Drahtlose Energie-Übertragung im Kleinen

Magnetische und elektrische Felder enthalten Energie, wie eingangs erwähnt, doch wie viel Energie bzw. welche Leistung sich damit übertragen lässt, hängt nicht nur von der Feldstärke ab, sondern auch davon, wie oft man die Felder pro Zeiteinheit füllt und wieder entleert, also von der Frequenz des Wechselfeldes.

Schon lange bekannt: Die elektrische Zahnbürste

Im Prinzip stellt schon jeder normale Transformator eine »drahtlose« Übertragung elektrischer Energie dar, denn auch hier wird – im Zuge galvanischer Trennung – die Energie durch eine Drahtspule in ein magnetisches Feld übertragen und von dort mit einer weiteren Drahtspule wieder entnommen. Von »drahtlos« oder »nicht leitungsgebunden« spricht man aber frühestens dann, wenn beim Transformator der Kern weggelassen wurde, um die Spulen so anbringen zu können, dass man sie im »bestimmungsgemäßen Gebrauch ohne Werkzeug«, wie es in einer entsprechenden Norm ausgedrückt würde, voneinander trennen kann. Ein altbekanntes Beispiel hierfür ist die elektrische Zahnbürste. Die Primärwicklung befindet sich hierbei im Sockel der Ladestation und die Sekundärwicklung höchstens einige Millimeter darüber in dem Handteil (Bild 6 bzw. Bild 7). So erreicht man, dass der größte Teil des Primärfeldes auch die Sekundärwicklung durchsetzt und in dieser, entsprechend dem Induktionsgesetz, proportional zur Änderungs-Geschwindigkeit des Flusses in jener, eine Spannung erzeugt. Die Änderungs-Geschwindigkeit ist umso höher, je höher der Scheitelwert des Flusses und je höher die Frequenz. Eine Andeutung von Kern in Form eines Dorns oder Stiftes lässt sich so immer noch in dem System unterbringen (Bild 8). Dies ermöglicht einen stärkeren magnetischen Fluss mit weniger elektrischem Strom und entsprechend geringere ohmsche Verluste in beiden Spulen. Es muss schon mit einer höheren Frequenz gearbeitet werden als das Netz sie bietet, um die für das Aufladen des Akkumulators im Handteil nötige – wenn auch bescheidene – Leistung durch so kleine Spulen zu übertragen.

Die Vorteile dieser Technik liegen wort-wörtlich auf der Hand, wo man nicht mehr mit irgendeiner Form von Anschlussleitung hantieren muss, doch welchen energetischen Wirkungsgrad hat nun diese Art der Übertragung? Dies lässt sich kaum sagen, da die Leistungsaufnahme zumindest dieser Ladestation immer gleich ist, egal, ob sie etwas aufzuladen hat oder nicht. Der Akkumulator hat eine Kapazität von etwa 3 Wh, und eine Aufladung dauert 16 Stunden. Damit betragen die Netto-Ladeleistung um 0,2 W und der Wirkungsgrad während des Ladens knapp 15%. Berauschend ist etwas Anderes. Dass bei einer angenommenen Benutzung von 10 Minuten täglich, was schon hoch gegriffen ist, und einem »Dauerbetrieb« der Ladestation, also keiner Trennung vom Netz, ausgeht, was realistisch ist, ergibt sich ein Jahreswirkungsgrad von unter 0,5%, doch das ist leider »normal« und hat wenig mit der drahtlosen Technik zu tun. Mit einer Draht- oder Kontaktverbindung zum Nachladen des Akkus sähe es nicht viel besser aus. Die hier zu stellende Frage ist die nach der »Gegenleistung« der Ladestation, die sie für ihre 1,3 W Dauerverbrauch zu bieten hat, und ob sich dieser nicht durch relativ geringfügige technische Verbesserungen beispielsweise auf ein Zehntel reduzieren ließe. Allerdings dauert es auch ohne dies etwa 25 Jahre, ehe die Energiekosten den Kaufpreis eingeholt haben. Auf diesem Gebiet gibt es – oder gab es früher – weitaus Schlimmeres. Viel ist hier schon erreicht worden, nicht zuletzt dank wirksamer EU-Regelungen. Die teuren Ersatzbürsten verursachen eindeutig den größeren Teil der Betriebskosten.

Bild 6: Ob diese elektrische Zahnbürste nun aufgeladen wird…

Die drahtlose Art der Energie-Übertragung darf man hier also als echten Fortschritt mit relativ großem Zugewinn an Komfort und Handlichkeit ansehen. Schwer wiegende Nachteile gibt es nicht – abgesehen davon, dass solche Geräte relativ teuer sind, aber was heißt schon relativ? Im Vergleich zu was denn auch? Eine alternative Technik mit Verbindungsleitung zum Handteil wird auf dem Markt gar nicht angeboten. Vermutlich wäre die Ersparnis relativ gering. Nur ist diese Form der Drahtlos-Technik seit Jahrzehnten verfügbar und stellt somit nicht gerade eine Innovation dar. Deswegen muss sie sich auch nicht mittels irgendwelcher Klimmzüge als »Energie sparend« profilieren.

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Neu: Kontaktloses Aufladen von Mobiltelefonen

Diskutiert wird zur Zeit jedoch heftig, diese Technik auch für Mobiltelefone und ähnliche Kleingeräte anzubieten, die ebenfalls ausschließlich mit Akkumulatoren und nicht mit direkter Versorgung aus der Steckdose angeboten werden. Besondere Attraktivität erlangte dieser Gedanke durch das »Steckerchaos«, das es zu einem Hauptgewinn werden lässt, sollte es jemals gelingen, ein Telefon mit einem anderen als dem mitgelieferten Ladegerät aufzuladen.

Kein Bedarf für Normung?

Ins Stocken geraten ist die neue Entwicklung dadurch, dass die EU auch hier wieder regulierend eingreifen und einheitliche Anschlüsse zum Laden von Kleingeräten einführen möchte. Darüber hinaus wird von den Fortschrittsgläubigen, für die alles Neue selbstredend einen Fortschritt darstellt, gern übersehen, dass auch für das induktive Laden die Festlegung bestimmter Standards erforderlich ist. Wie hoch soll z. B. die Frequenz gewählt werden? Soll sie kontinuierlich zur Verfügung gestellt werden – oder vielleicht getaktet, um eine Kommunikation zum Abnehmer der Energie zu ermöglichen? Vielleicht mit variabler / wechselnder Frequenz zum Zweck der Kommunikation oder aber der Anpassung der Leistung? Oder wird die Leistung über die Intensität des Feldes, also den Erregerstrom im Ladegerät, geregelt? Sinus oder Rechteck? Und kann oder muss das zu ladende Gerät auch zurück zur Station kommunizieren? Kann oder muss das Ladegerät manuell abgeschaltet werden, oder schaltet es sich selbst ab, wenn keine oder nur voll geladene Geräte darauf vorgefunden werden? All dies sind Fragen, die das Leben stellt.

EMV

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist eine weitere. Die Abstrahlung von Feldern unterliegt gesetzlichen Obergrenzen, und im Empfänger ist nicht nur die Spule dem relativ starken Wechselfeld ausgesetzt, sondern auch die restliche Elektronik darin. Verträgt sich dies mit der Funktion, oder ist das Handy während des Aufladens nun nicht mehr empfangsbereit? Was sagen die Elektrosensiblen zu den starken Streufeldern? Was die Station denn tut, während sie nichts zu tun hat, ist nämlich noch unklar. Von zwei konzentrisch übereinander angeordneten Spulen kann hier jedenfalls keine Rede sein, geschweige denn von zwei Spulen gleichen oder ähnlichen Durchmessers und einem Dorn in der Mitte, der die konzentrische Anordnung erzwingt und sogar noch etwas ferromagnetisches Material enthalten kann, wie bei der Zahnbürste. Das macht es für das Prinzip der elektromagnetischen Induktion nach Michael Faraday recht schwierig, noch ein Bisschen Energie von der einen auf die andere Spule zu übertragen – und sei die Frequenz auch noch so hoch. Eine höhere Frequenz würde nämlich auch die induktive Reaktanz linear erhöhen und es der Elektronik entsprechend schwerer machen, den Wechselstrom in die Primärspule hinein zu »drücken«, da nur der kleinere Teil des Flusses durch den vom induzierten Strom in der Sekundärspule hervorgerufenen Gegenfluss wieder aufgehoben wird. Dargestellt wird in entsprechenden Abbildungen vielmehr stets ein Tableau, auf das man in willkürlicher Anordnung ein oder mehrere Geräte zum Aufladen legen kann – alles wieder nur Szenarien, keine marktgängigen Produkte, nur Wunschdenken. Man findet massenweise Webseiten, die versprechen, diese Technik sei (wann? Jetzt, demnächst oder in ferner Zukunft?) kommerziell verfügbar, aber keine, die konkrete Produkte zum Kauf anbietet. Daraus möge jeder Leser seine eigenen Schlüsse ziehen.

Hat nun die Empfängerspule im zu ladenden Gerät, die »Sekundärwicklung«, z. B. 1/10 des Durchmessers der sendenden Spule (»Primärwicklung«), so beträgt die Querschnittsfläche schon nur noch 1/100. Damit gehen rund 99% des erzeugten magnetischen Wechselfeldes ungenutzt ins Leere. Dieser Zustand ist dann zu ertragen, wenn die zu übertragenden Leistungen entsprechend gering sind, also für eine drahtlose PC-Maus, eine Fernbedienung für den Fernseher oder dergleichen. Hier findet man mitunter auch schon Produkte, die diesen Namen verdienen – aber dann handelt es sich immer um jene Anwendungen analog der Zahnbürste mit hautengem Kontakt der Primär- und Sekundärspule oder mit sehr geringem Energie-Bedarf.

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Wirkungsgrad

Bild 9: Aufladen eines Mobiltelefons

Vom Wirkungsgrad dieser Techniken wird noch kaum gesprochen, während sie angepriesen werden (ohne dass man entsprechende Produkte deswegen etwa schon kaufen könnte) – und hier dürfte der Hase schon begraben sein oder der Hund im Pfeffer liegen. Die willkürliche Anordnung bedeutet zwar nicht zwangsläufig, dass sich auch 99% der Energie auf Nimmerwiedersehen im Nirwana verteilen, denn ein von außen ungenutztes magnetisches Wechselfeld speist seine Energie beim Abbau im Prinzip zurück in die Quelle. Wir haben es mit einer Luftdrossel zu tun, also mit Blindleistung. Allerdings liegt der Leistungsfaktor der Übertragung nun bei 0,01. Für 5 W Ladeleistung (Bild 9) muss die sendende Spule also mit einer Scheinleistung von etwa 500 VA beaufschlagt werden. Diese Scheinleistung muss die Elektronik erst einmal aufbringen – technisch überhaupt kein Problem, aber das kostet! Oder das Laden dauert z. B. 5 Mal so lange und erfordert immer noch eine 100-VA-Primärspule. Diese kann zwar dank hoher Frequenz klein bzw. dünn, also mit wenigen Windungen, ausgeführt werden, muss aber, wenn ihr Energieverbrauch nicht unmäßig sein soll, zusätzlich zu ihrem großen Umfang einen großen Drahtquerschnitt aufweisen.

Das konventionelle Ladegerät legt hier, anders als die Zahnbürste, die Latte recht hoch (Bild 10): Der Akkumulator weist eine Ladung von 0,9 Ah bei einer Nennspannung von 3,7 V auf; macht eine Kapazität von etwa 3 Wh. Nach gut 2 Stunden ist er voll. Das Ladegerät hat dazu 8 Wh aus dem Netz aufgenommen, entsprechend einem Wirkungsgrad von 37,5%. Nach dem Laden verbleibt – unerheblich, ob man das Telefon abnimmt oder angeschlossen lässt – nur noch ein Leerlauf-Bedarf des Ladegeräts von 0,16 W (Bild 9)!

Bild 10: Auflade-Vorgang eines Mobiltelefons

Erfordert die praktische Umsetzung der »Drahtlos«-Technik ohnehin schon ziemlich viel Draht, so wird insbesondere hier zum Ersatz eines kurzen, dünnen Drahtes ein besonders langer und besonders dicker Draht fällig. Der Wirkungsgrad wird trotzdem alles andere als berauschend, denn fallen alles in allem, Kupfer plus Elektronik, beispielsweise 10% der Scheinleistung als Verlust an, so wäre dies, hierauf bezogen, schon ein guter Wert; andererseits wäre es schon das 9-Fache der übertragenen Wirkleistung. Dies entspräche im ungünstigsten Fall einem Wirkungsgrad von 10%, bestenfalls aber einem Leistungsfaktor von 0,1. Das ist der zweite Kostentreiber der angedachten Technik. Besonders »grün« wirkt dies alles nicht.

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RFID

Bild 11: Kontaktlose Zeiterfassung bei gleitender Arbeitszeit

»Radio frequency identification« ist eine jener modernen elektronischen Technologien, die schon länger genutzt werden und vom Prinzip her, ohne dass dieses unbedingt so sehr offensichtlich wäre, ebenfalls eine drahtlose Form der Energie-Übertragung darstellen. Sie werden als Diebstahlsicherung an Waren angebracht, dienen als Identifikation von Personen bei der Zutrittskontrolle, zur Zeiterfassung (Bild 11, Bild 12) und vieles mehr. Auch Warenverkehr und Logistik sollen hierdurch zukünftig gesteuert und optimiert werden. Selbst Implantate für Haustiere gibt es. Die Tiere steuern damit automatische »Katzenklappen« in Haustüren, während fremde Tiere fern gehalten werden – also wiederum eine Art der Zutrittskontrolle, hier automatisiert. Der »normale« Weg ist wohl eher die Unterbringung der Erkennungsmarke, des so genannten Transponders, im Halsband, aber Halsbänder können verloren gehen.

Bild 12: So, nichts wie weg hier! 4 Minuten reichen für heute

Auf den verwendeten Transpondern, oft in der Gestalt einer Scheckkarte, aber auch als Schlüsselanhänger und vieles mehr, ist jeweils eine Induktionsspule als Leiterbahn aufgebracht. Sichtbar ist diese in der Regel nicht (Bild 13). Das Prinzip ist einfach: An der zu überwachenden Stelle wird ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Kommt die Spule auf dem Träger in dessen Nähe, so wird darin eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt, die ausreicht, um einen Miniatursender zu speisen, der dann ein Funksignal absetzt.

Bild 13: RFID-Chip – eine von vielen möglichen Ausführungen, doch je kleiner, desto weniger Energie können sie einfangen

Das Problem ist aber das Gleiche wie immer: Nur in geringem Abstand von Sende- und Empfangsspule kann genügend Energie / Leistung übertragen werden. Die Transponder können im Prinzip sehr klein gebaut werden, doch dies ist wieder ein ebenso entscheidender Faktor für die Reichweite.

Will man einen ganzen Menschen überwachen, ihm also beispielsweise das Herausnehmen seines Transponders aus der Tasche ersparen, muss der ganze Mensch eine Induktionsspule durchschreiten. Entsprechend groß muss diese aufgebaut sein. Die Diebstahlsicherungen der großen Bekleidungshäuser sind auch weithin sichtbar. Vielleicht ist dies hier aus Gründen der Abschreckung gewollt, um den potenziellen Tätern schon den Versuch zu verleiden, aber kleiner ginge es auch gar nicht.

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EnOcean

Bild 14: Außen dem Anschein nach ein ganz normaler Unterputz-Lichtschalter …

Ja, das ist oftmals ein Problem, wenn in einem Altbau irgendwelche Elektrik nachgerüstet werden soll, aber nicht gerade eine komplette Renovierung ansteht. Neue Leitungen zu verlegen ist dann praktisch ausgeschlossen. Beispielsweise eine ungesteuerte Beleuchtungsanlage oder einzelne Leuchten steuerbar zu machen ist so aber unmöglich. Sensoren und Aktuatoren anzubringen, die jeder einzeln für sich aus der vorhandenen Netzspannung versorgt werden, sabotiert oftmals die theoretisch erzielbaren Einsparungen durch die unangemessen hohen Umwandlungs-Verluste bei der Erzeugung der Kleingleichspannung aus dem Netz. Da ist guter Rat teuer. Gute Technik zwar auch, aber es gibt sie!

Bild 15: … aber in Wirklichkeit ein Aufputz-Schalter mit eingebautem Miniaturkraftwerk zur nachträglichen Umrüstung, wo »Strippen ziehen« nicht in Frage kommt!

Unter dem Markennamen »EnOcean« bietet ein Konsortium von mittlerweile 107 Firmen Produkte an, die drahtlos miteinander kommunizieren, ohne dafür eine Energiequelle zu benötigen, nicht einmal eine Batterie. Das kann über Solarzellen geschehen, die mit einem Akkumulator gepuffert sind, oder indem man z. B. in einem Lichtschalter ein kleines Kraftwerk einbaut (Bild 14). Den Ausdruck »Kraftwerk« darf man hier wörtlich nehmen: Man übt eine Kraft auf den Schalter aus, dieser gibt nach und bewegt sich, und Kraft mal Weg ist mechanische Energie. Diese wird durch einen Magneten und eine Drahtspule in elektrische Energie umgewandelt. Ein kurzer Impuls reicht wiederum aus, um ein Funksignal abzusetzen. Anfangs setzte man piezokeramische Generatoren ein, doch die Kupferspule hat sich besser bewährt (Bild 15).

Um eine drahtlose Energie-Übertragung handelt es sich hierbei also nicht, aber um eine Lösung, die dennoch ohne einen Leitungsweg zur Energie-Übertragung auskommt. Deswegen muss sie bei diesem Thema mit erwähnt werden.

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Energie für den Lautsprecher?

Es ist schon lange her, dass der – noch nicht einmal werdende – Elektro-Ingenieur sich nichtsdestoweniger in der elterlichen Kellerwerkstatt schon mal auf seine Laufbahn vorbereitete. Wenn man dabei nur, wie sonst im Kinderzimmer, auch den Kopfhörer voller Deep Purple und Uriah Heep tragen könnte! Doch kleine, tragbare Wiedergabe-Geräte waren entweder noch nicht erfunden oder unbezahlbar. Sonst hätte es nachher am nötigen Kleingeld für Widerstände, Elektrolyt-Kondensatoren, Gleichrichter, Thyristoren und dergleichen gefehlt, was der Mensch so braucht. Aber Wickeldraht aus alten Staubsaugern oder der Schrottkiste eines ortsansässigen Kleintrafo-Herstellers war verfügbar, und zum Glück war der Vater bereits ins Transistor-Zeitalter eingestiegen. Die alte Stereo-Anlage, eine Chimäre mit Transistor-Vorstufen und Röhren-Endstufen (2 * 7 W, Leistungsaufnahme 70 W) durfte fortan im Kinderzimmer aufgestellt werden, das genau über der Werkstatt lag. Daran muss man aber nicht notwendigerweise direkt Lautsprecher oder Kopfhörer anschließen. Man kann auch den Wickeldraht 6 Mal rings um das Zimmer ziehen, immer schön sorgfältig auf oder hinter der Fußleiste entlang, hinter den Schränken und unter dem Bett hindurch und an jeder Ecke des Zimmers sachgerecht befestigen, und das Ganze 2 Mal für beide Stereo-Kanäle, um das Signal zu verstärken. Kaum sichtbar, aber wirkungsvoll: Mit einer Drahtspule unbekannter Herkunft, einem ordentlichen Klotz mit näherungsweise einem halben Kilogramm Kupferdraht, die man senkrecht auf die Werkbank legte, konnte man nun in ganz angemessener Lautstärke und recht guter Qualität Musik hören, wenn man einen Kopfhörer daran anschloss, oben die Anlage auf volle Lautstärke stellte und die Ausgangsleistung beider Endstufen in die Wickeldrähte statt in die Lautsprecher einspeiste! Leider zwar nur in Mono, aber für Stereo-Empfang hätte man oben die zweite Spule senkrecht an der Wand anbringen müssen, und das wäre doch zu auffällig gewesen. Die Wiedergabe der Bässe wurde deutlich besser, wenn man einen passenden Streifen Dynamoblech (»I-Bleche« aus einem alten Transformator) in die Kellerspule steckte. Die hohen Töne wurden dadurch seltsamerweise nicht lauter. Die Erklärung dürfte darin liegen, dass bei hohen Frequenzen die Streureaktanz der »Sekundärwicklung« dieses »Transformators«, also der Kellerspule, schon höher war als die Impedanz der Last, des Kopfhörers. Die tiefen Frequenzen kamen also durch den Einsatz des Eisens im annähernd gleichen Maße besser aus der Spule heraus wie sie auch besser hinein kamen. Die hohen hingegen wurden durch das Eisen nahezu so viel stärker gedrosselt wie sie stärker eingefangen wurden. Mit einem Kopfhörer von höherer Impedanz hätte sich die Sache anders angehört.

Im Prinzip aber war damit eine induktive Energie-Übertragung erschaffen, auch wenn der Kopfhörer mit nur 1 mW schon 95 dB(A) schaffte. Das war alles, was von 2 * 7 W noch im Keller ankam, aber die Angelegenheit funktionierte ohne Verstärker, also völlig ohne fremde zusätzliche Energiequelle, lauter als die Polizei erlaubte! Beziehungsweise die Eltern, aber dank dieser Technik bemerkten sie davon nichts – auch wenn der Wirkungsgrad dieser Übertragung vielleicht nur bei 0,01% lag.

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