Was macht ein Gerät energieeffizient?

Mit den Bemühungen um mehr Nachhaltigkeit steigt auch die Bedeutung der Energieeffizienz elektronischer Geräte. Doch was genau steckt dahinter? Wie wird ein Gerät energieeffizient? Erfahren Sie, wie mithilfe des Designs und fortschrittlicher Technologien der Stromverbrauch von elektronischen Geräten gesenkt werden kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. 

Schlüsselkomponenten für energieeffiziente Geräte

Energieeffiziente Geräte bestehen aus verschiedenen Komponenten, die darauf ausgelegt sind, den Stromverbrauch zu minimieren und gleichzeitig ein hohes Leistungsniveau beizubehalten. Erfahren Sie mehr über die Komponenten in Low-Power-Elektronik und warum sie für die Energieeffizienz so wichtig sind. 

• Halbleiter bilden die Grundlage elektronischer Schaltkreise und ermöglichen die Kontrolle über elektrische Signale. In den vergangenen Jahren wurden die Halbleiter von Materialien wie Silizium auf Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) umgestellt, um die Energieeffizienz zu verbessern. 
• Stromverwaltungsschaltungen regulieren und optimieren die Stromverteilung innerhalb eines Geräts. Dazu gehören Low-Dropout-Spannungsregler (LDO) und Schaltregler, Dynamische Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS) und Power Gating. 
• Displays tragen zum Gesamtstromverbrauch bei, weshalb es auch bei den visuellen Schnittstellen der Geräte Technologien zur Begrenzung des Stromverbrauchs gibt, wie OLED, MicroLED und eLink. 
• Drahtlose Kommunikationsmodule sind in modernen Geräten weitverbreitet und ermöglichen die Verbindung mit anderen Geräten und damit die Funktionalität des Internets der Dinge (IoT). Beispiele sind effiziente WLAN-Standards wie Wi-Fi 6 und 6E, Bluetooth Low Energy (BLE) und Zigbee. 
• Batterietechnologien speichern und versorgen Geräte mit Strom und verbessern die Tragbarkeit. Zu den Innovationen gehören Lithium-Ionen- und neue Festkörperbatterien, die die Energiedichte und Sicherheit erhöhen sollen. Ein Beispiel für die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien ist der Einsatz in Elektrofahrzeugen.
• Sensoren und Aktoren sammeln Daten und interagieren mit der physischen Umgebung und sind normalerweise in intelligenten Geräten und Wearables zu finden. Stromsparende Designs sorgen für minimalen Energieverbrauch und tragen zur Langlebigkeit der Geräte bei. 

Zusammen gewährleisten diese Komponenten die Energieeffizienz moderner elektronischer Geräte, wobei jede Komponente eine bestimmte Funktion hat.

Halbleiter – Das Herz der Low-Power-Elektronik

Halbleiter sind der Grundstein der modernen Elektronik und dienen als Bausteine für Smartphones, Laptops und viele weitere Geräte. Sie bestehen in der Regel aus Silizium und besitzen einzigartige Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, unter bestimmten Bedingungen Elektrizität zu leiten, was sie ideal für die Steuerung elektrischer Signale macht.

Fortschritte in der Halbleitertechnologie

Das Streben der Elektronikindustrie nach Energieeffizienz hat zu bemerkenswerten Durchbrüchen in der Halbleitertechnologie geführt. Die Umstellung von herkömmlichen Halbleitern auf Siliziumbasis auf höher entwickelte Materialien wie Galliumnitrid und Siliziumkarbid ist einer der wichtigsten Fortschritte. Diese Materialien bieten bessere elektrische Eigenschaften wie eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Elektronenbeweglichkeit, was zu einem geringeren Stromverbrauch und einer höheren Leistung führt. Im Folgenden erfahren Sie, wie diese beiden Materialien die Energieeffizienz steigern: 

• Galliumnitrid: GaN-Halbleiter können höhere Spannungen verarbeiten als ihre Silizium-Gegenstücke und sind für ihre hohe Effizienz bekannt. Daher eignen sie sich perfekt für Anwendungen zur Energieumwandlung, wie Netzteile und Ladegeräte, bei denen Effizienzsteigerungen den Gesamtenergieverbrauch drastisch senken können.
• Siliziumkarbid: Im Vergleich zu Silizium können SiC-Halbleiter bei höheren Temperaturen arbeiten und haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Diese Fähigkeit ermöglicht eine kleinere und effizientere Leistungselektronik, die für Anwendungen von Elektrofahrzeugen bis zu Industrieanlagen entscheidend ist.

Auch die Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen trägt zu einer besseren Energieeffizienz bei. Da kleinere Transistoren weniger Strom für den Betrieb benötigen, erhöht die Miniaturisierung nicht nur die Rechenleistung, sondern senkt auch den Energieverbrauch. Deshalb kann man davon ausgehen, dass Halbleiterbauelemente auch in Zukunft kleiner werden. Laut dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre.

Ein wichtiger Meilenstein bei der Skalierung von Halbleitern war die Einführung von FinFETs. Diese Transistoren verbrauchen weniger Strom als herkömmliche Planartransistoren, da ihre dreidimensionale Struktur die Kanalkontrolle verbessert und die Leckströme senkt.

Stromverwaltungsschaltungen – Optimierung der Energienutzung

Stromverwaltungsschaltungen sind für die Optimierung des Energieverbrauchs elektronischer Geräte unerlässlich. Die Schaltkreise minimieren die Verschwendung und verlängern die Lebensdauer der Batterien, indem sie dafür sorgen, dass der Strom effektiv im Gerät verteilt wird. Für ein wirksames Energiemanagement sind eine Reihe wesentlicher Elemente und Methoden erforderlich, darunter: 

Spannungsregler

Spannungsregler sind entscheidend für die Aufrechterhaltung eines stabilen Spannungsniveaus in einem elektronischen Gerät. Sie sorgen dafür, dass die verschiedenen Komponenten mit der richtigen Spannung versorgt werden und verhindern so Energieverluste, die durch Über- oder Unterspannung entstehen. In energieeffizienten Designs werden häufig Schaltregler und Low-Dropout-Regler eingesetzt.

• LDO-Spannungsregler: Ideal für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, da sie eine konstante Ausgangsspannung mit geringem Spannungsverlust bieten. Sie haben ein einfaches Design und schnelle Reaktionszeiten, aber mit zunehmenden Spannungsunterschieden sinkt auch ihre Effizienz. Wenn der Spannungsabfall zwischen der Batterie und der Last in einem batteriebetriebenen Gerät gering ist, werden häufig LDO-Regler verwendet.
• Schaltspannungsregler : Diese Regler, die oft als Schaltnetzteile (SMPS) bezeichnet werden, sind effektiver als LDOs, insbesondere bei der Umwandlung höherer Spannungen. Sie schalten sich schnell ein und aus, speichern Energie in Kondensatoren und Induktivitäten und geben sie bei Bedarf wieder ab. Das erhöht den Gesamtwirkungsgrad und verringert den Energieverlust. 

Dynamische Spannungs- und Frequenzskalierung

Die Technik der dynamischen Spannungs- und Frequenzskalierung (Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS) wird eingesetzt, um die Spannung und Frequenz eines Prozessors dynamisch an die Arbeitslast anzupassen. In Zeiten geringer Nachfrage senkt DVFS die Spannung und Frequenz, was den Stromverbrauch drastisch senkt. Um ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Energieeinsparung zu erreichen, verwenden aktuelle CPUs und GPUs häufig diese Strategie.

• Implementierung in CPUs: Moderne Prozessoren, wie die von AMD und Intel, nutzen DVFS, um sich an unterschiedliche Rechenlasten anzupassen. Bei einfachen Aufgaben wie dem Surfen im Internet läuft die CPU mit einer geringeren Frequenz und Spannung, was Energie spart, während sie bei Aufgaben, die zusätzliche Rechenleistung erfordern, wie Videobearbeitung oder Videospiele, die Frequenz und Spannung erhöht.
• Vorteile bei mobilen Geräten: DVFS verlängert die Akkulaufzeit von Smartphones und Tablets, indem sie die Leistung von CPU und GPU an die aktuelle Aufgabe anpasst. Infolgedessen wird der Akku effektiver genutzt und muss weniger oft aufgeladen werden.

Power Gating 

Power Gating hilft, Energie zu sparen und Leckströme zu reduzieren, indem ungenutzte Abschnitte einer Schaltung vom Stromnetz getrennt werden. Diese Technik ist besonders nützlich bei integrierten Schaltungen (ICs), bei denen bestimmte Funktionen oder Module nicht immer aktiv sind. Power Gating reduziert den unnötigen Stromverbrauch, ohne den allgemeinen Betrieb des Geräts zu beeinträchtigen, indem diese Leerlaufbereiche getrennt werden.

• Anwendung in System-on-a-Chip (SoC): Power Gating ist eine nützliche Technik, die von SoCs verwendet wird, die mehrere Komponenten wie CPU, GPU und Speichercontroller kombinieren, um den Stromverbrauch effizient zu regulieren. Mit Power Gating können Komponenten abgeschaltet werden, wenn sie nicht gebraucht werden, um Energie zu sparen.
• Verwendung in Mikrocontrollern: IoT-Mikrocontroller verwenden häufig Power Gating, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Der Gesamtenergieverbrauch des Geräts wird gesenkt, indem Peripheriemodule wie Sensoren und Kommunikationsschnittstellen abgeschaltet werden, wenn sie nicht gebraucht werden.

Andere Komponenten und Techniken für energieeffiziente Geräte

Energieeffiziente Displays 

Displays sind eine der stromhungrigsten Komponenten in elektronischen Geräten, insbesondere in Smartphones und Laptops. Um dieses Problem zu lösen, haben die Hersteller eine Reihe von Technologien zur Verbesserung der Anzeigeeffizienz entwickelt:

• OLED-Displays: OLED-Displays (Organische Leuchtdiode) sind energieeffizienter als herkömmliche LCDs, da sie keine Hintergrundbeleuchtung benötigen. Ein OLED-Display verbraucht weniger Strom, da jedes Pixel sein eigenes Licht erzeugt, was eine präzise Regulierung der Helligkeit ermöglicht, insbesondere bei der Darstellung dunkler Bilder. Die aussergewöhnliche Farbgenauigkeit und Energieeffizienz der OLED-Technologie machen sie zu einer beliebten Wahl für High-End-Smartphones, Fernsehgeräte und Wearables.
• E-Ink-Displays: E-Ink-Displays werden häufig in E-Readern verwendet und verbrauchen sehr wenig Strom, da sie nur Strom benötigen, um den angezeigten Inhalt zu ändern. Daher eignen sie sich perfekt für statisches Material, wie elektronische Regaletiketten und digitale Beschilderungen.
• MicroLED-Displays: Eine noch höhere Energieeffizienz verspricht die neu entwickelte MicroLED-Technologie. Obwohl sie anorganische Materialien anstelle von organischen verwenden, sind Mikro-LEDs in Bezug auf Helligkeit, Langlebigkeit und Stromverbrauch mit OLEDs vergleichbar. Die Technologie hat das Potenzial, grossformatige Bildschirme, Wearables und Smartphone-Displays völlig zu verändern.

Drahtlose Low-Power-Kommunikation

Die drahtlose Kommunikation ist ein weiterer Bereich, in dem die Energieeffizienz entscheidend ist. Technologien wie Bluetooth Low Energy (BLE) und Zigbee sind so konzipiert, dass sie nur wenig Strom verbrauchen und gleichzeitig eine zuverlässige Verbindung gewährleisten. 

• BLE: Diese Technologie ist in tragbaren Geräten und IoT-Sensoren weitverbreitet, da sie über längere Zeit mit kleinen Batterien arbeiten kann. Im Vergleich zum klassischen Bluetooth ist BLE besonders energiesparend, da es sich bis zur Herstellung einer Verbindung im Schlafmodus befindet. Beim Senden von Daten nutzt es kurze Impulse, was ebenfalls den Energieverbrauch reduziert.
• Zigbee: Eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die wenig Strom verbraucht und in intelligenten Stromnetzen, industriellen Anwendungen und Smart-Home-Anwendungen eingesetzt wird. Sie funktioniert wie ein Mesh-Netzwerk, das eine effektive Kommunikation zwischen Geräten ermöglicht. Zigbee eignet sich aufgrund der niedrigen Datenrate und der stromsparenden Modi perfekt für Situationen, in denen Geräte über längere Zeiträume mit Batteriestrom betrieben werden müssen. 
• Wi-Fi 6 und 6E: Die neuesten WLAN-Standards Wi-Fi 6 und 6E können ihren Energieverbrauch senken, indem sie mit Target Wake Time (TWT) festlegen, wann Sie aus dem Standby-Modus aufwachen und Daten übertragen oder empfangen.

Fortschrittliche Batterietechnologien

Auch in der Batterietechnologie wurden beträchtliche Fortschritte erzielt, um die Energieeffizienz zu erhöhen. Für tragbare Elektronikgeräte sind Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer langen Lebensdauer und hohen Energiedichte die beste Wahl. Darüber hinaus bieten neue Batterietechnologien wie Festkörperbatterien, bei denen der flüssige Elektrolyt durch einen festen Stoff ersetzt wird, eine noch höhere Energieeffizienz und Sicherheit.

• Lithium-Ionen-Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte, ein geringes Gewicht und eine lange Lebensdauer aus. Moderne Materialien und Fertigungstechniken haben zu Batterien mit höherer Energiespeicherkapazität und kürzeren Ladezeiten geführt, was die Leistung von Elektroautos bis zu Smartphones verbessert.
• Festkörperbatterien haben im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien keinen flüssigen oder Gel-Elektrolyten, sondern einen festen Elektrolyten, was die Langlebigkeit, Sicherheit und Energiedichte erhöht. Auch wenn Festkörperbatterien sich noch im Entwicklungsstadium befinden, haben sie grosses Zukunftspotenzial für den Einsatz in energieeffizienten Technologien.
• Schnellladetechnologien: Schnellladeinnovationen wie Qualcomm Quick Charge und USB Power Delivery (USB PD) ermöglichen ein schnelles Aufladen mit effizientem Wärme- und Strommanagement. Diese Innovationen garantieren ein schnelles Aufladen der Geräte, ohne dass der Energieverbrauch oder die Batterielebensdauer beeinträchtigt werden.

Zusammenfassung

Die Energieeffizienz von Geräten kann durch Fortschritte bei Stromverwaltungsschaltungen, Halbleitermaterialien und anderen verwandten Technologien verbessert werden. Jede Komponente spielt eine entscheidende Rolle bei der Senkung des Energieverbrauchs, von der Entwicklung hoch entwickelter Halbleiter und effektiver Energieverwaltungsstrategien bis zur Entwicklung stromsparender Displays und Kommunikationsprotokollen. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologien werden elektronische Geräte auch in Zukunft energieeffizienter, sodass die Elektronikindustrie ihre Auswirkungen auf die Umwelt minimieren kann.