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Qi-Standard - für induktives Laden

Im Prinzip geht alles, aber ohne Strom geht so gut wie nichts. Das kann jeder bestätigen, der schon einmal versucht hat ein Telefon mit leerem Akku zu benutzen. Normalerweise ist das ja kein Problem, denn man schließt das Telefon einfach an das Ladekabel an. 

Nach kurzer Zeit hat man so viel Energie geladen, dass zumindest ein kurzes Gespräch geführt werden kann. Richtig, aber was ist, wenn das Ladekabel mit dem dazugehörigen Netzteil nicht greifbar ist? Da wär es doch praktisch, wenn man sein Smartphone überall laden könnte. Und genau das geht durch kabelloses Laden. Wie dieses kabellose Laden funktioniert und was der Qi Standard ist, wollen wir Ihnen näher erklären.



Welchen Vorteil bietet das kabellose Laden?

Mittlerweile gibt es in jedem Haushalt die unterschiedlichsten aufladbaren Geräte. Smartphones, Bluetooth-Headsets, Uhren oder tragbare Mediaplayer werden alle über ein Ladekabel mit Energie versorgt. Dazu hat jedes Gerät ein mitgeliefertes Netzteil mit Ladekabel. Deshalb muss man sehr genau darauf achten, dass man das richtige Ladekabel mit dem passenden Stecker und das dazugehörige Netzteil verwendet.

Bei manchen Geräten muss man zudem noch nachschauen, wie der Micro-USB Stecker gedreht werden muss, damit er in die Buchse passt. Rutscht der schief angesetzte Stecker nicht gleich in die Buchse, wird einfach mit mehr mechanischem Druck gearbeitet.

Dass weder der Stecker noch die Ladebuchse diese raue Behandlung auf Dauer problemlos verkraften, ist eher unwahrscheinlich. Mit der Zeit wird die Ladebuchse ausleiern und keine sichere Verbindung mehr gewährleisten. Wackelkontakte und teure Reparaturen sind dann die Folge.

Besser wäre es wenn zum Laden überhaupt kein Kabel oder Steckkontakt mehr notwendig wäre. Deshalb wurde von den Herstellern das kabellose Laden oder auch Wireless Charging entwickelt, das zum Teil auch als induktives Laden bezeichnet wird.



Wie funktioniert das induktive Laden? 

Den Ladestrom für z.B. ein Smartphone kann man nicht so einfach über die Luft übertragen. Denn die Luft ist für den Strom ein elektrischer Isolator. Doch so wie man Funkwellen von Radio- oder Fernsehsendern durch die Luft überträgt, kann man auch Energie übertragen. Bei der drahtlosen Energieübertragung macht man sich zwei Gesetzmäßigkeiten der Physik zu Nutze:

Elektromotorprinzip

Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Wenn sich der Leiter zudem in einem Magnetfeld eines Dauermagneten befindet, beeinflussen sich die beiden Magnetfelder und es entsteht die Drehbewegung eines Elektromotors. Mehr dazu ....

Generatorprinzip

Wenn sich ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld bewegt, wird in dem Leiter eine elektrische Spannung erzeugt (induziert). Das Funktionsprinzip dieser Stromerzeugung wird bei Generatoren oder Dynamos angewandt. Mehr dazu ....

In der Praxis werden beim induktiven Laden zwei Spulen verwendet. Eine Spule ist die Sendespule und die andere Spule ist die Empfangsspule. Die Sendespule baut das erforderliche Magnetfeld auf. Damit die Empfangsspule eine Spannung erzeugen (induzieren) kann, müsste sie sich im Magnetfeld bewegen. Da das mechanisch nicht möglich ist, wird mit einem Trick gearbeitet. Anstatt den Leiter der Empfangsspule zu bewegen, bewegt man das Magnetfeld. Das wird erreicht, indem die Sendespule mit Wechselspannung betrieben wird. Das dadurch ständig wechselnde Magnetfeld erzeugt dann in der Empfangsspule ebenfalls eine Wechselspannung. Obwohl die Empfangsspule selber nicht bewegt wird.
In der Technik wird dieses Prinzip beim Transformator schon lange genutzt. Nur dass bei Trafos das Magnetfeld zwischen den beiden Spulen durch einen Kern aus Eisenplatten verstärkt und zielgerichtet geleitet wird. Dadurch kann ein Transformator auch zum Teil hohe Leistungen übertragen.

Der Eisenkörper um die beiden Spulen dient lediglich dazu, die Magnetfeldlinien zu bündeln und den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Beim induktiven Laden fehlt jedoch die verstärkende Wirkung durch den Eisenkern. Deshalb ist es wichtig, dass die beiden Spulen räumlich sehr nahe beieinander liegen. Der Abstand sollte so gering wie möglich sein. Nur dann kann die Energie-Übertragung effizient erfolgen. Aber auch unter idealen Bedingungen beträgt die übertragbare Leistung bei induktiven Ladegeräten lediglich einige wenige Watt. Diese Leistung ist aber zum Laden kleiner persönlicher Weareables (tragbare Elektronikgeräte) durchaus ausreichend.



Welche Herausforderungen gibt es beim induktiven Laden?

So clever die Idee des induktiven Ladens auch ist, so kompliziert ist die technische Umsetzung. Denn bei der Realisierung gab und gibt es technische Schwierigkeiten, die zu meistern sind.

Die Funktionalität muss gegeben sein

Der wohl wichtigste Punkt ist die Funktionalität. Dabei muss sichergestellt werden, dass im Empfänger (Smartphone) genügen Energie ankommt, damit der Akku mit ausreichender Stromstärke geladen wird. 

Neben dem bereits angesprochenen minimalen Abstand der Spulen können noch die Stärke des Magnetfeldes und auch die Frequenz der Wechselspannung vom Hersteller der Ladegeräte beeinflusst werden. Im Optimalfall sind der Sender und der Empfänger perfekt aufeinander abgestimmt.


Die Sicherheit muss gewährleistet sein

Der Ladevorgang darf nur dann gestartet werden, wenn das dazugehörige Telefon auf der Senderspule aufliegt. Zudem darf das Magnetfeld beim Laden keine anderen Geräte in der unmittelbaren Umgebung stören.

Falls Fremdkörper wie z.B. eine Büroklammer, Schmuck, Werkzeug oder eine Nagelfeile zufällig auf die Senderspule geraten, darf diese nicht in Betrieb gehen. Denn aufgrund der induzierten Ströme innerhalb der Metallteile würden sich die Gegenstände soweit erhitzen, dass man sich daran verbrennen kann.


Die Kompatibilität muss gegeben sein

Bei technischen Innovationen ist es oftmals so, dass jeder Hersteller bei der Umsetzung seinen eigenen Weg geht. Darum kann es sehr leicht vorkommen, dass der induktive Ladevorgang nicht oder nur unzureichend stattfindet, wenn Ladegerät und Smartphone nicht vom gleichen  Hersteller sind. Im schlimmsten Fall induziert die Empfängerspule im Handy eine viel zu hohe Spannung, sodass das Smartphone dadurch Schaden nimmt.

Besonders wenn in öffentlichen Einrichtungen eine schnurlose Ladevorrichtung zur Verfügung gestellt wird, muss man sicher sein, dass das Smartphone zügig geladen, aber durch das Laden nicht beschädigt wird. Deshalb wurde vom Wireless Power Consortium der Qi-Standard entwickelt. 



Was bedeutet der Qi-Standard

Das WPC (Wireless Power Consortium) ist eine 2008 gegründete gemeinnützige Organisation, der mehr als 650 Mitgliedsunternehmen aus der ganzen Welt angehören. Führende Marken wie z.B. Apple, Samsung, Huawei, Xiaomi, Google, LG, Sony, Nokia und viele andere Hersteller haben sich dem WPC angeschlossen.
Gemeinsam mit seinen Mitgliedern entwickelt das WPC herstellerübergreifende Standards für die drahtlose Stromversorgung.

Qi (ausgesprochen „tschi“) steht in der chinesischen Sprache für Lebensenergie oder Lebenskraft. In Verbindung mit der Ladetechnik steht Qi als der weltweit führende Standard für das induktive Laden mit einer Leistung von bis zu 15 W. Der Qi-Standard beschreibt dabei nicht nur die funktionellen Aspekte der induktiven Ladung. Auch sicherheitsrelevante Schutzvorrichtungen und eine zuverlässige Fremdkörpererkennungen wurden im QI-Standard ebenfalls genau definiert. Eine weitere Qi-Spezifikation beschreibt die magnetische Abschirmung des Akkus, um die Erwärmung beim Ladevorgang zu minimieren.

Hersteller von induktiven Smartphone-Ladegeräten können für ihre Produkte beim WPC eine Zertifizierung beantragen. Dazu prüfen autorisierte und unabhängige Testlabore die Produkte, in wieweit die strengen Vorgaben des Qi-Standards eingehalten werden. Dabei werden die produktspezifischen Eigenschaften in Punkto Sicherheit, Interoperabilität und Benutzerfreundlichkeit genauestens getestet. Wenn das Produkt alle Vorgaben des Qi-Standards vollumfänglich erfüllt, darf es als Qi-zertifiziertes Produkt das Qi-Logo tragen.

Dadurch ist sichergestellt, dass alle Qi-zertifizierten Produkte untereinander kompatibel sind und perfekt miteinander funktionieren. Der Anwender kann sein Qi-fähiges Smartphone bedenkenlos auf jedes Qi-zertifiziertes Ladegerät legen ohne befürchten zu müssen, dass sein Telefon Schaden nimmt.

Der Qi-Standard wird im Moment noch in erster Linie für das Aufladen von Smartphones genutzt. Doch die Mitglieder der WPC arbeiten mit Nachdruck daran das Leistungsprofil für den Qi-Standard zu erhöhen. Dann können Geräte wie Notebooks und Tablet-PCs mit einer Ladeleistung von 30 bis 60 W ebenfalls mit abgedeckt werden. 

Wer wissen will, ob das von ihm verwendete induktive Ladegerät eine Qi-Zertifizierung besitzt, kann in der Datenbank des Wireless Power Consortium nachschauen.



Entsprechen alle Conrad-Ladegeräte dem Qi-Standard?

In enger Zusammenarbeit mit den Herstellern und dem Wireless Power Consortium hat sich Conrad Electronic entschlossen, für das Wireless Charging nur noch Qi-zertifizierte Ladegeräte in das Produktsortiment aufzunehmen. 

Dadurch haben unsere Kunden die absolute Sicherheit, dass ein Qi-zertifiziertes Smartphone problemlos mit dem Qi-Charger funktioniert. Das Smartphone wird optimal geladen und alle sicherheitsrelevanten Aspekte werden ebenfalls berücksichtigt. Das gibt beim Wireless Charging unseren Kunden aber auch uns stets ein gutes Gefühl.



Weitere Entwicklung beim kabellosen Laden

Das kabellose und sichere Laden von Handy-Akkus mit Qi ist im Moment lediglich die Spitze des Eisberges. Wireless Charging bzw. drahtloses Laden hat noch weit mehr Potential. Zum Beispiel wird es in Zukunft im Küchenbereich nicht mehr erforderlich sein Mixer, Toaster und Co per Netzkabel an eine Steckdose anzuschließen. Die Geräte werden kabellos und mit intelligenter Ladetechnik (Standard Ki Cordless Kitchen) ausgestattet sein. Man stellt sie dann lediglich auf eine Markierung auf der Arbeitsfläche und die Stromversorgung erfolgt dann per Induktion. 

Aber auch bei Elektroautos oder E-Bikes steht kabelloses Laden auf der Entwicklungsanforderung. Da aber hier wesentlich höhere Leistungen übertragen werden müssen, wird die technische Umsetzung wohl noch etwas auf sich warten lassen. Aber trotzdem wird drahtloses Laden mit Qi-Ladetechnik bereits in naher Zukunft immer mehr zum Standard werden.

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