Besser zweimal messen - update to my performance evaluations

31 Mar 2014

(find an english version of this this on my personal blog. This an update to my previous post there)

Als ich in meinem letzten Beitrag eine Blick auf die Leistungsfähigkeit des Wireless power demo kit geworfen habe, habe ich eine wichtige Kenngröße vergessen: die Effizienz.

Effizienztest

Daher habe ich meinen Versuchsaufbau nochmal wiederholt, und dabei die Stromaufnahme des Senders gemessen. Da sich diese, wie sich herausstellt, mit dem Abstand der beiden Spulen verändert, habe ich jeweils den minimalen und maximalen gemessenen Wert angegeben. Korrespondierend dazu habe ich die Effizienz berechnet (diese mit dem maximalen und dem minimalen Wert). Der erste Wert ist jeweils der ohne jeglichen Versatz (beide Spulen direkt aufeinander), der zweite der direkt bevor die Ausgangsspannung abfällt.

Last	Abstand (vert.)	Versatz (hor., Transfer)	Versatz (hor., Startup)	Stromaufnahme	Effizienz
0 mA	1 mm	13 mm	13 mm	105-230 mA	0 %
0 mA	3,5 mm	14 mm	13 mm	145-400 mA	0 %
0 mA	10 mm	13 mm	9 mm	525-1100 mA	0 %
LED board	1 mm	7 mm	8 mm	270-415 mA
LED board	3,5 mm	18 mm	9 mm	285-570 mA
LED board	10 mm	16 mm	8 mm	525-1240 mA
100 mA	1 mm	13 mm	12 mm	260-360 mA	38-28 %
100 mA	3,5 mm	15 mm	13 mm	300-540 mA	33-18 %
100 mA	10 mm	14 mm	8 mm	670-1180 mA	15-8 %
250 mA	1 mm	14 mm	12 mm	390-510 mA	64-48 %
250 mA	3,5 mm	15 mm	13 mm	400-660 mA	62-38 %
250 mA	10 mm	14 mm	9 mm	660-1320 mA	38-19 %
500 mA	1 mm	13 mm	12 mm	720-820 mA	69-61 %
500 mA	3,5 mm	15 mm	13 mm	740-960 mA	68-52 %
500 mA	10 mm	13 mm	8 mm	980-1650 mA	51-30 %

Man kann in den ersten Zeile sehen, dass bereits ohne Last eine signifikante Leistung benötigt wird. Selbst wenn der Transmitter nur nach einem Empfänger sucht, benötigt er 100 mA, in kurzen Pulsen etwa zweimal pro Sekunde. Allerdings wird mit höherer Last die Effizienz besser.

Test für einen Zweit-Empfänger

Ich hatte von Anfang an im Hinterkopf, mehr als nur ein Gerät drahtlos laden zu können. Da das Receiver EVM mit 200 EUR dafür zu teuer ist, fiel es als Lösung aus (zudem ist es recht groß). Die Empfänger-ICs sind, soweit ich das sehe, alle im QFN-Package, und daher nicht gerade einfach zu handhaben. Daher habe ich nach alternativen Qi-Empfängern gesucht.

Eine Google-Suche ergab, dass es auf eBay eine Unmenge an Qi-Empfängern gibt, die zum Laden von Telefonen gedacht sind. Diese sind auch klein genug um in Spielzeug eingebaut zu werden. Und mit nicht einmal 4 EUR sind sie auch preiswert genug, um das einfach mal auszuprobieren.

Nach weniger als einer Woche lag dann auch ein Empfänger, der für ein Samsung Galaxy S4 gedacht war, in meinem Briefkasten:

Der größere Teil beinhaltet die Spule, der kleinere offenbar die Elektronik. Wenn man beide zusammenfaltet, ist das Modul nur noch 54x39 mm groß (und etwa 5 mm ***).

Und da ich ohnehin eine neue Testreihe hatte, habe ich das Modul einfach mal mit vermessen:

Last	Abstand (vert.)	Abstand (hor., Transfer)	Abstand (hor., Startup)	Stromaufnahme	Effizienz
0 mA	1 mm	13 mm	10 mm	90-125 mA	0 %
0 mA	3,5 mm	15 mm	12 mm	90-220 mA	0 %
0 mA	10 mm	17 mm	12 mm	250-770 mA	0 %
0 mA	13 mm	12 mm	6 mm	500-1050 mA	0 %
100 mA	1 mm	11 mm	9 mm	235-260 mA	42-38 %
100 mA	3,5 mm	14 mm	11 mm	220-355 mA	45-28 %
100 mA	10 mm	15 mm	11 mm	300-900 mA	22-10 %
100 mA	13 mm	15 mm	7 mm	540-1150 mA	18-7 %
250 mA	1 mm	12 mm	9 mm	375-390 mA	67-64 %
250 mA	3,5 mm	14 mm	11 mm	375-480 mA	67-52 %
250 mA	10 mm	16 mm	11 mm	450-1050 mA	55-24 %
250 mA	13 mm	15 mm	7 mm	600-1350 mA	42-19 %
500 mA	1 mm	10 mm	9 mm	760-810 mA	66-62 %
500 mA	3,5 mm	13 mm	11 mm	750-880 mA	67-57 %
500 mA	10 mm	15 mm	11 mm	880-1320 mA	57-38 %
500 mA	13 mm	14 mm	6 mm	1050-1600 mA	48-31 %

Als erstes ist aufgefallen dass dieser Empfänger mit einem größeren vertikalen Abstand arbeiten kann - immerhin bis zu 13 mm. Daher gibt es in den Messwerten für jede Last einen Eintrag mehr. Andererseits erlaubt er einen geringeren seitlichen Versatz als der Empfänger aus dem Demo-Kit. Besonders sieht man das bei den Messungen für den Start eines Transfers auf - hier ist der mögliche Versatz bis zu 20 % geringer.

Ebenfalls aufgefallen ist bei den Messungen, dass die adaptive Leistungsanpassung im Vergleich langsamer arbeitet. Wenn sich die Spulen bewegen, bricht die Spannung am Ausgang deutlich ein, und benötigt ein bis zwei Sekunden um sich wieder zu stabilisieren. Bei größeren Abständen und Lasten dauert das sogar bis zu 5 Sekunden. Zusätzlich steigt in diesem Zeitraum der Sendestrom deutlich mehr an als mit dem TI-Empfänger - teilweise bis zu 30 %.

Im Gegenzug ist dieser Empfänger, insbesondere bei geringerer Last, deutlich effizienter, ebenso bei größeren Abständen. Lediglich bei 500 mA Last und geringem Abstand kann der TI-Empfänger hier bessere Werte abliefern.

Weitere Erkenntnisse

Ich bin mir noch nicht schlüssig ob ich mich dem Ruhestromverbrauch widmen sollte. Ggf. ist es sinnvoll, hier einen mechanischen Schalter vorzusehen, der dann den Transmitter freigibt. Das würde den Stromverbrauch dann auf den des Netzteils reduzieren.

Was mir bei meinen Tests auch aufgefallen ist (mit beiden Empfängern): Wenn der Empfänger gerade so am Rande der richtigen Entfernung steht, meldet der Sender zwar eine hergestellte Verbindung (D5 blinkt), am Ausgang liegt aber keine Spannung an. Ich werde versuchen, dass durch eine Einschaltverzögerung zu verbessern (d.h. der Empfänger startet ohne Last und schaltet diese erst zu wenn die Übertragung stabil ist). Zusätzlich bietet sich aber eine separate Zustandskontrolle an. Dazu könnte man den Stromverbrauch des Senders überwachen - in diesem Hängezustand verbraucht er nämlich nur den Ruhestrom.

Als letztes ergibt sich aus den Daten, dass der mögliche Laststrom nicht ausgeschöpft werden sollte. In meinem Anwendungsfall muss ich damit rechnen, dass der Empfänger eben nicht exakt platziert wird. Und dann kann der Stromverbrauch des Sender durchaus die Leistungsgrenze des mitgelieferten Adapters überschreiten.

Last but not least: mein Projekt ist jetzt gerade um ein weiteres Spielzeug angewachsen Allerdings wird das wohl etwas einfacher, weil dort ein einzelner LiIon-Akku ausreichen wird.