

Vor diesem Hintergrund riefen Wissenschaftler das EU-finanzierte Projekt "High voltage amplifier for MEMS-based active flow control (AFC) actuators" (HIVOLA) ins Leben, um eine anwendungsspezifische integrierte Hochspannungsschaltung (ASIC) zu entwickeln, die eine Reihe piezoelektrischer MEMS-Aktoren antreibt. Diese beinhalten Mikro-Synthetic-Jet- und Mikro-Pulsed-Jet-Aktoren.

Die entwickelte ASIC besteht aus sechs Hochspannungsverstärkerstufen zusammen mit integrierter Elektronik zur Temperaturüberwachung und Phasenverschiebungssteuerung. Des Weiteren ist sie für hohe kapazitive Lasten von bis zu 600 Nanofarad (nF) geeignet und ermöglicht einen Betrieb bei Spannungen von bis zu 300 V.

Der ASIC-Entwurf verhindert insbesondere unerwünschte Kopplung, um die volle Systemfunktionalität selbst im Falle einer Fehlfunktion einer einzelnen Teilschaltung sicherzustellen. Zusätzlich wird jede Hochspannungsstufe separat mit Strom versorgt und ist für Lasten von bis zu 100 nF ausgelegt. Bei übermäßiger Erwärmung wird der Betrieb des jeweiligen Teilsystems durch eine integrierte Temperaturkontrollschaltung angehalten.

Die HIVOLA-Lösung reduziert Baugröße, Gewicht und Energieverbrauch, da die Elektronik zu einer ASIC miniaturisiert wird, wodurch auch die Effizienz gesteigert wird. Durch die erfolgreiche Entwicklung könnte eine solche ASIC zusätzlich zu anderen Aktorsystemen auch bei anderen Flugzeugprodukten Anwendung finden.