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Bild 1: Hauptmerkmale des drahtlosen Ladens nach dem Qi-Standard.
Bild 2: Die Empfangsspulen gibt es in verschiedenen Größen: Die IWAS-4832FF-50 (links) und die -3827EC-50 (rechts).

Medizinisches Personal insbesondere in der Notaufnahme steht unter Zeitdruck. Große Unterstützung im Alltag leisten ihm tragbare Diagnosegeräte. Oft fehlt aber einfach die Zeit und Gelegenheit sie aufzuladen. Wünschenswert und sinnvoll wäre es, das Gerät einfach auf eine Fläche zu stellen, auf der es automatisch geladen wird, während sich der Mediziner schon dem nächsten Patienten widmet. In einer Notaufnahme ist eine schnelle und effiziente Versorgung Voraussetzung – zum Glück ist das drahtlose Laden mittlerweile eine gängige Technologie. Vorteilhaft ist zusätzlich die Vermeidung von Ladeschnittstellen-Anschlüssen, denn diese könnten beim Reinigen und Desinfizieren korrodieren oder undicht werden. Weiterhin ermöglicht das drahtlose Laden nur noch einen einzigen Ladestandort für mehrere Geräte – unabhängig vom Hersteller.

Standard

Die Tatsache, dass drahtloses Laden immer mehr an Zugkraft gewinnt, wird durch die Gründung einer Industrie-Standardspezifikation bekräftigt: Dieser Standard des Wireless Power Consortiums (WPC) wird Qi (ausgesprochen „Tschi“) genannt. Die Spezifikation ist in drei wesentliche Bereiche aufgeteilt – den Leistungsübertrager, den Leistungsempfänger und das Kommunikationsprotokoll zwischen den beiden. Bild 1 beschreibt die Hauptmerkmale des drahtlosen Ladens nach dem Qi-Standard.

  • Es handelt sich um ein Verfahren zur kontaktlosen Energieübertragung von einer Basisstation (Lade-Pad) auf ein tragbares Gerät. Die Übertragung erfolgt über magnetische Induktion zwischen Spulen in einem Nahfeld.
  • Die Übertragung von zirka 5 W Leistung erfolgt mithilfe einer Sekundärspule (Empfangsspule) bei einer Betriebsfrequenz im Bereich 110 bis 205 kHz.

Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Platzierungsmöglichkeiten der tragbaren Geräte auf der Oberfläche des Lade-Pads:

  • die Positionsführung des tragbaren Gerätes auf der Oberfläche des Lade-Pads, wobei die Energieübertragung über einen oder mehrere feste Punkte auf der Oberfläche erfolgt,
  • oder die freie Positionierung; sie ermöglicht eine beliebige Platzierung tragbarer Geräte auf der Oberfläche des Lade-Pads. Die Energieübertragung erfolgt an jeder beliebigen Stelle der Oberfläche.

Ein weiteres Merkmal ist eine sehr niedrige Standby-Leistungsaufnahme, die je nach Ausführung variieren kann. Es besteht eine hohe Designflexibilität bei der Integration des Systems in ein tragbares Gerät. Über ein einfaches Kommunikationsprotokoll hat das tragbare Gerät die vollständige Kontrolle über den Energietransfer.

Das Funktionsprinzip

Die Energieübertragung findet in vier Phasen statt:

  • Auswahlphase: Der Leistungsübertrager überwacht die Ladeschnittstelle, um die Platzierung eines zu ladenden Geräts zu erkennen. Wird kein Gerät entdeckt, sendet der Übertrager kontinuierlich einen Ping an den Energieempfänger. Wird über einen festgelegten Zeitraum kein Gerät geladen, geht der Leistungsübertrager in den Standby-Modus über.
  • Ping-Phase: Ähnlich wie bei einem Sonar (sound navigation and ranging, Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) gibt der Leistungsübertrager einen digitalen Ping aus, um ladebereite Geräte zu erkennen. Wird ein Gerät entdeckt, hält der Übertrager das Ladesignal auf dem Ping-Level und geht in die Identifizierungs- und Konfigurationsphase über. Wird kein Gerät entdeckt, kehrt der Übertrager in die Auswahlphase zurück.
  • Identifikations- und Konfigurationsphase: Der Leistungsübertrager kommuniziert mit dem Empfänger, um die benötigte Energiemenge zu bestimmen, die zum Laden des Geräts an der Schnittstelle erforderlich ist. Wird das Gerät von der Schnittstelle entfernt, kehrt der Übertrager in die Auswahlphase zurück.
  • Energieübertragungsphase: Der Leistungsübertrager gibt Energie an den Empfänger ab und passt den Stromfluss entsprechend der Rückkopplung seitens des Empfängers an. Sicherheitsfunktionen schalten die Energieübertragung ab und das System kehrt in die Auswahlphase zurück, sobald es Abweichungen beim Energietransfer feststellt.

Die Vorteile des drahtlosen Ladens liegen auf der Hand. Das hat auch die Industrie erkannt. Bereits mehr als neunzig Unternehmen in der Elektronikindustrie unterstützen den Standard.

Um die Spule dreht sich alles

Drahtloses Laden basiert auf magnetischer Induktion innerhalb eines Nahfeldes. Dabei erfolgt die Energieübertragung von einer Lade-Basisstation (Lade-Pad) auf ein mobiles Gerät. Eine Übertragerspule (Tx) im Lade-Pad überträgt Energie über unterschiedliche Distanzen an eine Empfängerspule (Rx), die sich innerhalb des tragbaren Geräts beispielsweise eines Mobiltelefons, befindet. Die Übertrager- (Primär-) Spule innerhalb des Lade-Pads erzeugt ein magnetisches Feld, ähnlich wie bei einem herkömmlichen Transformator. Dabei wird Strom in der Sekundärspule induziert, die sich im tragbaren Gerät befindet. Das Lade-Pad verfügt über einen Leistungswandler-Schaltkreis, der elektrische Energie in ein Magnetfeld umwandelt. Auf der Empfängerseite wandelt ein Leistungsempfänger das Magnetfeld in elektrische Energie um und lädt damit die Batterie des Geräts. Der Übertrager und der Empfänger kommunizieren miteinander, um den Ladevorgang zu regeln.

Auf einen Blick

Drahtloses Laden lässt nicht mehr länger auf sich warten – es steht bereits zur Verfügung. Es begann mit kleineren Geräten wie Mobiltelefonen und findet sich nun auch bei medizintechnischen und anderen tragbaren Geräten. Mit der IWAS-Empfangsspule lassen sich tragbare medizintechnische Geräte effizient und zuverlässig laden.

Die Qi-konforme Empfangsspule (Empfangsschild) der IWAS-Serie von Vishay Dale ist eine kommerziell erhältliche Wireless-Lade-Empfangsspule für WPC-konforme Geräte. Die IWAS-Serie hat einen Wirkungsgrad von 70 Prozent oder mehr, hohe Permeabilitätsabschirmung für die Empfangsspule und sie verhindert, dass der Ladefluss empfindliche Bauteile oder Batterien beschädigt. Ihre Leistungsfähigkeit lässt sich durch die Permanentmagnete nicht beeinträchtigen.

Vorteilhafte Eigenschaften

Die Konstruktion der IWAS-Empfangsspule basiert auf der patentierten IHLP-Technologie. Dabei platziert man eine drahtgewickelte Spule auf einem Verbundmaterial-Kern. Damit besitzt die widerstandsfähige IWAS-Empfangsspule, die konform zur RoHS-Richtlinie 2002/95/EC ist, gegenüber anderen Technologien gewisse Vorteile:

  • Hohe Permeabilitätsabschirmung für Empfangsspulen beim drahtlosen Aufladen,
  • ihre Materialeigenschaften: Permeabilität bis 24, Isolationswiderstand von mehr als 10 MΩ bei 100 V, Kernverlusten von 4000 mW/cc (Milliwatt pro Kubikzentimeter) bei 500 Gauss, 250 kHz und die magnetische Sättigung von 50 Prozent bei 4000 Gauss (bis 350 Oe (Oersted, magnetische Feldstärke im CGS-Einheitensystem),
  • Eisenpulver für hohe Sättigung – keine Beeinträchtigung durch Permanentmagneten.

Vishay bietet die IWAS-Empfangsspule in verschiedenen Größen und Formen an, damit sich jedes beliebige Gerät damit ausgestatten lässt.

Implementierung

Die IWAS-Empfangsspule wird zuerst mit einer sehr dünnen Schicht (Wafer) aus gepresstem Eisenpulver gefertigt. Eine flache drahtgewickelte Spule, die Kupferverluste minimiert und die Magnetflussübertragung maximiert, bringt man auf dem Wafer auf. Die Anschlüsse der Spule abisoliert und verzinnt man, um einen einfachen Anschluss an den Schaltkreis des Kunden zu ermöglichen. Die fertige IWAS-Empfängerspule integriert man dann in die rückseitige Gehäuseabdeckung eines tragbaren medizintechnischen Geräts und schließt sie an die Kommunikations-/Ladeschaltkreise an. Das Gerät lässt sich nun auf jeder Qi-konformen Ladestation ablegen.

EMV-Test

Drahtlos ladbare medizintechnische Geräte müssen unabhängige Tests hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Verträglichkeit bestehen. Folgende Standards sind dabei zu beachten:

  • FFC, Teile 15 und 18
  • IC ICES-001
  • IC Radio Standards Specification (RSS)
  • EU EMC-Richtlinie
  • R&TTE-Richtlinie

Zahlreiche unabhängige Labore und Testeinrichtungen stehen für diese Tests zur Verfügung.