Das kabellose Aufladen von elektronischen Geräten ist ein Segen für die Bequemlichkeit, Zuverlässigkeit und Universalität. Der Komfort kommt davon, dass nicht mehr nach dem richtigen Netzkabel gesucht werden muss, wenn Sie Ihr Gerät aufladen müssen. Die Zuverlässigkeit wird erhöht, weil Sie nicht einen winzigen Stecker in eine winzige Buchse stecken müssen, wo die Möglichkeit besteht, dass einer oder beide kaputtgehen. Aber auch die Universalität wird verbessert, zumal jede Art von Gerät der verschiedenen Hersteller eine andere Art von Stecker, Buchse oder Kabel hat. Und, so wie kabelloses Aufladen zum Mainstream wird, so kommen auch neue Standards, die auf dem besten Weg zur Koaleszenz und universeller Anwendung sind.
Tragbare Geräte, die gemäß den Normen der „Power Matters Alliances” (PMA) oder der Rezence-Norm der „Alliance for Wireless Power” (A4WP) betrieben werden, kommunizieren künftig über Bluetooth mit ihrer Basis. Geräte gemäß der Wireless Power Consortium (WPC) Qi-Norm werden auf die modulierte Rückstreuungsverordnung (Modulated Backscatter Regulation) zurückgreifen. Als solche besteht für diese Geräte keine Notwendigkeit einer kabelgebundenen Schnittstelle. Das Aufladen wird entweder kabellos oder über das völlig unpraktische Verfahren, bei dem die Batterie aus einem winzigen, zarten Gerät entfernt, extern aufgeladen und wieder in das Gerät eingesetzt werden muss, stattfinden. Auch wenn ein solches Verfahren möglich wäre, würde es tragbare Geräte auf Grund der Notwendigkeit einer herausnehmbaren Batterie teurer machen. Und wie es sich anhand der ersten Generationen von Wearables, die jetzt auf den Markt kommen, beurteilen lässt, werden die Hersteller keine der beiden Lösungen anbieten.
Seltsamerweise ist die elektrische Zahnbürste das Gerät, dem wahrscheinlich die Einführung der Idee des kabellosen Aufladens bei Verbrauchergeräten angerechnet werden kann. Da kein Metall, das irgendeine Art von elektrischer Ladung halten kann, mit dem Zahnfleisch in Kontakt kommen darf, wurden die Netzstecker eliminiert, und das kabellose Aufladen wurde unverzichtbar.
Die Lösung für Zahnbürsten basiert auf der Funktionsweise eines Transformators mit zwei Spulen - einer primären und einer sekundären Spule. An die primäre Spule wird Wechselstrom angelegt, und das aufgebaute Magnetfeld gibt Wechselspannung an die sekundäre Spule weiter. Dies resultiert in induktiver Kopplung, wobei der große Unterschied darin besteht, dass bei Transformatoren beide Spulen Teil derselben hergestellten Vorrichtung sind. Beim kabellosen Laden befindet sich eine Spule in der Ladestation, und die andere in dem Gerät, das geladen werden soll. Sie müssen physisch nahe aneinander sein, sind jedoch getrennt.
Und nachdem eine Zahnbürste den ganzen Tag über in der Ladestation bleiben kann, mit Ausnahme der wenigen Minuten, in denen sie verwendet wird, ist die Effizienz irrelevant. Dies ist möglicherweise gut genug für eine Zahnbürste, aber nicht für ein Smartphone, bei dem man sich den ganzen Tag lang auf den aufgeladenen Akku verlässt.
Treten Sie ein in die Welt der Resonanz-induktiven Kopplung. Hier werden die Schaltungen um die Sende- und Empfangsspulen herum auf einander abgestimmt, um miteinander "resonant" zu sein. Dies ermöglicht nicht nur die schnellere Übertragung von mehr Leistung, sondern die Geräte können auch physikalisch weiter voneinander entfernt sein.
Nikola Tesla demonstrierte erstmals Resonanz-induktive Kopplung in den 1890er Jahren, und eine frühe Version der Technologie wurde vor Jahrzehnten zum Aufladen von implantierbaren medizinischen Geräten genutzt. Heute gibt es eine Vielzahl von Geräten mit niedrigem Stromverbrauch, wie Smartphones, die oft wieder aufgeladen werden müssen. Mit etwas Aufwand seitens der Hersteller, ist eine Menge von Frequenzweichen möglich. Die drei Standards erfordern unterschiedliche Betriebsfrequenzen für die Energieübertragung, aber die Normenorganisationen PMA und A4WP verschmelzen demnächst, und damit werden wahrscheinlich auch ihre Standards vereinheitlicht. Unterschiedliche Frequenzen erfordern unterschiedliche Antennen, sodass eine Kreuzkompatibilität mit dem Qi-Standard der WPC weniger wahrscheinlich anmutet. Kreuzkompatibilität ist allerdings möglich. Ein Beispiel ist der Chargespot, der sowohl die Qi- als auch die PMA-Normen unterstützt.
Vielleicht ist der dominierende Standard für drahtloses Aufladen das Qi von WPC. Zu den Abonnenten zählen Microsoft, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony, und Toshiba. Die Implementierung dieses Standards ist aber schwierig: Kompatibilität ist ein Problem, und das Ladegerät muss nah an dem zu ladenden Gerät ausgerichtet werden. Bei Rezence von A4WP hingegen ist eine solche enge Abstimmung des zu ladenden Gerätes mit dem Ladegerät keine Voraussetzung, und im Gegensatz zu Qi, können mehrere Geräte gleichzeitig aufgeladen werden. Der PMA-Standard, der in Richtung Fusion mit Rezence zu steuern scheint, erfreut sich breiter Unterstützung unter den Halbleiterherstellern. Interessant ist, dass Apple, die eine Tendenz hat, ihren eigenen Weg zu gehen, diesmal vielleicht doch einlenkt: wie Berichten zu entnehmen war, wird die neue, vielgepriesene Apple-Uhr möglicherweise über Qi-Ladegeräte aufladbar sein. Allerdings hat die Apple-Uhr das Qi-Zertifizierungsverfahren noch nicht durchlaufen, also werden sie einige Dinge eventuell ändern müssen.
Die Technologie ist inzwischen so ausgereift, dass Chiphersteller wie Freescale Semiconductor, Linear Technology, Texas Instruments und Toshiba vieles, was für die Verwirklichung des kabellosen Aufladens, sowohl für den Empfänger als auch für den Sender, erforderlich ist, auf allgemein verfügbaren Chips umgesetzt haben. Ein deutlicher Trend für die meisten dieser Einheiten besteht darin, mehr als einen dieser konkurrierenden Standards unterzubringen, da sich die einzigen erforderlichen Änderungen im Code befinden, solange eine kompatibles Antenne verwendet wird.
Ein Beispiel hierfür ist der BCM59350 vom industriellen Multitalent Broadcom. Geräte, die diese Chips verwenden, können in Zukunft von beliebigen Ladegeräten mit Strom versorgt werden, unabhängig vom Übertragungsstandard, den das Gerät einsetzt. Sie werden automatisch umschalten und Energie von jedem Ladegerät aufnehmen, das einen der wichtigsten Standards verwendet - und das alles vollkommen ohne Benutzereingriff. Dies setzt jedoch voraus, dass ein solches Ladegerät drei separate Antennen enthält, eine für jeden Standard.
Der Schlüssel liegt in der Kommunikation
Es muss eine ständige Kommunikation zwischen der Einheit und dem Ladegerät geben. Ein wichtiger Grund hierfür ist, dass beide aufeinander "abgestimmt" werden müssen, da je nach Consumer-Anwendung die Positionierung zwischen den Einheiten variiert. Dies gilt vor allem bei Anwendungen, die immer mehr in Kaffeehäusern, Flughäfen und anderen öffentlichen Plätzen auftauchen, zumal eine präzise Platzierung des aufzuladenden Gerätes und des Ladegerätes auf Grund der belebten Natur des Ortes nicht sinnvoll ist. Manchmal verfügen Ladegeräte über eine integrierte magnetische Mitte, die die richtige Platzierung für das Aufladen erleichtert.
Der TC7761WBG von Toshiba ist ein Beispiel für einen drahtlosen Energieempfänger-IC, den Hersteller in ihre Geräte integrieren können, um das kabellose Aufladen zu erleichtern. Toshibas Chip wurde entwickelt, um den Qi-Standard zu implementieren, was nicht weiter überrascht, denn wie bereits erwähnt, ist Toshiba Mitglied der WPC. Ein beigefügtes Datenblatt enthält alle Informationen für Designer, und beinhaltet auch ein sehr nützliches Blockdiagramm (Abbildung 1).
Die Empfangseinheit überwacht die durch die Sendeeinheit übertragene Leistung: nicht die übertragene Menge, sondern - und das ist noch wichtiger: die tatsächlich empfangene Menge. Beim TC7761 wurde eine Rückkopplungsschleife festgelegt, um sicherzustellen, dass nicht mehr Energie absorbiert wird, als die Empfangseinheit sicher aufnehmen kann.
Die Kommunikation erfolgt über ASK-Modulation, und der Qi-Standard erfordert Kommunikation bei 2kbps. Im Sinne dieser Regelung sendet der Sender nur dann Energie, nachdem die Empfangseinheit erkannt wurde und das Gerät signalisiert hat, dass es bereit ist. Für mit diesem Chip ausgestattete Empfangseinheiten ist die Rechenleistung des Gerätes irrelevant.
Während bei Wearables die größte Dringlichkeit zur Entwicklung von drahtloser Energieübertragung besteht, ist das Einstecken von Netzkabeln generell nicht wirklich beliebt. Der aktuelle Qi-Standard zum Beispiel kann bis zu fünf Watt liefern, was ihn zu einer praktischen Alternative für eine Vielzahl von Geräten mit niedrigem Stromverbrauch, wie etwa Smartphones und Tablets, macht. Es werden aktualisierte Qi-Standards in Betracht gezogen, darunter einer, der 15-Watt-Geräte versorgt und einen Hochleistungsstandard für 100 Watt und mehr bietet.