Multidomain-Oszilloskop

Worauf bei der Entwicklung des kabellosen Ladesystems Qi zu achten ist

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Von der Theorie in die Praxis mit dem RTM2000

Am Beispiel des R&S RTM2000 zeigen wir, wie sich das theoretisch beschriebene in der Praxis umsetzen lässt. Im Selektionsmodus, de facto ein energiesparender Leerlauf, sendet die Ladestation regelmäßig analoge Pings aus und beobachtet so ihre Umgebung.

Das Bild 2 zeigt das Ping-Signal in drei unterschiedlichen Darstellungen. Stellt die Ladestation beispielsweise durch die Änderung des induktiven Feldes ein Objekt in ihrer Nähe fest, wechselt sie in den Ping-Modus. Während dieser Phase sendet die Ladestation digitale Pings aus. So stellt sie fest, ob es sich um ein sich näherndes Smartphone oder ein anderes metallisches Objekt handelt. Werden die Pings vom Smartphone beantwortet, wechselt die Ladestation in den Identifizierungs- und Konfigurationsmodus. Bei einer ausbleibenden Antwort, beispielsweise durch ein Geldstück, fällt die Station zurück in den Leerlauf.

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Danach schließt sich die Identifizierungs- und Konfigurationsphase an, gefolgt vom Energieübertragungsmodus. Dabei handeln Ladestation und Smartphone zuerst Rahmenbedingungen wie die benötigte Energiemenge aus, stellen diese ein und regeln sie gegebenenfalls nach. Die genaue Implementierung um die Energiemenge zu steuern ist im Standard nicht festgelegt, es haben sich aber drei Verfahren etabliert:

  • Frequenzgesteuert: Durchstimmen der Resonanzfrequenz beeinflusst die Strommenge in der Ladespule und damit die übertragene Energie.
  • Tastverhältnisgesteuert: Am Wechselrichter wird das Tastverhältnis gemäß der benötigten Energie angepasst.
  • Spannungsgesteuert: Anpassung der an der Ladespule anliegenden Spannung.

Mit der Spezifikation lässt sich zudem die parallele Implementierung verschiedener Verfahren anwenden.

Den Aufbau der Energieübertragung charakterisieren

Bei der Charakterisierung von frequenzgesteuerten Designs sind zwei Aspekte zentral. Erstens werden verschiedene Zeitintervalle beim Aushandeln des Energieübertragungsvertrags eingehalten. Darin enthalten sind unter anderem bestimmte Mindestabstände zwischen zwei Kommunikationsvorgängen und das rechtzeitige Abschalten der Leistungsübertragung in Fehlerfällen. Zwar liegen die Zeiten im vergleichsweise langen Millisekundenbereich, ihre Nichteinhaltung führt aber oft zu Fehlfunktionen.

Zweitens ist eine hohe Messdynamik nötig, um die schwächeren Amplitudenumtastungsmodulationssignale (Amplitude Shift Keying, kurz ASK) der Kommunikation zu messen. Ist die Verbindung aufgebaut, führen Abweichungen in den Spannungspegeln oft zu Kompatibilitätsproblemen. Die Einhaltung der spezifizierten Pegel ist außerdem vorteilhaft für die Energieeffizienz. Diese wird unter anderem von verschiedenen Energieeffizienzstandards wie dem EnergyStar gefordert.

Ein genaues Verständnis, wie die Trägerfrequenz fc in Frequenz und Magnitude angepasst wird, ist essentiell, um eine hohe Energieeffizienz des Ladevorgangs zu erreichen. Denn diese wird stark durch die Dimensionierung und die Wahl der Spulenmaterialien beeinflusst. Das Oszilloskop von Rohde & Schwarz zusammen mit der Spektrumanalyse- und Spektrogrammoption erlaubt es, die fc-Anpassung während des Handshake-Prozesses präzise zu analysieren. Durch die hohe Messdynamik des Oszilloskops kann zunächst das schmale ASK-Modulations-Signal auf dem vergleichsweise großen 20 Vpp–Träger gemessen werden (Bild 3).

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