Wie kabellose mobile Ladegeräte funktionieren

Es gibt Zeiten, in denen es scheint, als würden wir in der Zukunft leben. Wir haben Geräte, die wir in unseren Händen halten und mit denen wir Informationen abrufen können, die in Computern in riesigen Rechenzentren auf der ganzen Welt gespeichert sind. Wir können einen Film auf einem Gerät ansehen, zu einem anderen Gerät wechseln und genau dort weitermachen, wo wir aufgehört haben. Wir können unser Zuhause automatisieren, um Aufgaben auszuführen, selbst wenn wir uns auf der anderen Seite der Welt befinden.

Aber dann gibt es immer einen Weckruf. Wo sind unsere Jetpacks? Wo sind unsere fliegenden Autos? Und was zum Teufel sollen wir mit all diesen verdammten Kabeln machen?

Diese letzte Frage wird immer relevanter, wenn wir mehr mobile Geräte erwerben. Smartphones , E-Reader, Tablets und tragbare Musikplayer sind nur der Anfang. Und jedes dieser Geräte benötigt Strom, um zu funktionieren, was bedeutet, dass Sie es früher oder später aufladen müssen. Dann werden diese Kabel wirklich zu einer Irritation.

Möglicherweise müssen Sie sich mit proprietären Kabeln für mehrere Geräte befassen, was bedeutet, dass jedes Kabel zu einem – und nur einem – Ihrer Geräte passt. Wenn Sie beim Kabel-Roulette kein Glück haben, müssen Sie so lange nach Kabeln greifen, bis Sie das richtige gefunden haben. Und wenn Sie alles auf einmal aufladen müssen, wartet ein Techno-Oktopus nur darauf, Sie zu verwirren.

Aber es gibt Möglichkeiten, Strom ohne Kabel zu übertragen und Geräte aufzuladen. Es gibt heute mehrere Produkte auf dem Markt, mit denen Sie ein Gerät aufladen können, indem Sie das Gerät einfach auf ein Ladepad legen. Dann wird die Kraft wie von Zauberhand vom Pad auf das Gerät übertragen. Aber es ist keine Magie – es ist Wissenschaft!

1. Von Tesla bis heute
2. Magnete, Elektrizität und induktive Kopplung
3. Sendeleistung
4. Leitfähige Verbindungen, Funkübertragungen und Wi-Fi?
5. Anmerkung des Verfassers

Nikola Tesla war ein ziemlicher Charakter. Er war ein exzentrisches Genie, dessen Arbeit im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert die Elektrotechnik revolutionierte. Er war ein Pionier auf Gebieten, die von der Funkübertragung bis zur Entwicklung von Wechselstrom reichen . Tesla hatte auch einige Rivalen – seine Arbeit zwickte die Nasen einiger der größten Erfinder der Zeit, darunter Thomas Edison und Guglielmo Marconi.

Tesla hat zu Lebzeiten viele Patente angemeldet. Eines davon erschien am 18. Januar 1902 im Patentamt. Der Titel des Patents lautete „Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie“. In dem Patent beschreibt Tesla ein Gerät, von dem er glaubte, dass es elektrische Energie ohne Kabel von einem Leiter zum anderen übertragen könnte. Letztendlich scheiterte Teslas Arbeit auf diesem Gebiet an technischen und finanziellen Hindernissen. Aber der Traum starb nicht mit Nikola Tesla.

Die Übertragung von Energie durch Funkwellen schien zunächst vielversprechend. Ein gutes Beispiel dafür, wie Funkwellen Energie übertragen können, ist ein Kristallradio . Dieses einfache Funkgerät besteht aus einem langen Draht als Antenne, einer Diode, einem weiteren Draht als Erdungsdraht und einem Kristallkopfhörer. Durch Anbringen der beiden Drähte an beiden Enden der Diode, Verbinden des Erdungskabels mit einem Metallpfahl im Boden und Verbinden des Kristallkopfhörers mit den Enden der Diode kann dieses Radio Radiowellen aufnehmen, die Sie tatsächlich hören können, aber Sie Sie brauchen keine Batterie oder andere Stromquelle, um sie zu hören – die Funkwellen selbst liefern die Energie.

Das Problem bei Funkwellenübertragungen ist, dass sie nicht sehr effizient sind. Funkwellen breiten sich beim Senden aus – nur ein relativ kleiner Prozentsatz von ihnen würde es bis zur Antenne des Ladegeräts schaffen. Aber es gibt auch andere Methoden, um Elektrizität drahtlos zu senden, einschließlich durch Mikrowellen oder Magnetismus. Der Magnetansatz fand großen Anklang bei Ingenieuren, die nach einer Möglichkeit suchten, diese zusätzlichen Ladekabel loszuwerden.

Drahtlose Pioniere

Tesla war nicht der einzige zukunftsorientierte Ingenieur, der die drahtlose Energieübertragung in Betracht zog. Daniel Watts Troy meldete 1903 ein Patent für ein Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung an.

Um zu verstehen, wie kabellose Ladegeräte funktionieren, müssen wir uns ansehen, wie Magnetismus und Elektrizität zusammenhängen. Es ist eine Beziehung, die Hunderte von verschiedenen Arten von elektronischen Geräten möglich macht!

Nehmen wir zunächst einen Elektromagneten. Es ist einfach, einen einfachen Elektromagneten herzustellen – alles, was Sie brauchen, ist eine Batterie , etwas isolierter Kupferdraht und ein Eisennagel. Wickeln Sie den Draht um den Eisennagel und lassen Sie an beiden Enden genügend Draht, um ihn mit der Batterie zu verbinden. Achte jedes Mal, wenn du den Nagel umwickelst, darauf, dass du in die gleiche Richtung gehst. Je mehr Windungen Sie um den Nagel machen, desto stärker wird Ihr Elektromagnet sein.

Sobald Sie Ihren Nagel mit isoliertem Draht umwickelt haben, können Sie die beiden Enden des Drahtes mit den Anschlüssen einer Batterie verbinden. Strom fließt durch den gewickelten Draht und erzeugt ein Magnetfeld entlang des Nagels. Sie können den Nagel verwenden, um andere Nägel durch Magnetismus aufzunehmen. Wenn Sie die Enden des Kabels an die gegenüberliegenden Pole der Batterie schalten, kehren Sie die Polarität Ihres Elektromagneten um - was das nördliche Ende des Magneten war, wird zum südlichen Ende und umgekehrt.

Wenn Sie eine zweite Drahtspule zusammenbauen und in der Nähe der ersten platzieren, können Sie das Magnetfeld Ihres Elektromagneten verwenden, um einen Elektronenfluss in der zweiten Spule zu erzeugen. Wenn Sie diese zweite Drahtspule an ein Voltmeter anschließen, können Sie tatsächlich sehen, wie sich die Nadel oder die Anzeige ändert, wenn Sie die Drähte von der Batterie verbinden oder trennen.

Das liegt daran, dass das Aussetzen einer Drahtspule einem sich ändernden Magnetfeld dazu führen kann, dass Elektrizität durch diesen Draht fließt. Der Schlüssel ist, dass sich das Magnetfeld ändern muss, um den Stromfluss aufrechtzuerhalten – ein stabiles Magnetfeld funktioniert nicht als Induktor.

Eine Batterie liefert Strom in Gleichstrom – der Strom fließt immer in die gleiche Richtung. Aber wenn man einen Elektromagneten an einen Wechselstrom anschließt – einen Stromkreis, in dem der Strom viele Male pro Sekunde zuerst in die eine und dann in die andere Richtung fließt – ändert man die Polarität des Elektromagneten zeitgleich mit den Richtungswechseln des Stroms. Dadurch entsteht ein sich ständig änderndes Magnetfeld – die perfekte Voraussetzung, um Strom zu induzieren.

Gekreuzte Signale

Das Magnetfeld eines Elektromagneten hängt von der Richtung des elektrischen Stroms ab. Würde man Draht um einen Nagel wickeln und ab und zu die Stromrichtung ändern, würde man das Magnetfeld schwächen, da sich die gegensätzlichen Signale gegenseitig aufheben.

Die meisten drahtlosen mobilen Ladelösungen basieren auf induktiver Kopplung. Hier ist ein typischer Ansatz:

Die Ladestation hat die Form einer Matte oder einer anderen flachen Oberfläche. Innerhalb der Matte befinden sich eine oder mehrere induktive Kopplungsspulen. Die Matte selbst ist verkabelt – Sie müssen sie in eine Steckdose stecken. Da der Strom , der in Ihr Haus kommt, Wechselstrom ist, liefert die Matte den Strom, den die Spulen benötigen, um ein sich änderndes Magnetfeld zu erzeugen.

Ihre Mobilgeräte benötigen eine spezielle Hülle oder Befestigung, um dieses Magnetfeld nutzen zu können. Einige Hersteller stellen Geräte mit Gehäusen und Elektronik her, die eine induktive Kopplung ermöglichen – der Palm Pre hatte diese Funktion. Aber die meisten Hersteller stellen Geräte her, die immer noch Kabel oder Drähte zum Aufladen benötigen. Für diese Geräte müssen Sie möglicherweise spezielle Hüllen verwenden – jede Hülle passt zu einem bestimmten Modell eines Geräts. Oder Sie müssen möglicherweise einen Adapter anschließen, der an den Ladeanschluss Ihres Mobilgeräts angeschlossen wird. Die Hülse oder der Adapter haben die passende Spule zu den Induktionsspulen der Oberfläche.

Unabhängig davon, ob Ihr Gerät die induktive Kopplung nativ unterstützt oder eine Hülle oder einen Adapter benötigt, ist Ihr nächster Schritt, das Gerät auf der Ladefläche zu platzieren. Die Induktionsspulen in der Matte erzeugen das Magnetfeld, das Elektrizität in Ihrem Gerät, Ihrer Hülle oder Ihrem Adapter induziert. Dieser Strom lädt dann den Akku Ihres Geräts auf. Da zwischen der Matte und dem Gerät kein Gleichstrom fließt, ist es absolut sicher, unterwegs ein Gadget in die Hand zu nehmen.

Induktive Kopplung ist nützlich, hat aber einige Nachteile. Der größte Nachteil ist, dass es nicht über große Entfernungen funktioniert. Wenn Sie ein Gerät etwas zu weit zur Seite stellen, kann dies bedeuten, dass Sie den Akku nicht wirklich aufladen. Einige drahtlose Ladeoberflächen versuchen dies auszugleichen, indem sie umreißen, wo ein Gerät auf die Oberfläche passen sollte, oder indem sie erhöhte Bereiche schaffen, in die Geräte hineinpassen, um sicherzustellen, dass die Spulen nahe genug beieinander liegen, um zu funktionieren.

Während die induktive Kopplung der häufigste Ansatz für drahtlose Ladegeräte ist, ist dies nicht das einzige Spiel in der Stadt. Schauen wir uns einige Alternativen zur Induktion an.

Ein weiterer Ansatz zum drahtlosen Aufladen von Mobilgeräten verwendet einen direkteren Weg. Leitfähige Ladematten stellen einen direkten Stromkreis zwischen einem mobilen Gerät und einer Ladefläche her. Auf der Oberfläche des Ladegeräts befinden sich Streifen aus leitfähigem Metall. Wenn ein Gerät mit entsprechenden elektrischen Kontakten diese Metallstreifen berührt, fließt Strom in das Gerät.

Damit dies funktioniert, müssen die Kontakte in das Gehäuse des Geräts integriert sein oder eine spezielle Hülse, auf der sich die Kontakte befinden. Sie rasten Ihr Gerät in die passende Hülle ein – jedes Modell und jeder Gerätetyp braucht seine eigene – und legen das gesleevte Gerät auf den richtigen Teil der Oberfläche, um den Kontakt sicherzustellen. Dadurch entsteht ein Stromkreis und Ihr Gerät wird aufgeladen.

Sie müssen sicherstellen, dass die Kontakte auf der Hülse mit den leitfähigen Streifen auf der Oberfläche des Ladegeräts übereinstimmen, sonst erstellen Sie keinen Stromkreis. Aber leitfähige Streifen können effizienter sein als induktive Kopplung, die laut dem Wireless Power Consortium durchschnittlich zwischen 50 und 70 Prozent Effizienz beträgt [Quelle: Higginbotham ]. Das bedeutet, dass selbst bei einem effizienten induktiven Kopplungssystem mindestens 30 Prozent der für den Betrieb der Ladestation benötigten Energie verschwendet werden.

Während die Funkübertragung von Energie nicht effizient ist, ist es möglich, eine Ladestation zu entwerfen, die Hochfrequenzwellen in Gleichstrom umwandelt. Aber wenn Sie keine große Antenne und eine besonders leistungsstarke Sendequelle haben, werden Sie nicht viel Strom aus den Umgebungssignalen um Sie herum gewinnen.

Im Jahr 2010 gab RCA bekannt, dass das Unternehmen eine drahtlose Ladestation entwickelt, die WiFi-Signale nutzen und in Strom umwandeln kann. Wenn ein solches Gerät funktionieren könnte, könnte es an jedem Ort, an dem es einen WLAN-Hotspot gibt, eine großartige Ressource sein. Aber mathematisch gesehen ist ein solches Gerät nicht praktikabel. WLAN-Router geben nur eine winzige Menge an Energie ab – oft etwa ein Zehntel Watt. Ein Konverter würde nur einen Bruchteil dieser Energie aufnehmen, was bedeutet, dass das einmalige Aufladen von so etwas wie einer Batterie Jahrzehnte dauern kann, wenn Sie sich zur Stromversorgung vollständig auf WiFi-Signale verlassen.

Warum nur ein winziger Bruchteil? Das liegt daran, dass Energieemissionen dem Gesetz des umgekehrten Quadrats gehorchen . Dies ist ein Gesetz, das besagt, dass jede Punktquelle, die sich gleichmäßig in alle Richtungen ausbreitet – wie z. B. eine Funkwelle – ihre Intensität relativ zur Entfernung von der Quelle verringert. Wenn Sie mit einer Energieemission mit geringer Leistung beginnen und sich dann von der Quelle entfernen, nimmt die Intensität schnell ab.

Bei so vielen Optionen für drahtlose Ladegeräte sind wir vielleicht kurz davor, uns von Kabelsalat und proprietären Steckern zu verabschieden – und gute Befreiung!

Meine erste kabellose Ladestation habe ich bei einem Besuch auf der CES gesehen. Ich fand es eine tolle Idee. Aber es gab mehrere Nachteile. Bei vielen mussten Sie Ihre Elektronik in eine sperrige Hülle stecken, die das Gewicht des Geräts fast verdoppelte – und Sie sollten die Hülle einfach die ganze Zeit anbehalten. Wenn Sie das Gadget nicht richtig auf das Ladepad gelegt haben, wird Ihr Gerät nicht aufgeladen. Und Sie mussten die Ladestation immer noch in die Wand stecken. Aber trotz der Nachteile war das Versprechen eines kabellosen Telefons sehr attraktiv. Ich wünschte nur, Telefone wie das Palm Pre hätten einen größeren Einfluss gehabt, damit wir sehen würden, dass das kabellose Laden mehr zu einem Standard für alle Geräte wird.

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Quellen