(For an English version of this article see my personal blog, and also look at the update) - Es gibt einen Nachtrag zu diesem Artikel.
Wenn man über drahtlose Energieübertragung spricht, kommt immer wieder die Frage
auf: "Über welche Entfernung funktioniert dass denn eigentlich noch?". Für mein aktuelles Projekt ist das insofern besonders interessant
weil es ja durch meinen Sohn benutzt werden soll. Daher kann ich nicht erwarten, dass er
sein Spielzeug immer präzise an die gleiche Stelle legt - und trotzdem muss das Laden
funktionieren.
Daher habe ich eine kleine Versuchsreihe durchgeführt um zu sehen, welche Abstände
Qi (bzw. WPC) zulässt um noch eine Energieübertragung zu ermöglichen, und wie genau man
die beiden Spulen aufeinander platzieren muss.
Der Versuchsaufbau
Für den Versuchsaufbau habe ich zuerts die Kunststoff-Platte
über der Sende-Spule enfernt, um einen möglichst geringen Abstand zwischen den Spulen
zu erhalten. Die Sendespule habe ich allerdings in der Halterung des EVM belassen,
so dass der Abstand minimal 1 mm beträgt. Die entfernte Kunststoff-Platte ist etwa
2,5 mm stark, so dass sich als zweiter Messpunkt ein Abstand von 3,5 mm ergibt.
Als letztes habe ich noch ein Stück Schaumstoff mit einer Dicke von 9 mm herausgesucht,
so dass ich 10 mm als letzten Messpunkt und maximalen Abstand habe.
Der zweite Schritt bestand in der Definition der zu untersuchenden Last. Als Referenzpunkt
habe ich einfach 'keine Last' definiert. Als zweiten Messpunkt habe ich, weil es bereits
vorhanden war, das LED-Demo-Board verwendet. Leider habe ich vergessen nachzumessen
wieviel Leistung es eigentlich benötigt...
Um belastbare Zahlen zu bekommen, die mehr der Realität entsprechen, habe ich als letztes Lasten von 100, 250 und 500 mA
simuliert. Dazu habe ich einfach entsprechend dimensionierte Widerstände angeschlossen
(also 50, 20 und 10 Ohm mit entsprechen hoher Wattzahl). Meine geplante Last
liegt bei etwa 350 mA, daher sollte ich aus diesen Werten eine brauchbare Information
erhalten. Auf eine Last höher als 500 mA habe ich verzichtet, da ich diese nicht benötige.
Zur Kontrolle der gelieferten Ausgangsleistung habe ich Spannung und Strom
gemessen.
Der Versuchsaufbau sah dann so aus:
Jede Versuchreihe (eine pro Last, mit verschiedenen Abständen zwischen den Spulen)
begann damit, den Empfänger genau mittig auf den Sender zu legen. Dadurch konnten
beide eine zuverlässige Verbindung herstellen (zu sehen an den LEDs). Dann habe
ich den Empfänger langsam seitwärts verschoben, bis die Ausgansspannung unter 5 V
fiel (oder, im Falle des LED-Boards, die LEDs sichtbar flackerten).
Danach habe ich den Empfänger komplett abgenommen, so dass die Verbindung beendet
wurde, und wieder augesetzt - allerdings nicht mittig, sondern mit einem Versatz.
Das habe ich, in verschiedenen Abständen, wiederholt bis ich die maximale Verschiebung
gefunden hatte, bei der der Energietransfer noch zuverlässig startet (also stabile 5 V
am Ausgang vorhanden waren).
Die Ergebnisse in Zahlen
Die rohen Zahlen, die ich als Ergebnis notiert habe:
| Last | vertikaler Abstand | Versatz Laden | Versatz Startup |
|---|---|---|---|
| 0 mA | 1 mm | 13 mm | 13 mm |
| 0 mA | 3.5 mm | 14 mm | 13 mm |
| 0 mA | 10 mm | 13 mm | 9 mm |
| LED board | 1 mm | 17 mm | 8 mm |
| LED board | 3.5 mm | 18 mm | 9 mm |
| LED board | 10 mm | 16 mm | 8 mm |
| 100 mA | 1 mm | 13 mm | 12 mm |
| 100 mA | 3.5 mm | 15 mm | 13 mm |
| 100 mA | 10 mm | 14 mm | 9 mm |
| 250 mA | 1 mm | 14 mm | 12 mm |
| 250 mA | 3.5 mm | 15 mm | 13 mm |
| 250 mA | 10 mm | 14 mm | 9 mm |
| 500 mA | 1 mm | 13 mm | 12 mm |
| 500 mA | 3.5 mm | 15 mm | 13 mm |
| 500 mA | 10 mm | 13 mm | 8 mm |
Es ist hier zu sehen dass, wenn man die zwei Spulen direkt aufeinander legt, sich die
Leistungsfähigkeit sogar ein wenig verschlechtert (d.h. die maximalen Abstände
etwas geringer sind). Mit der zusätzlichen Kunststoff-Platte, also etwa 3,5 mm
Abstand, kann die seitliche Verschiebung etwas größer sein.
Man kann ebenfalls sehen, dass die entnommene Leistung keinen (großen) Einfluß
hat - Qi benutzt eine adaptive Leistungsanpassung um die verwendete Sendeleistung
den jeweiligen Umständen anzupassen.
Weitere Beobachtungen, und Schlussfolgerungen
Während der Tests sind mir noch andere Dinge aufgefallen:
- Wenn der Energietransfer begonnen hat, und man den Empfänger verschiebt, fällt die Ausgansspannung kurzzeitig, um sich dann wieder auf 5 V einzupegeln. Das dürfte an der adaptiven Leistungsanpassung liegen. Besonders ist das bei einer Last von 500 mA aufgefallen.
- Die Leistungsanpassung dürfte auch bewirken, dass für den Beginn der Übertragung ein geringer Abstand nötig ist. Wenn er erstmal begonnen hat, regelt Qi die Leistung so dass man etwa 2 mm mehr Spielraum hat (bei 10 mm vertikalem Abstand sogar 5 mm).
- Da die Empfängerspule meines EVM rechteckig und nicht rund ist, ist der mögliche Versatz richtungsabhängig. Ich habe für meine Tests in Richtung der längeren Seite getestet, bei einer Drehung um 90° sind die erzielbaren Abstände geringer.
- Ohne Last fiel die Ausgangsspannung am Ende der Reichweite sofort und ohne Vorwarnung ab. Bereits bei einer Last von 100 mA ging das eher graduell - die Spannung fiel langsam ab, und es wurde weiterhin Strom in die Last geliefert.
- 10 mm scheinen der maximal möglich vertikale Abstand zu sein. Bereits bei 11 mm zwischen den Spulen startet der Energie-Transfer nicht mehr.
- Ein größerer vertikaler Abstand reduziert auch den möglichen horizontalen Versatz
- das LED-Demo-Board verhält sich etwas anders als eine reine Widerstand-Last: sein DC/DC-Konverter erlaubt es, auch mit geringerer Spannung zu laufen, daher ist der möglich Versatz größer. Gleichzeitig scheint er aber unter Last schwerer zu starten, daher ist der mögliche Versatz hier kleiner
Wenn man bedenkt dass der mögliche Versatz in meinem Falle von der Richtung abhängt,
erscheint es sinnvoll eine runde Spule zu verwenden. Allerdings sollte ich trotzdem
einen Indikator vorsehen, der eine korrekte Positionierung (bzw. einen laufenden Transfer)
meldet.
Ebenfalls scheint die Verwendung eines DC/DC-Konverters den Start des Energietransfers
zu erschweren. Da ich ggf. einen solchen verwende, sollte daher eine Startup-Verzögerung
vorgesehen werden.
Wie es weitergeht
Als nächstes sollte ich mich um das finale Design kümmern. Im nächsten Artikel
werde ich meine grundlegenden Herausforderungen und Ideen beschreiben. Danach
werde ich einzelne Aspekte näher beschreiben, und welche Lösungsmöglichkeiten es
jeweils gibt (und natürlich welche ich letztlich wählen werde).
Einige meiner Ideen werde ich wohl mit Prototypen untermauern, um zu sehen ob
sie tragbar sind.
Stay tuned!
