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Tipps und Tricks zur drahtlosen Energieübertragung

| Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Bei der drahtlosen Energieübertragung gibt es viele Anwendungen, die spezifisch optimiert werden müssen. Bei höheren Leistungen ist eine integrierte Ansteuerungsschaltung sinnvoll, die sich an die Resonanzfrequenz anpasst. Wie das funktioniert, lesen Sie in diesem Power-Tipp.

Das kabellose Übertragen von Energie hat viele Vorteile. Beispielsweise werden störanfällige Steckkontakte überflüssig. Geräte können in Gehäuse verbaut werden, welche gegen das Eindringen von Feuchtigkeit geschützt sind. Anwender müssen sich darüber hinaus nicht die Mühe machen, Leitungen einzustecken.

Die meisten Anwendungen der drahtlosen Energieübertragung finden sich beim Laden von Batterien in portablen Geräten.

Es haben sich einige Standards in diesem Bereich etabliert. Dennoch gibt es viele Anwendungen, in denen kein Standard notwendig ist und somit eine auf den Einzelfall optimierte Energieübertragung eingesetzt werden kann. Bild 1 zeigt ein induktives Energieübertragungskonzept. Es werden zwei Spulen in einen geringen Abstand gebracht und ein Wechselstrom in der primärseitigen Spule erzeugt. Durch das resultierende mag­netische Feld wird wie bei einem Transformator ein Wechselstrom in der sekundärseitigen Spule induziert.

Die primärseitige Ansteuerung kann prinzipiell mit einem einfachen Oszillator und wenigen diskreten Komponenten aufgebaut werden. Für kleine zu übertragende Leistungen funktioniert dies auch gut. Bei höheren Leistungen ist eine integrierte Ansteuerungsschaltung wie mit dem LTC4125 von Analog Devices sinnvoll.

Hierbei passt sich die Ansteuerung sehr genau auf die vorhandene Resonanzfrequenz an. Damit kann eine maximale Leistung mit spezifischen Komponenten übertragen werden. Der LTC4125 erkennt ebenfalls, wenn sich ein Fremdkörper an der primärseitigen Spule befindet.

Wird beispielsweise ein Stück Metall an die Spule gehalten, bilden sich im Metall Wirbelströme aus, auch Eddy-Ströme genannt. Diese erwärmen das Metall und besonders bei hohen Leistungen besteht Verletzungsgefahr. Bei kleinen Leistungen würde die Erwärmung eines Fremdkörpers ein nur geringes Risiko bedeuten.

Der LTC4125 erkennt einen metallischen Fremdkörper und reduziert dann die Leistung oder bricht die Energieübertragung ab. Um Energie zu sparen kann der LTC4125 die Übertragungsleistung ebenfalls auf den Leistungsbedarf auf der Sekundärseite anpassen.

Bild 2 zeigt ein Beispiel einer Demonstrator-Schaltung mit spezifischen Komponenten. Hier sieht man, was passiert, wenn die beiden Spulen versetzt sind oder einen gewissen Abstand voneinander haben.

Bei einem Transformator hat man üblicherweise einen Koppelfaktor zwischen 0,95 und 1. Bei einer drahtlosen Energieübertragung sind Koppelfaktoren von 0,8 bis 0,05 üblich. In Bild 2 ist auf der X-Achse der Spulenversatz in Millimeter eingetragen. Auf der Y-Achse der Abstand der beiden Spulen ebenfalls in Millimeter.

Befinden sich beide Spulen genau übereinander, hat man also einen Spulenversatz von Null, beträgt bei einer Batterieladeleistung von 1 W der Abstand der beiden Spulen bis zu 12 mm. Je höher die Leistung wird, desto näher und genauer müssen die beiden Spulen zueinander ausgerichtet sein.

Durch Auswahl der Schaltungselemente kann die übertragbare Leistung angepasst werden. Der Zusammenhang zwischen Spulenversatz und Spulenabstand verhält sich jedoch ähnlich dem beschriebenen Beispiel.

Für die drahtlose Energieübertragung über größere Entfernungen kann eine hochfrequente Energieübertragung verwendet werden. Hier gibt es Testaufbauten, die im ISM-Band arbeiten. Die übertragbaren Leistungen sowie die Übertragungseffizienz sind jedoch wesentlich geringer als mit einer induktiven Kopplung, wie sie in diesem Power-Tipp beschrieben wurde.

* Frederik Dostal arbeitet im Technischen Management für Power Management in Industrieanwendungen bei Analog Devices in München.

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