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Proprietäre Wireless-Power-Lösung: Energie und Daten kontaktlos übertragen

Mit der vorgestellten Schaltung eines Vollbrücken-Resonanzwandlers zur induktiv resonanten Energieübertragung lassen sich neben sehr hohen Leistungen von mehreren 10 kW auch Daten kontaktlos übertragen.

Würth Elektronik eiSos Bildquelle: © Würth Elektronik eiSos

Seit die Verbreitung von Wireless Pow­er-Transfer in der Konsumelektronik, etwa bei Smartphones und Ladestationen, ständig zunimmt, richtet sich auch der Blick bei Industrie- und Medizintechnik-Herstellern immer mehr auf diese Technologie und die daraus resultierenden Vorteile. So bietet die Technologie besonders für Industriezweige mit harten Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Baumaschinen, explosionsgefährdete Umgebung (ATEX), Landwirtschaft und ähnliche Einsatzgebiete, interessante Anwendungsmöglichkeiten.

So ließen sich beispielsweise teure und anfällige Schleifringe durch entsprechende Wire­less-Power-Transfer-Lösungen ersetzen, was den Wartungsaufwand verringert und die Lebensdauer des Produktes verlängert. Auch in der Medizintechnik bieten sich zahlreiche Vorteile durch die kontaktlose Energieübertragung. In diesem Anwendungsbereich bestehen besondere Anforderungen an die Hygiene und Keimfreiheit von Medizingeräten. Weiterhin müssen die Geräte und Systeme gegen scharfe Reinigungsmittel und Chemikalien beständig sein.

Der Einsatz von Wireless-Power-Transfer-Lösungen würde dort den Verzicht auf spezielle Stecker ermöglichen, die besondere Eigenschaften in Bezug auf die Dichtigkeit haben müssen. Da auch die Datenkommunikation etwa über WLAN, Bluetooth oder andere Wire­less-Technologien  immer mehr drahtlos erfolgt, bietet es sich an, auch die benötigte Energie für die Endgeräte kontaktlos zu übertragen. Ziel dieses Artikels ist es, dem Entwickler aufzuzeigen, wie er proprietäre kontaktlose Energieübertragung für mehrere hundert Watt sowie drahtlose Datenkommunikation in einem auf einfach und effiziente Art und Weise realisieren kann.

Würth Elektronik eiSos Bildquelle: © Würth Elektronik eiSos

Bild 1: Grundprinzip der drahtlosen Leistungsübertragung

Zum Einsatz kommt die Energieübertragung im Nahfeld. Zu dieser Übertragungsart zählt die induktive Kopplung, welche auf dem magnetischen Fluss zwischen zwei Spulen basiert. Wie aus Bild 1 erkennbar ist, besteht die Übertragungsstrecke aus vier Hauptkomponenten. Auf der Senderseite ist das ein Oszillator, welcher als Wechselrichter arbeitet, und eine Senderspule. Auf der Empfängerseite besteht das System aus der Empfangsspule und dem Gleichrichter, welcher aus der Wechselspannung eine Gleichspannung generiert.

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Bild 2: Die Abhängigkeit vom Abstand der Spulen wird durch Schwingkreise gleicher Resonanzfrequenz deutlich reduziert.

Der Oszillator wandelt die Eingangsspannung in einen Wechselstrom, welcher dann in der Senderspule (L1) ein Wechselfeld erzeugt. Durch die Gegeninduktion zwischen zwei Spulen erfolgt die Energieübertragung zwischen der Senderspule L1 und der Empfängerspule L2. Durch den Wechselstrom in der Senderspule wird eine Wechselspannung in der Empfängerspule induziert (Induktionsgesetz nach Faraday), welche dann gleichgerichtet und an die Last weitergegeben wird.

Zum Problem wird, dass bei größeren Abständen zwischen Sende- und Empfangsspule der Streu­fluss stark zunimmt und damit die Effizienz der Energieübertragung sinkt. Dies entspricht der Funktion eines Transformators mit loser Kopplung. Abhilfe schafft hier die resonant induktive Kopplung.

Würth Elektronik eiSo Bildquelle: © Würth Elektronik eiSo

Bild 3: Blockschaltbild eines Vollbrücken Resonanz-Wandlers

Durch eine resonante induktive Kopplung ist sowohl die Reichweite als auch die Effizienz vergrößerbar. Sie stellt eine Erweiterung der rein induktiven Kopplung dar. Dazu wird in Reihe zur Sende- und Empfangsquelle zusätzlich ein Kondensator eingefügt (Bild 2). Es ergibt sich dadurch ein LC-Serienschwingkreis, nachfolgend auch Resonant-Tank bezeichnet. Um die bestmögliche Effizienz der Energieübertragung zu erreichen, müssen beide Schwingkreise bezüglich ihrer Resonanzfrequenz aufeinander abgestimmt sein. Weiterhin wird durch den Kondensator in Reihe zur WPT-Spule die normalerweise sehr große Streuinduktivität nahezu kompensiert. Die Resonanz zwischen den beiden Schwingkreisen führt zu einer verbesserten magnetischen Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule bei der gewählten Resonanzfrequenz. Das Prinzip der induktiv resonanten Energieübertragung kann sehr einfach in einer Applikation realisiert werden (Bild 3).