Stromversorgung

Hörgeräte mit Direktmethanol-Brennstoffzellen

09. Oktober 2020, 10:00 Uhr   |  Eddie Lee & Nazzareno Rossetti (Maxim)

Hörgeräte mit Direktmethanol-Brennstoffzellen
© Andrey Popov/Shutterstock.com

Ein entscheidender Nachteil moderner Hörgeräte ist die lange Aufladezeit der Batterie.

Länger hören mit Nanopower-Aufwärtswandlern von Maxim Integrated

Die Direktmethanol-Brennstoffzellentechnologie könnte einen großen Nachteil batteriebetriebener Wearables lösen, nämlich die lange Zeit zum Aufladen der Batterie. Indem die Hersteller Methanol als Energiequelle verwenden, eliminieren sie mit diesem Brennstoffzellentyp das Wiederaufladen der Batterie zugunsten einer Brennstoffzellen-Füllung. Das reduziert die Ladezeiten auf wenige Sekunden.

Aber die niedrige Spannung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, kann potenziell ein Problem für eine breite Anwendung darstellen. Ein hocheffizienter Aufwärtswandler mit niedriger Eingangsspannung und niedrigem Ruhestrom kann die Lücke zwischen der Eingangsspannung der DMFC und der Hochspannungselektronik des Hörgeräts überbrücken und einen nahtlosen Betrieb für einen ganzen Tag mit einem einzigen Ladevorgang ermöglichen.

Batterie versus Brennstoffzelle

Stand heute brauchen batteriebetriebene Hörgeräte in der Regel vier bis fünf Stunden zum Aufladen. Das ist eine ziemlich hohe und unbequeme Ausfallzeit, wenn nicht gerade Schlafenszeit ist. Was aber, wenn ein Hörgerät schon nach 30 Sekunden wieder einsatzbereit sein muss? Dann haben Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) ihren großen Auftritt. Dabei handelt es sich um eine Art von Protonenaustausch-Brennstoffzellen, bei denen Methanol und Luft als Brennstoff verwendet werden.

Ihr großer Vorteil ist der einfache Umgang mit Methanol, einer energiedichten und unter jeglichen Umweltbedingungen stabilen Flüssigkeit. Die DMFCs bestehen aus einer zentralen protonenleitenden Membran oder Polymerelektrolytmembran (PEM), die auf der Brennstoffseite von einer Anode und auf der Luftseite von einer Kathode umgeben ist. Der Methanolbrennstoff wird an der Anode katalytisch oxidiert, wodurch die Elektronen bereitgestellt werden, die einen elektrischen Strom aufrechterhalten. Die Protonen werden durch die Membran zur Kathode geleitet, wo sie sich mit Sauerstoff und Elektronen verbinden und verdampftes Wasser und eine vernachlässigbare Menge Kohlendioxid bilden.

Aufwärtswandler statt Spannungsregler

Doch welche Herausforderungen stellen sich für die Stromversorgung eines Hörgerätes mit einer Brennstoffzelle und der Energie, die es benötigt, um einen ganzen Tag lang mit einem einzigen Ladevorgang betrieben zu werden? Die Zellspannung der Brennstoffzelle ist mit 400 mV zu niedrig, um die nachgeschaltete Elektronik zu versorgen. Ein Aufwärts-Spannungsregler kann das Problem zwar lösen, aber es gibt nicht viele Spannungsregler, die mit 400 mV arbeiten können.

Blockschaltbild für ein methanolbetriebenes Hörgerät
© Maxim

Blockschaltbild für ein methanolbetriebenes Hörgerät

Die Lösung: Ein neuartiger Aufwärtswandler, der mit einer niedrigen Eingangsspannung mit hohem Wirkungsgrad und niedrigem Ruhestrom arbeitet. Der Betrieb bei niedriger Eingangsspannung ermöglicht die Anwendung der Brennstoffzellentechnologie auf die Hörgeräte, während der niedrige Ruhestrom und der hohe Wirkungsgrad den Betrieb mit einem einzigen Ladevorgang maximieren.

Nanopower-Aufwärtswandler mit True Shutdown Modus

Der synchrone Aufwärtswandler MAX17220 nanoPower von Maxim Integrated verfügt über einen sehr hohen Wirkungsgrad, einen Eingangsbereich von 400 mV bis 5,5 V, eine Induktivitätsspitzenstrombegrenzung von 225 mA und eine Ausgangsspannung, die mit einem einzigen Standard-1-Prozent-Widerstand wählbar ist. Der True Shutdown Modus liefert Leckströme im Nanoampere-Bereich.

Jedes Detail der Familie (MAX17220-MAX17225) wurde so ausgewählt, um die geringste Leistung und die kleinste Lösungsgröße zu ermöglichen. Dazu zählen Schaltfrequenzen bis zu 2,5 MHz, winzige Gehäusevarianten, Einstellwiderstand mit einem Ausgang, 300 ns feste Einschaltzeit sowie drei Strombegrenzungsoptionen. Diese Details ermöglichen es dem Anwender, die Gesamtschaltungsgröße zu minimieren. Die ICs werden in zwei Gehäusevarianten angeboten: einem 2 mm x 2 mm kleinen μDFN-Gehäuse mit 6 Pins sowie einem 0,88 mm x 1,4 mm kleinen WLP-Gehäuse mit 6 Bumps (2 x 3, 0,4 mm Pitch).

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Mehr Informationen zum genannten Aufwärtswandler finden Sie:

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