Ein Überblick über die drahtlose Ladetechnologie

Beim kabellosen Laden werden batteriebetriebene elektronische Geräte aufgeladen, ohne sie direkt mit Drähten und Kabeln an eine Stromquelle anzuschließen. Der Vorgang gibt Benutzern die Freiheit, ihr Telefon unterwegs aufzuladen, ohne es an eine Steckdose anschließen zu müssen. Dies bedeutet, dass Smartphones und andere Geräte, die das kabellose Laden ermöglichen, aufgeladen werden können, indem sie beispielsweise einfach auf einen Couchtisch gestellt werden, oder dass noch komplexere Maschinen wie Elektroautos aufgeladen werden können, indem sie einfach in der Garage geparkt werden oder das kabellose Laden ermöglicht wird. Es beseitigt alle Sicherheitsprobleme, die mit dem kabelgebundenen Laden verbunden sind, und öffnet den Benutzern die Tür zu einer neuen Art von Freiheit.

Das kabellose Laden geht auf das späte 19. Jahrhundert zurück, als Nikola Tesla die Tesla-Spule entwickelte, die die drahtlose Energieübertragung unterstützen sollte. Während das Experiment zu diesem Zeitpunkt das Ziel nicht erreichte, erregte es Interesse auf diesem Gebiet und viel mehr Menschen begannen daran zu arbeiten die Idee. Im Jahr 2006 begann das MIT, die Verwendung der Resonanzkopplung zur Übertragung großer Energiemengen zu testen. Dies ebnete den Weg für einige der großen drahtlosen Ladetechnologien, die es heute gibt. In diesem Experiment können Sie eine Mini-Tesla-Spule bauen, um Strom drahtlos zu übertragen.

So funktioniert die drahtlose Energieübertragung

Drahtloses Laden wird manchmal als induktives Laden bezeichnet, da es auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion basiert. Genau wie beim drahtlosen Kommunikationssystem wird das drahtlose Laden durch die Wirkung eines drahtlosen Energiesenders und -empfängers erreicht. Der drahtlose Ladesender, der üblicherweise als Ladestation bezeichnet wird, ist an eine Steckdose angeschlossen und überträgt die über die Steckdose gelieferte Energie an den Empfänger, der immer an das zu ladende Gerät angeschlossen und in unmittelbarer Nähe der drahtlosen Ladestation platziert ist.

Im Folgenden finden Sie ein Blockdiagramm zur Beschreibung der Komponenten eines drahtlosen Ladesystems und des Ladevorgangs:

Wie bereits erwähnt, nutzt das drahtlose Laden das Prinzip der magnetischen Induktion, das in Transformatoren, Generatoren und Motoren für elektrische Leistung verwendet wird, so dass der Durchgang von elektrischem Strom durch eine Spule ein sich änderndes Magnetfeld um diese Spule herum verursacht, das einen Strom in einer anderen gekoppelten Spule induziert. Dies ist das Prinzip der Übertragung elektrischer Energie zwischen Primär- und Sekundärspule in einem elektrischen Transformator, obwohl sie elektrisch isoliert zu sein scheinen. Beim kabellosen Laden besitzt jede der Komponenten (Sender und Empfänger), aus denen das System besteht, eine Spule. Die Sendespule kann mit der Primärspule verglichen werden, während die Empfängerspule mit der Sekundärspule eines elektrischen Leistungstransformators verglichen werden kann. Wenn eine Ladestation an eine Wechselstromversorgung angeschlossen ist,Die zugeführte Leistung wird vom Gleichrichtersystem auf Gleichstrom gleichgerichtet, wonach das Schaltsystem übernimmt. Der Grund für das Schalten besteht darin, den sich ändernden Magnetfluss erzeugen zu können, der zum Induzieren von Ladungen in der Empfängerspule erforderlich ist.

Die Empfängerspule sammelt die eingehende Leistung und leitet sie an die Empfängerschaltung weiter, die die eingehende Leistung in Gleichstrom umwandelt und dann die empfangene Leistung zum Laden der Batterie anlegt.

Wie oben festgestellt, tritt eine Leistungsübertragung auf, wenn ein Magnetfluss, der durch Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes in der Sendespule erzeugt wird, in einen elektrischen Strom in der Empfängerspule umgewandelt wird. Die Menge des erzeugten elektrischen Stroms hängt von der Menge des vom Sender erzeugten Flusses und davon ab, wie viel von diesem Fluss die Empfängerspule erfassen konnte. Die Menge des vom Empfänger erfassten Flusses hängt vom „Kopplungsfaktor“ ab, der durch die Größe, den Abstand und die Position der Empfängerspule relativ zur Sendespule bestimmt wird. Dies bedeutet, dass ein höherer Kopplungsfaktor zu einer höheren Energieübertragung führt. Um die Wahrscheinlichkeit eines höheren Kopplungsfaktors zu erhöhen, sind bestimmte drahtlose Ladestationen mit mehreren Sendespulen ausgestattet, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Standards für das drahtlose Laden

Die Standards für das drahtlose Laden beziehen sich auf die Regeln für das Design und die Entwicklung von drahtlosen Geräten. Derzeit gibt es zwei verschiedene Industriestandards für das drahtlose Laden, die von verschiedenen Stellen gefördert werden.

1. Rezence Standard

2. QI-Standard

Der Rezence- Standard basiert auf resonantem induktivem Laden, so dass das Laden erfolgt, wenn sowohl die Sender- als auch die Empfängerspule in Resonanz sind. Mit diesem Standard können Geräte einen größeren Abstand zwischen Sender und Empfänger zum Laden erreichen. Dieser Standard wird von der Alliance for Wireless Power (A4WP) gefördert.

Der QI-Standard hingegen erreicht eine drahtlose Energieübertragung durch enge Kopplung zwischen den Spulen. Gegenüber dem Rezence- Standard sind Sender- und Empfängerspule immer für den Betrieb bei leicht unterschiedlichen Frequenzen ausgelegt, da angenommen wird, dass mit diesem Setup mehr Leistung geliefert wird. Der QI-Standard wird vom Wireless Power Consortium gefördert, dem Mitglieder wie Apple Inc., Qualcomm und HTC angehören, um nur einige zu nennen.

Sie können den drahtlosen Standard auswählen, der am besten zu Ihrer Anwendung passt, indem Sie die Kompromisse zwischen EMI, Effizienz und der Freiheit der Ausrichtung zwischen den beiden Standards berücksichtigen. Bestimmte drahtlose Ladestationen unterstützen jedoch beide Standards und bieten eine hohe Interoperabilität zwischen Geräten.

Einfaches Design für drahtlose Ladegeräte

Vor dem Aufbau eines drahtlosen Ladesystems sollte Folgendes berücksichtigt werden.

1. Standard: Wenn Sie ein Gerät mit drahtlosen Ladefunktionen ausstatten, müssen Sie zunächst den Standard für die drahtlose Stromversorgung auswählen, der zum Gerät und seinen Anwendungsfällen passt. Bestimmte Ladesysteme basieren auf mehreren Standards.

2. Spulenauswahl: Als Nächstes wählen Sie den richtigen Spulentyp und die richtige Spulengeometrie für den Anwendungsfall aus. Die Anbieter stellen diese Spulen in Standardstärken zur Verfügung. Die Auswahl der geeigneten Spulen sollte daher auf der Empfehlung des Datenblattes des zu verwendenden drahtlosen Ladesender-IC basieren.

3. Gehäuse: Beim Entwurf von drahtlosen Systemen ist es wichtig, dass das Gehäuse der Geräte nicht aus Metall besteht und eine relativ flache Oberfläche aufweist, um einen höheren Kopplungsfaktor zwischen Sender und Empfänger zu erzielen. Metall verhindert effektiv, dass die übertragene Energie zum Empfänger gelangt, und das Kunststoffgehäuse muss ultradünn ausgelegt sein.

Design des Senders

Das drahtlose Ladesystem umfasst sowohl den Sender als auch den Empfänger, wie zuvor angegeben. Unten sehen Sie das Schema, das den Aufbau eines Senders zeigt.

Der Sender besteht aus drei Hauptkomponenten. die Stromquelle, die Sendespule und den Schaltkreis. Die Stromquelle ist normalerweise Gleichstrom aus einem gleichgerichteten Wechselstrom. Nach der Gleichrichtung wird der Schaltkreis verwendet, um das Wechselsignal zu erzeugen, das bei der Erzeugung des sich ändernden Magnetfelds verwendet wird, um eine Stromübertragung vom Sender zum Empfänger über die Sendespule zu induzieren.

Design des Empfängers

Das Design des Empfängers ist ähnlich wie das des Senders, außer dass die Aktion in umgekehrter Reihenfolge erfolgt. Der Empfänger besteht aus einer Empfängerspule, einem Resonanznetzwerk und einem Gleichrichter sowie einem Lade-IC, der den Ausgang der Gleichrichterschaltung zum Laden der angeschlossenen Batterie verwendet. Ein Beispiel für die Empfängerschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt, wobei die Funktionsteile hervorgehoben sind. Dieses Beispiel basiert auf dem LTC4120-Lade-IC.

Anwendungen

Das kabellose Laden wird derzeit in vielen Anwendungen verwendet, darunter:

1. Smartphones und tragbar
2. Notebooks und Tablets
3. Elektrowerkzeuge und Serviceroboter wie Staubsauger
4. Multikopter und elektrisches Spielzeug
5. Medizinische Geräte
6. Aufladen im Auto

Zusätzlich zu den ausgefallenen Gründen, warum Sie das kabellose Laden verwenden sollten, z. B. dass kein Gerät angeschlossen werden muss und keine Probleme mit der Steckerkompatibilität auftreten, bietet das kabellose Laden Sicherheit vor Gefahren beim direkten Anschluss an das Stromnetz. Darüber hinaus ist es in raueren Umgebungen wie Bohren und Bergbau zuverlässig und ermöglicht ein nahtloses Laden unterwegs. Schließlich verhindert das kabellose Laden Verwicklungen und andere Unordnung, die durch Kabel verursacht wird. Wir haben gerade erst das Gesicht des kabellosen Ladens mit mehreren neuartigen Anwendungen zerkratzt. Jedes Produktdesign, das mit Blick auf die Zukunft erstellt wurde, sollte das kabellose Laden einbeziehen, da dies sicherlich eine der Möglichkeiten ist, batteriebetriebene Geräte in naher Zukunft aufzuladen.