Elektroniknet Logo

Stromkreisschutz

Zuverlässig kabellos laden

Immer mehr elektronische Geräte lassen sich kabellos aufladen. Entwickler müssen dafür die Methoden für den Schutz, die Steuerung und die entsprechenden Standards kennen, damit ihre Produkte zuverlässig funktionieren
© srattha nualsate|Shutterstock

Vom Smartphone über den Barcode-Scanner bis zum Blutzuckertester – immer mehr elektronische Geräte lassen sich kabellos aufladen. Entwickler müssen dafür die Methoden für den Schutz, die Steuerung und die entsprechenden Standards kennen, damit ihre Produkte zuverlässig funktionieren.

Kabellose Ladesysteme bieten Anwendern einen großen Komfort, denn diese können ihre tragbaren Geräte schnell und einfach wieder mit Energie betanken. Dies gilt nicht nur für Konsumerelektronik wie Mobiltelefone oder Smartwatches, sondern auch für medizinische und industrielle Produkte (Bild 1). Darüber hinaus stellen auch immer mehr Fahrzeuge die Möglichkeit bereit, solche elektronischen Geräte kabellos aufzuladen. Entsprechend wächst der Markt für Wireless-Ladesysteme mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 29 Prozent .

Relevante Anbieter

Anwendungsbeispiele für kabelloses Laden
Bild 1: Anwendungsbeispiele für kabelloses Laden.
© Littelfuse

Das kabellose Laden umgeht die Notwendigkeit, ein tragbares Gerät direkt mit einer Steckdose verbinden zu müssen. Auch erspart es dem Anwender, das richtige Ladekabel mit dem passenden Stecker für das Gerät suchen zu müssen, was manchmal lästig sein kann.

Allerdings stellen Systeme zum kabellosen Laden die Entwickler vor einige Herausforderungen. Dazu zählen der begrenzte Platz für Schaltkreise sowie Kostenbeschränkungen. Aus diesen Gründen sollten solche Systeme mit möglichst wenigen Komponenten auskommen, ohne die Qualität zu beeinträchtigen. Dabei sind die Schaltungen hinsichtlich Effizienz zu optimieren und gleichzeitig die Produkte vor Ausfällen durch Überlastungen und Transienten zu schützen. Schließlich müssen die Ladesysteme den internationalen Normen für Sicherheit, Überspannungs- und Transientenschutz sowie Standards etwa für das USB- und Qi-Protokoll entsprechen.

Elemente, aus denen sich ein kabelloses Ladesystem zusammensetzt, und empfohlene Komponenten für Stromkreisschutz und Sensorik
Bild 2: Elemente, aus denen sich ein kabelloses Ladesystem zusammensetzt, und empfohlene Komponenten für Stromkreisschutz und Sensorik.
© Littelfuse

Ein kabelloses Ladesystem besteht üblicherweise aus drei Elementen: einem Netzadapter, einem Ladekabel und einem Ladepad. Der Netzadapter wandelt die Wechselspannung aus dem Stromnetz in Gleichspannung um. Das Ladekabel überträgt den Strom vom Netzadapter an das kabellose Ladepad. Dieses wiederum überträgt dann den Strom kabellos an das zu ladende Gerät.

Eine solche Konfiguration als »kabellos« zu bezeichnen, mag vielen falsch erscheinen, denn es gibt sehr wohl eine Kabelverbindung: zwischen Netzadapter und Ladepad. Um den Unterschied zur herkömmlichen Ladekonzepten klarzustellen, leitet sich der Name von der letzten Verbindung zwischen dem Ladepad und dem zu ladenden Gerät ab. Bild 2 zeigt ein Beispiel für ein kabelloses Ladepad, das sich für Mobiltelefone eignet.

Netzadapter und Ladekabel schützen

Bild 3 veranschaulicht ein Blockdiagramm für den Netzadapter und das Ladekabel. Der Netzadapter muss mit Überlast und Transienten aus dem Stromnetz zurechtkommen. Entwickler sollten die Eingangsstufe des Netzadapters daher vor Überlastungen schützen. Darunter fallen beispielsweise durch Blitzeinschläge induzierte Überspannungen, Spannungsspitzen durch das Aufschalten oder Abtrennen großer Verbraucher, elektrostatische Entladungen und Fehlerströme wegen Überlastung.

 Blockschaltbild des Netzadapters und des Ladekabels mit empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten
Bild 3: Blockschaltbild des Netzadapters und des Ladekabels mit empfohlenen Schutz- und Sensorkomponenten.
© Littelfuse

Bei Netzteilen mit geringer Leistung kommen verschiedene Lösungen für den Überspannungsschutz zum Einsatz. Netzadapter mit einer Ausgangsleistung von 15 W oder mehr verwenden häufig MOVs (Metal Oxide Varistors) als Schutz gegen Überspannungen. Unabhängig von der Ausgangsleistung des Netzteils sind Sicherungen die erste Wahl für den Schutz vor Überströmen. Dazu gehören Patronensicherungen, Sicherungen mit Durchgangsbohrung oder Sicherungen für die Oberflächenmontage. Am wenigsten Platz auf der Leiterplatte benötigen in der Regel SMD-Sicherungen.

Unabhängig von der Variante muss der Entwickler sicherstellen, dass die Sicherung über ausreichende Spannungs- und Stromunterbrechungswerte verfügt. Jeder Sicherungstyp hat eine andere Charakteristik für die Reaktion auf Überlastungen. So ist eine träge Sicherung in Betracht zu ziehen, um ein unnötiges Auslösen durch Überspannungsereignisse zu vermeiden. Wenn Entwickler versuchen, die Verluste zu minimieren, sollten sie außerdem diesen Wert bei der Sicherung mit berücksichtigen.

Um den Wirkungsgrad von Ladegeräten zu maximieren, können Entwickler MOSFETs mit niedrigem Durchlasswiderstand RDS(on), niedriger Gate-Ladung QG und hohem du/dt-Wert auswählen. Dies reduziert Schaltverluste und die Schaltzeiten verkürzen sich. Entwickler sollten MOSFETs mit integrierten Soft-Recovery-Dioden verwenden, die Abschalttransienten reduzieren und elektromagnetische Emissionen (EMI) verringern.

Nachdem der Transformator die hohe Eingangsspannung heruntertransformiert hat, richten Dioden den sekundärseitigen Wechselstrom gleich. Für diesen Teil des Designs empfehlen sich Schottky-Dioden mit niedriger Durchlassspannung, die bei hohen Frequenzen funktionieren.

Konfigurationen von TVS-Dioden für unidirektionalen und bidirektionalen Schutz vor Transienten
Bild 4: Konfigurationen von TVS-Dioden für unidirektionalen und bidirektionalen Schutz vor Transienten.
© Littelfuse

Es ist bekannt, dass einige Transienten ihren Weg vom Netz durch das gesamte Netzteil zu dessen Ausgang finden. Einige können groß genug sein, um die Leistungshalbleiter im Ausgangskreis zu beschädigen. Um die Schaltung vor diesen Transienten zu schützen, eignen sich TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor). Diese können in weniger als 1 ps auf eine Transiente reagieren. Außerdem haben sie eine niedrige Klemmspannung, sodass sie auch empfindliche Schaltungsteile schützen können. Entwickler können entweder uni- oder bidirektionale Konfigurationen einer TVS-Diode wählen (Bild 4).


  1. Zuverlässig kabellos laden
  2. USB-Anschluss und Ladekabel schützen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Littelfuse Automotive GmbH