Wireless Charging Komfortabel wie Funk

Schaltungstechnik für Sender

Kontaktlose Energieübertragungssysteme zum Laden von Akkus in Mobilgeräten bestehen typischerweise aus drei Stufen (Bild 2): Netzteil (AC/DC-Wandler), Sender (DC/AC-Wandler) und Empfänger (AC/DC-Wandler).
Das Netzteil wandelt die Netzwechselspannung (230 V) in eine niedrigere Gleichspannung um und liefert die Energie für die Primärseite/Sender – üblicherweise eine geregelte Gleichspannung im Bereich zwischen 5 V und 20 V. Meist sind die Netzteile ein eigenes Gerät und über ein Kabel mit dem Sender verbunden. Beide Stufen können aber auch in einer Einheit kombiniert

sein. Der Sender enthält einen Wechselrichter in Halbbrücken- oder Vollbrücken-Schaltung mit Leistungs-MOSFETs. Dieser wandelt dann die Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung um und speist die Sendespule, die das veränderliche magnetische Feld erzeugt. Die MOSFETs im Wechselrichter werden von einem Mikrocontroller über entsprechende MOSFET-Treiber angesteuert. Der Mikrocontroller bietet die erforderlichen Funktionen und die Flexibilität zum Steuern und Regeln der auf die Sekundärseite übertragenen Leistung.

Wie bei vielen aufkommenden neuen Techniken, entwickeln sich am Anfang verschiedene Standards. Für Wireless-Charging gibt es derzeit drei akzeptierte Standards für die Sender/Empfänger-Kopplung: Qi (induktiv), AirFuel (resonant) und AirFuel (induktiv). Der Qi-Standard basiert auf eng gekoppelten Spulen und dominiert derzeit den Markt mit etwa 80 % Marktanteil für Wireless-Ladegeräte. AirFuel (resonant) arbeitet mit einer Frequenz von 6,78 MHz und erfordert spezielle Wechselrichter und Gleichrichter. AirFuel (induktiv) arbeitet wie Qi im Frequenzbereich 100 kHz bis 300 kHz. Für AirFuel (induktiv) und Qi können somit die gleichen Wechselrichterschaltungen genutzt werden. Beide induktive Standards erfordern für die Energieübertragung eine präzise Platzierung der Empfängerspule auf der Senderspule. Das resonante AirFuel-Übertragungsverfahren bietet im Vergleich dazu einen höheren Wirkungsgrad und mehr Freiraum hinsichtlich der Platzierung der Empfängerspule – stellt aber höhere Anforderungen an den Entwickler bezüglich der elektromagnetischen Störaussendung.

Die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger ist für jeden der drei Wireless-Power-Standards unterschiedlich. Bei den beiden induktiven Verfahren basiert die Kommunikation auf einer Lastmodulation. Der resonante AirFuel-Standard nutzt eine bandexterne Kommunikation auf Basis von Bluetooth Low Energy (BLE). Bei Qi erfolgt eine Kommunikation nur zur Steuerung des Ladevorgangs, wogegen AirFuel (induktiv) zusätzlich auch Nutzerdaten übertragen kann, die nichts mit dem Ladevorgang zu tun haben.

Stromversorgung

Klasse D und Klasse E sind zwei populäre Betriebsarten für MOSFET-Schaltstufen in Leistungswandlern. Obwohl weitgehend ähnlich, bietet jede Klasse leicht unterschiedliche Vorteile für die verschiedenen Anwendungen.

Eine Klasse-D-Vollbrückenschaltung für den Wechselrichter eines Senders zeigt Bild 3. Auch eine Halbbrückenschaltung kann für den Wechselrichter genutzt werden. Der Klasse-D-Wechselrichter zeigt eine nahezu flache Kurve für den Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich. Daher ist diese Schaltung ideal für Allzweck-Ladestationen wie in öffentlichen Gebäuden, wo eine Vielzahl verschiedener Geräte geladen werden soll. Diese Schaltung ist für einen weiten Leistungsbereich einsetzbar, beispielsweise für eine Wireless-Power-Ladestation in einem Tisch, die ein bis drei Smartphones gleichzeitig laden kann.

Die Klasse E kann entweder in einem Eintakt-Flusswandler oder einem Gegentakt-Flusswandler (Bild 4) eingesetzt werden.

Anders als die Klasse D bietet Klasse E für einen definierten Arbeitspunkt einen höheren Wirkungsgrad. Allerdings kann sich dieser höhere Wirkungsgrad schnell reduzieren, wenn die Schaltung außerhalb des definierten Arbeitspunktes betrieben wird. Daher ist die Klasse E die beste Wahl für höhere Leistungen und zur kontaktlosen Energieübertragung zu einem einzelnen Empfänger. Ein Anwendungsbeispiel wäre ein Staubsaugerroboter, dessen Akku entweder geladen wird oder nicht geladen wird. Die Bauteilekosten können tendenziell für Klasse D geringfügig höher sein als bei Klasse E.