Kabellose Energieübertragung: Verlustarme Spulen

Sender- und Empfängerspulen kommt bei der kabellosen Energieübertragung eine zentrale Bedeutung zu, da sie über mögliche Verluste entscheiden. Der Entwickler muss beim Schaltungsdesign aber auch auf weitere physikalische Kenngrößen achten, z.B. auf Kopplungsfaktor, Skin-Effekte und Feldverläufe.

Warum gewinnt gerade jetzt die kabellose Energieübertragung so an Bedeutung, obwohl das technische Prinzip schon über 120 Jahre alt ist? Das Nutzerverhalten von Smartphone- und Tablet-Besitzern hat sich in den letzten Jahren dramatisch verändert. Always online durch soziale Netzwerke, Push Email, Spiele, große Displays, schnelle Prozessoren und HD-Grafik führen dazu, dass der Nutzer mit einer Akkuladung seines Gerätes kaum über den Tag kommt. Kabellose Ladeangebote an öffentlichen Plätzen bieten hier eine sehr kundenfreundliche Lösung für dieses Problem. Während eines Restaurantbesuches kann z.B. das Smartphone bequem geladen werden, indem es einfach auf den entsprechenden Platz auf dem Tisch gelegt wird. Voraussetzung ist natürlich, dass das Gerät die passende kabellose Ladetechnik integriert hat.

Drei Standards konkurrieren

Der Erfolg dieser Lösungen hängt natürlich vom Einhalten eines Standards auf der Sender- und auf der Empfängerseite ab. Nur wenn gewährleistet ist, dass das Gerät herstellerunabhängig an jeder dem Standard entsprechenden Ladestation problemlos geladen werden kann, wird sich das System auf dem Markt durchsetzen.

Im Wesentlichen gibt es drei verschiedene Standardansätze, die hier nur stichpunktartig skizziert werden:

1. Closely coupled Qi Standard – Wireless Power Consortium (WPC)

  • Energieübertragung mit induktiver Kopplung über kurze Distanz (mm-Bereich)
  • Sender- (Tx) und Empfänger-Spulen (Rx) sind induktiv gekoppelt.
  • Das Magnetfeld ist konzentriert in dem schmalen Bereich zwischen Sende- und Empfängerspule.
  • Jeder Sender kann nur einen Empfänger bedienen.
  • Verschiedene Leistungsklassen (5 W, 15 W, höhere in Planung bis 2,5 kW)
  • Frequenzbereich 100…205 kHz
  • Spulenformen: gewickelt auf Ferrit oder gedruckt auf Leiterplatte
  • Die Medium-Power-Spezifikation (15 W) wurde im Juli 2015 freigegeben, und Produkte werden für Anfang 2016 erwartet. Eine rückwärtskompatible Resonanzerweiterung des Standards ist für 2016 geplant.

2. Loosely coupled (magnetic resonance) – Alliance for Wireless Power (A4WP) Rezence

  • Ladeprinzip magnetische Resonanz: Dabei stellt ein Sendeschwingkreis bei einer Resonanzfrequenz die Energie zur Verfügung. Entsprechend auf die Resonanzfrequenz abgestimmte Empfänger können die Energie übernehmen
  • Größerer Abstand in z-Richtung (50 mm) und keine genaue Positionierung des Empfängers nötig
  • Ein Sender kann mehrere Empfänger gleichzeitig versorgen.
  • Leistungsklasse geplant für Smartphones und Tablets, z.Zt. bis 22 W
  • Frequenzbereiche: Energie 6,78 MHz (ISM-Band), Daten 2,4 GHz (LP Bluetooth)

3. Power Matters Alliance (PMA)

  • Technisch ähnliche Lösung wie 1.
  • Die PMA-Lösung nutzt ein anderes Protokoll und ein anderes Übertragungsfrequenzband als die Qi-­Lösung des WPC (Details nur für Mitglieder).
  • Keine direkte Kompatibilität mit 1. oder 2.

A4WP und PMA haben Anfang 2015 angekündigt, ihre Organisationen im Laufe des Jahres zusammenzuführen und unter einem neuen Namen einen kombinierten Standard einzuführen. Des Weiteren gibt es von einigen Halbleiterherstellern Empfänger-ICs, die sowohl den Qi-Standard des WPC als auch die PMA-Lösung in einem Gerät abbilden können. Die Standards heute sind getrieben vom Konsumgütermarkt und beschränken sich z.Zt. auf Lösungen bis 20 W. Nur das WPC hat Lösungen bis 2,4 kW für die kabellose Küche angekündigt. Wenn dieser Standard (angedachte Klassen 200 W, 800 W, 2,4 kW) festgelegt ist, können die Lösungen natürlich auch für Anwendungen außerhalb von Küchengeräten verwendet werden.