Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/wireless-qi-wie-die-ikealampe-das-iphone-laedt-1709-130068.html    Veröffentlicht: 15.09.2017 12:02    Kurz-URL: https://glm.io/130068

Wireless Qi

Wie die Ikealampe das iPhone lädt

Die neuen iPhones können auch ohne Zubehör drahtlos geladen werden. Dabei setzt Apple auf einen weit verbreiteten Standard. Das Verfahren hat allerdings seine Nachteile.

Mit dem iPhone 8 hat Apple erstmals eine Möglichkeit zum kabellosen Laden in eines seiner Smartphones integriert, was mehr Komfort bringen soll. Erstaunlich ist dabei, dass Apple zumindest vorerst auf proprietäre Lösungen verzichtet. Im Februar 2017 schloss sich Apple dem Wireless Power Consortium an, das schon im Jahr 2010 den Standard Wireless Qi präsentiert hatte. Vermutlich hat Apple mit der Einführung des Ladens ohne Stromkabel so lange gewartet, bis sich ein Standard durchgesetzt hat.

Wireless Qi wird nach Angaben des Wireless Power Consortiums bisher für 745 Produkte benutzt, darunter Smartphones von LG, Motorola und Samsung. Das Verfahren hinter Wireless Qi bietet die höchste Effizienz für drahtlose Energieübertragung und funktioniert mit einfachen Prinzipien, die Hersteller von Elektrogeräten recht leicht umsetzen können. Aber die ganz große Freiheit beim Laden von Geräten bietet er nicht. Das verhindert die Physik.

Je nach Auslegung der Elektronik muss das Gerät in einer Ladeschale fixiert oder auf einer bestimmten Fläche abgelegt werden, möglichst ohne störende Gegenstände zwischen dieser Oberfläche und dem Smartphone. In der Praxis erspart Wireless Qi damit beim Laden zwar elektrische Kontakte, aber nicht die physische Verbindung zwischen dem Gerät und der Ladeoberfläche.

Das liegt an der verwendeten Technik. Im Wireless-Qi-Standard wird elektrischer Strom induktiv übertragen, also Magnetfelder und Leiterspulen werden in beiden Geräten zur Energieübertragung genutzt. Im einfachsten Fall reichen dafür zwei kreisförmig gebogene oder auf eine Platine aufgedruckte elektrische Leiter. Möglich wird das durch die gleichen elektromagnetischen Prinzipien, mit denen auch jeder elektrische Generator oder Transformator funktioniert. Zur drahtlosen Energieübertragung müssen die Einzelteile dieser Geräte aber getrennt voneinander aufgebaut werden, was unweigerlich zu Verlusten führt.

Magnetfelder übertragen den Strom

Magnetische Felder werden immer erzeugt, wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt. Dabei wirkt in der Nähe des Leiters eine magnetische Kraft entlang der Feldlinien des Magnetfeldes, die kreisförmig um den Leiter entstehen. Je weiter weg vom Leiter die Kraft des Magnetfeldes gemessen wird, desto schwächer ist sie. Der Aufbau dieses Magnetfeldes benötigt Energie, die der elektrische Strom liefern muss. Deswegen entsteht beim Einschalten des Stroms für kurze Zeit ein elektrischer Widerstand, der dem Stromfluss entgegenwirkt. Dieser wird immer schwächer, bis das Magnetfeld seine volle Stärke erreicht hat.

Das Magnetfeld bleibt danach nur solange erhalten, wie der Strom weiterhin fließt. Dadurch funktioniert der gleiche Effekt auch umgekehrt. Wenn sich ein Magnetfeld um einen elektrischen Leiter ohne Energiequelle befindet, dann wirkt das Feld als Energiequelle und erzeugt im Leiter einen elektrischen Strom. Die Energie dafür kommt aus dem Magnetfeld, das sich dabei immer weiter abschwächt, genauso wie der erzeugte Strom. Der Prozess wird Induktion genannt und ist die Grundlage für die Energieübertragung ohne Kabelverbindung. Es müssen nur Magnetfelder mit der passenden Geometrie um einen Draht erzeugt werden und der Strom fließt trotzdem.

Das Problem ist nur, dass Magnetfelder mit der passenden Geometrie für einen geraden Leiter schlecht erzeugt werden können. Aber im Inneren einer kreisförmigen Schleife addieren sich die Effekte von jedem Stück des elektrischen Leiters. Wenn sich ein Messgerät im Inneren der Schleife von dem Draht entfernt, kommt es gleichzeitig näher an den Draht der gegenüberliegenden Seite. Dadurch bildet sich bei Stromfluss innerhalb der Schleife ein gleichmäßiges Magnetfeld. Umgekehrt reicht so ein gleichmäßiges Magnetfeld auch aus, um in einer Leiterschleife einen Strom zu induzieren.

Mit zwei solchen Leiterschleifen kann nun Energie übertragen werden.

Zwei Leiterschleifen reichen zur Energieübertragung

In der Schleife des Ladegeräts wird durch elektrischen Strom ein Magnetfeld erzeugt. Die Leiterschleife des Smartphones befindet sich aber im gleichen Magnetfeld, so dass Strom hindurch fließt, sobald das Magnetfeld entsteht. Durch Wechselstrom kann dieser Prozess einige hunderttausend- oder millionenmal pro Sekunde ablaufen. Aber die Verbindung zwischen zwei Leiterschleifen ist nicht so perfekt wie eine einfache Drahtverbindung. Es gibt viele Möglichkeiten, wie dabei Energie verloren gehen kann.

Wenn ein Teil des erzeugten Magnetfelds außerhalb der Leiterschleife des Smartphones ist, dann geht die Energie verloren, mit der es aufgebaut wurde. Außerdem verliert das Magnetfeld mit wachsendem Abstand an Stärke, was auch die Effizienz senkt. In der Praxis erreicht die Effizienz selbst unter guten Bedingungen kaum mehr als 90 Prozent. Sie fällt stark, wenn die Entfernung zwischen den Leiterschleifen mehr als ein Zehntel ihres Durchmessers erreicht oder wenn die Leiterschleifen stark unterschiedliche Durchmesser haben. In der Praxis liegen die Werte im Bereich von 60 bis 65 Prozent.

Das Ladegerät kann leicht feststellen, ob gerade ein Smartphone geladen wird und wie effizient es das tut. Denn der induzierte Strom in der Leiterschleife im Smartphone erzeugt selbst wieder ein Magnetfeld, das dem Magnetfeld des Ladegeräts entgegenwirkt. Das erzeugt einen zusätzlichen Widerstand im Ladegerät selbst. Je mehr Energie übertragen wird, desto größer wird er. Dadurch können Ladegeräte als Flächen mit vielen verschachtelten Leiterschleifen gebaut werden. Durch Messung des Widerstands kann das Ladegerät bestimmen, über welcher Leiterschleife das Smartphone liegt und nur diese mit Strom für die Übertragung versorgen. Ohne diese Verschachtelung ist das Ladegerät auf eine sehr genaue Positionierung des Smartphones angewiesen.

Die Ladegeräte müssen verbrannte Finger verhindern

Mit dem gleichen Effekt können Smartphone und Ladegerät aber auch ohne zusätzliche Ausstattung kommunizieren. Das Smartphone muss nur kurzfristig durch einen Transistor den Widerstand in der Leiterschleife erhöhen, um den Stromfluss in der Schleife abzuschwächen und gleichzeitig den Widerstand im Ladegerät zu reduzieren. Das ist nicht nur wichtig, um Strom zu sparen und die Stromübertragung nur dann anzuschalten, wenn auch ein Empfänger vorhanden ist. Die Magnetfelder können auch in metallischen Gegenstände wie Münzen elektrische Ströme induzieren, die die Gegenstände dann ähnlich wie ein Induktionsherd aufheizen würden. Die Ladegeräte müssen solche Situationen erkennen und rechtzeitig abschalten, damit sich niemand an einer Münze oder einem Schlüssel auf der Ladefläche die Finger verbrennt.

Die Kommunikation dient auch dazu, den passenden Lademodus zwischen beiden Geräten zu finden, damit das Smartphone nicht durch zu viel Strom beschädigt wird. Der maximale Ladestrom kann also rein softwaregestützt begrenzt werden. Deshalb ist es bemerkenswert, wenn die neuen iPhones anders als die Konkurrenz nur drahtloses Laden mit 7,5 Watt Leistung unterstützen, auch wenn aktuelle Standards das Doppelte zulassen und ähnliche Leistungen von Schnellladegeräten geliefert werden.

Will Apple proprietäre Ladegeräte anbieten?

Es ist gut möglich, dass sich Apple damit eine Hintertür offen lassen will, um teure proprietäre Ladegeräte mit höherer Ladeleistung zu verkaufen. Diese müssten nur erkennen, ob ein Apple Produkt auf der Ladefläche liegt und könnten dann das Protokoll des Wireless Qi Standards umgehen. Wer kein Apple Ladegerät kauft, wäre weiterhin auf 7,5 Watt beschränkt. Wem diese Ladeleistung reicht, der kann sich beim Händler des geringsten Misstrauens gleich mehrere Wireless Qi Ladepads für den Preis eines 1 Meter langen originalen Apple-USB-Kabels kaufen.



Resonante Spulen sind toleranter, aber weniger effizient

Neben den Wireless-Qi-Standards des Wireless Power Consortiums (WPC) gab es ähnliche Standards auch noch von der Power Matters Alliance (PMA), die auf dem gleichen physikalischen Prinzip beruhen, sich aber in den Details und Protokollen unterscheiden. Die PMA gibt es inzwischen nicht mehr, weil sie sich zusammen mit der Alliance for Wireless Power (A4WP) zur Air Fuel Alliance zusammengeschlossen haben. Ohne die Konsolidierung der Standards konnten sich drahtlose Verfahren zur Energieübertragung nur schwer auf dem Markt durchsetzen. Apple wartete wahrscheinlich, bis sich einer der Standards weit genug verbreitet hat.

Die A4WP verfolgte dabei ein anderes physikalisches Prinzip, das auch das WPC unter dem Namen Power by Proxy im Angebot hat. Dahinter steht die Idee, die beiden Spulen durch resonante Schwingungen des Wechselstroms aneinanderzukoppeln. Jede Schaltung aus einem Kondensator und einer Spule hat eine bestimmte Eigenfrequenz in einem relativ hohen Frequenzbereich. Wenn beide Schaltungen auf diese Frequenz eingestellt werden, können sie einen Teil der Verluste durch falsche Positionierung vermeiden und sie können auch in einem Winkel zueinander stehen.

Große Entfernungen sind schlecht für die Effizienz

Das größte Problem der resonanten Schwingungen ist, dass sich die beiden Spulen gegenseitig beeinflussen, wenn sie zu nah aneinander kommen. Der induzierte Strom der Empfängerspule löscht dann das Magnetfeld der Senderspule wieder aus und es wird keine Energie übertragen. Deshalb können solche resonanten Verfahren auch nicht die gleiche Effizienz wie rein induktive Verfahren erreichen. Die größere Flexibilität wird mit Energieverlusten von wenigstens 50 Prozent erkauft.

Über noch größere Entfernungen kann Energie mit Radio- und Mikrowellen übertragen werden. Sendung und Empfang geschieht dabei mit entsprechend leistungsfähigen Antennen. Dabei ist die Abstrahlung ein ernsthaftes Problem, nicht nur weil dadurch Leistung verloren geht. Die Energieübertragung macht auch zumindest einen Teil des Radiospektrums für die Nachrichtenübertragung unbenutzbar. Es ergibt sich auch das Problem, dass hochfrequente Wechselfelder menschliches Gewebe wie in einer Mikrowelle aufheizen können. Das gilt auch für die Demonstration von Energieübertragung mit Spulen über mehrere Meter, die eine Forschergruppe vor zehn Jahren im Wissenschaftsjournal Science veröffentlichte.

Die Absorbtion ist zumindest der Effizienz abträglich. Vor allem aber würden dabei die Grenzwerte für den Strahlenschutz im Radiobereich bei weitem übertroffen, die auf der Basis absorbierter Energiemengen und nicht auf Basis biologischer Effekte definiert wurden. Ein großer Durchbruch ist damit in der drahtlosen Energieübertragung über größere Entfernungen nicht zu erwarten. Wer ein Handy laden will, wird immer zumindest in der Nähe eines Geräts sein müssen, das mit einer anderen Energiequelle fest verbunden ist.  (fwp)


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