Drahtlose Energie

Dieses selbstoszillierende Design verwendet einen Colpitts-Oszillator, um eine Wechselstrom-Sinuswellenausgabe vom gleichgerichteten und stabilisierten Gleichstromeingang zu erzeugen. Beim Einschalten wird der Transistor Q1 durch die Vorspannungswiderstände an seinem Basisanschluss eingeschaltet, und der Kondensator C1 beginnt, sich aufzuladen. Die ansteigende Spannung über C1 erzeugt ein ansteigendes Magnetfeld im Induktor L. Sobald der Kondensator C1 voll aufgeladen ist, ist die Spannung am Induktor L konstant, und das Magnetfeld beginnt, zusammenzufallen. Dies induziert eine Spannung darüber, die höher ist als die Versorgungsspannung, schaltet Q1 über C2 ab und hält es solange ausgeschaltet, bis sich das Magnetfeld im Induktor aufgelöst hat. Der Kreislauf beginnt dann von neuem. Die resultierende Spannungswellenform über dem Induktor ist ungefähr eine Sinuswelle. Die Resonanzfrequenz eines Colpitts-Oszillators ist gegeben durch:



Die passende Empfängerspule muss genau positioniert sein, um das resultierende Magnetfeld abzufangen, das von der Sendespule erzeugt wird. Die induzierte Wechselspannung wird gleichgerichtet und dazu verwendet, die Akkus langsam aufzuladen. Wenn die Batteriespannung ansteigt, reduziert sich der Spannungsabfall R_charge über dem Widerstand, und die Lade-LED erlischt.
Die maximale Kraftübertragung (minimale Verluste) kann berechnet werden aus:



Dabei ist Q der Systemqualitätsfaktor:



k ist der Kopplungskoeffizient zwischen der Sendeinduktivität L_T und der Empfangsinduktivität L_R, abgeleitet von:



Dabei sind n_T und n_R die Anzahl der Windungen jeder Spule und P_RT die Durchlässigkeit zwischen ihnen (entsprechend der magnetischen Leitfähigkeit), die wiederum abgeleitet wird von:



Dabei ist μ₀ die Luftdurchlässigkeit, A die Querschnittsfläche und l die magnetische Pfadlänge.
Die Oszillatorfrequenz f kann hoch gewählt werden (100 kHz), um Q und daher den Wirkungsgrad hoch zu halten, aber sie sollte nicht zu hoch sein, um EMV-Probleme und Entspannungsverluste zu vermeiden und andere ohmsche Verluste aufgrund des Skineffekts. Daraus folgt, wenn die zwei Spulen in enger Nachbarschaft angeordnet sind, wird die magnetische Weglänge klein und die Durchlässigkeit hoch sein, was eine höhere Gegeninduktivität und einen höheren Kopplungskoeffizienten, k, ergibt. Im Falle der wieder aufladbaren Zahnbürste positioniert das Zapfendesign die Sendespule genau um den Ferritkern der Empfangsspule herum, um die Leistungsübertragung zu maximieren, wie aus der ursprünglichen Patentanmeldungszeichnung von 1964 hervorgeht:



Das elektrische Zahnbürstenladegerät ist ein Sonderfall des drahtlosen Nahfeld-Stromübertragungssystems. Das mechanische Design bedeutet, dass die Ausrichtung der Spulen kein Problem darstellt; die Sicherheit ist nicht kritisch, weil die übertragene Leistung sehr gering ist; die einfache Oszillatorschaltung hält die Kosten niedrig, was unabdingbar ist für ein Massenprodukt.

Induktive Ladegeräte für Mobiltelefone oder andere wieder aufl adbare Geräte sind wesentlich komplexer. Einige der am häufi gsten verwendeten off enen Standards für die drahtlose Energieübertragung sind Qi (ausgesprochen „Chee“) und die Power Matters Alliance (PMA) Standards für induktives Laden oder die Airfuel Alliance für Magnetresonanz-Kraftübertragung.

Resonante Funkübertragung

Die resonante induktive Kopplung verwendet drei, oder häufi ger, vier Spulen. Die Zwischenspulen sind Resonanzschwingkreise mit einem Kondensator in Reihe mit der Wicklung. Die Resonanzwicklungen wirken als „magnetische Linsen“, die das Magnetfeld von der Sendespule verstärken und das empfangene Feld für die Empfangsspule verdichten.

Wenn auch nur ein kleiner Teil des übertragenen alternierenden Magnetfeldes vom Empfängerresonator unterbrochen wird, nimmt dieses einen Teil der Energie auf, so dass Trennungsabstand und Ausrichtung sich nicht so kritisch auswirken. Zu den resonanten Kraftübertragungsanwendungen gehören batterielose Smartcards, RFID-Tags und Nahfeldkommunikationssysteme.

Datenkommunikation und adaptives Feedback erfolgen normalerweise über BluetoothTM:



Induktive drahtlose Energieübertragung



Induktives Laden ist effizienter als resonantes Laden, reagiert jedoch empfindlicher auf die Spulenausrichtung. Die Entscheidung zwischen beiden ist also meist anwendungsspezifisch. Die Sendereichweite ist begrenzt auf ca. 50 mm und reduziert sich auf 5-10 mm, wenn die Sender- oder Empfängerspulen nicht perfekt ausgerichtet sind, obwohl mehrere Spulen und/oder adaptive Steuerungen verwendet werden können, um die Ausrichtung weniger kritisch zu machen.



Der Energietransfer folgt einem Quadratgesetz in Z-Richtung (Spulentrennung), einer ungefähr linearen Beziehung für laterale Fehlausrichtung (Spulen überlappen sich nicht perfekt) und einer nicht linearen angulären Fehlausrichtung (Empfänger zur Senderspule geneigt).

Im Gegensatz zum einfachen elektrischen Zahnbürstenladegerät werden bei induktiven Ladesystemen wie Qi Flachspulen ohne Magnetkerne und mit höheren Frequenzen (typischerweise zwischen 0,1 MHz und 1 MHz) verwendet. Dies erlaubt höhere Leistungsübertragungsraten von 3 W bis zu 70 W oder mehr, schaff t dann aber das Problem unerwünschter oder gefährlicher induzierter Spannungen in leitenden metallischen Gegenständen, die im magnetischen Feld sind. Diese Gefahr wird durch bidirektionale Datenkommunikation zwischen Sender und Empfänger beseitigt, so dass die volle Ausgangsleistung erst dann aktiviert wird, wenn der Empfänger ordnungsgemäß als Qi-kompatibles Gerät identifi ziert wurde und keine metallischen Hindernisse im Weg sind.

Die Kommunikation wird dadurch erreicht, dass der Empfänger codierte Lastimpulse erzeugt, die der Sender erkennen und dekodieren kann (Abbildung 6).



Ein weiterer Vorteil der Datenkommunikation ist, dass der Empfänger einen empfangenen Signalstärkewert zurück zum Messumformer senden kann, um ein geschlossenes Regelsystem für Lasttransienten, Fehlausrichtungen und Fehlerzustände zu bilden. Andere Systeme verwenden eine separate Funkverbindung, um Daten zurück zum Sender zu übermitteln.

Drahtloses Laden wird heutzutage am häufigsten zum Aufladen von Mobiltelefonen verwendet, es hat es aber auch seinen Platz in der Industrie für IoT-Anwendungen. Stellen Sie sich beispielsweise ein entferntes Sensormodul vor, das hermetisch gegen Flüssigkeiten, Verunreinigungen und Dämpfe ohne externe Anschlüsse abgedichtet ist. Es könnte neben einer Komponente der Schwerindustrie platziert werden und Sensorwerte der lokalen Umgebung, wie Umgebungstemperatur, Magnetfeldstärke, Geräuschpegel oder Erschütterung/Vibration, über eine Datenverbindung übertragen, die eine integrierte Chipantenne verwendet. Das System könnte über einen internen Superkondensator oder eine wieder aufladbare Batterie versorgt werden, deren Spannung überwacht und zusammen mit den anderen Daten übertragen wird. Sobald die interne Stromquelle entladen ist, wird das gesamte Sensormodul in eine sichere Umgebung gebracht und auf eine Ladeschale gelegt, um den gesamten internen Energiespeicher aufzuladen. Das kabellose Laden ist also nicht nur ein „Gimmick“ für die Industrieanwendungen; es könnte ein akzeptiertes Element in vielen schwierigen Umgebungsanwendungen werden.

Induktive Leistungsübertragung der Leiterplatte

Eine geringe Leistung (1-2 W) kann über eine Isolationsbarriere mit einem kernlosen Transformator übertragen werden, der aus benachbarten PCB-Spiralbahnen gebildet wird. Die Spannungsfestigkeit von FR4 PCB Material beträgt 800 V-1500 V/mil. Daher hat eine Standard-4-Lagen-Leiterplatte mit 40 mil zwischen Schicht 2 und Schicht 3 eine Isolationsspannung von mindestens 30 kVDC (bei Durchsteigern muss man darauf achten, einen Mindestabstand einzuhalten).



Die Induktivität zweier übereinanderliegender PCB-Spiralen wurde 1928 von Wheeler berechnet:





Dabei ist μ₀ die Permeabilität von FR4, die typischerweise bei 1 liegt, d der Innendurchmesser von Spirale, D ist der Außendurchmesser und n die Anzahl der Windungen.

Die gegenseitige Induktivität zwischen den überlagerten Spiralen ist gegeben durch:



Dabei beträgt der Kopplungskoeffizient K für zwei durch 40 mil FR4 getrennte Schichten typischerweise 0,5 bis 0,6.

Der Wirkungsgrad ist nicht hoch (rund 25 %), aber der Vorteil einer vollautomatischen Produktion und eine hohe Isolation machen kernlose Leiterplattentransformatoren zu einer nützlichen Technik.

Praxistipp: Auch eine induktive Kopplung für drahtlose Datenübertragung statt Stromübertragung ist möglicherweise nützlich, um den Optokoppler in der Rückkopplungsschaltung in einem herkömmlichen AC/DC-Wandler zu ersetzen, oder um Fehlerzustände von der Sekundärseite zur Primärseite über die Isolationsbarriere zu kommunizieren.

Mit dem Aufkommen digitaler Netzteile kann sowohl die Leistungsregelung wie auch das Timing der synchronen Gleichrichtung digital vom primärseitigen Mikrocontroller gesteuert werden durch induktive Kopplung über die Trennbarriere. Da das System symmetrisch ist, können Daten bidirektional durch Duplizieren der Sender- und Empfängerschaltung auf beiden Seiten gesendet werden.

Die Implementierung ist relativ einfach, wenn eine vierlagige Leiterplatte verwendet wird: Zwei gegenüberliegende Schleifen aus den Leiterbahnen werden auf der Ober- und Unterschicht gebildet zur Erzeugung der Sende- und Empfangsspulen; die Daten werden durch Modulieren des Hochfrequenz-Treibersignals übertragen.

Die elektrische Isolation wird durch das Leiterplattenmaterial gewährleistet, und da beide Schleifen eingebettet und mit Masseebenen oben und unten abgeschirmt sind, ist die Übertragungscharakteristik weitgehend unabhängig von Feuchtigkeit, Schmutz, Störungen oder anderen Umgebungsbedingungen. Trotzdem ist normalerweise eine Signalkonditionierung erforderlich, um die Datenintegrität zu gewährleisten.



Die Leiterbahnanschlüsse sind Übertragungsleitungen, die mit Sender- und Empfängerverstärker auf Impedanz abgeglichen werden müssen, um unerwünschte Reflexionen zu vermeiden. Das PCB-Material (FR4) wirkt als Dielektrikum zwischen der das HF-Signal führenden Leiterbahn und der Masseebene mit einer charakteristischen Impedanz (in Ohm)





Für eine Standard-Leiterplatte ist die Dielektrizitätskonstante ℇ gleich 4; wenn also eine Kupferbahn von 1 Unze 20 mil breit ist und die Leiterplattendicke 10 mil beträgt, liegt die resultierende Impedanz bei 50 Ohm. Für eine Impedanz von 75 Ohm, reduzieren Sie die Spurdicke auf 8,3 mil. Die PCB-Übertragungsleitungen haben außerdem eine charakteristische Kapazität [pF/in] von:



und eine Ausbreitungsverzögerung [in ps/in] von:



Bei mehrschichtigen Leiterplatten, bei denen die Leiterbahnen zwischen zwei Masse- oder Leistungsebenen eingebettet sind, müssen die obigen Beziehungen leicht modifiziert werden:



Mehrschichtige Leiterplatten-Kennimpedanz [Ohm]:



mehrschichtige PCB-Eigenschaftskapazität [pF/in]:



mehrschichtige PCB-Ausbreitungsverzögerung [ps/in]:



HINWEIS: Leiterplattenabmessungen werden üblicherweise immer noch in Zoll (Zoll, mil) angegeben; daher wurden diese hier verwendet anstelle des metrischen Systems.