Qi-Standard - für induktives Laden
Aktualisiert: 01.08.2022 | Lesedauer: 9 Minuten
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 das mobile Endgerät so viel Energie geladen, dass zumindest ein kurzes Gespräch geführt werden kann. Aber was ist, wenn das Ladekabel mit dem dazugehörigen Netzteil nicht greifbar ist? Da wäre es praktisch, wenn das Smartphone überall geladen werden könnte. Und genau das funktioniert mit kabellosem Laden.
Wie ein kabelloses Ladegerät oder auch Wireless Charger funktioniert und was der Qi Standard ist, wollen wir in unserem Ratgeber näher erklären.
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 nachsehen, wie der Micro-USB Stecker des Ladegerätes 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 Stecker und 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.
Den Ladestrom für z.B. ein Smartphone kann man nicht so einfach über die Luft übertragen, denn Luft ist für den Strom ein elektrischer Isolator. Doch genauso wie Funkwellen von Radio- oder Fernsehsendern durch die Luft übertragen werden, kann auch Energie übertragen werden. 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.
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.
Kombination beider Grundprinzipien
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.
So clever die Idee des induktiven Ladens mobiler Geräte 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 der Ladestation geraten, darf die Ladestation 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 Standard, dass jeder Hersteller bei der Umsetzung eines Wireless Chargers seinen eigenen Weg geht. Deshalb kann es sehr leicht vorkommen, dass der induktive Ladevorgang nicht oder nur unzureichend stattfindet, wenn die Ladestation und das 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 kabellose 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.
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 weitere 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 bzw. eines QI-Ladegerätes. 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 kabellosen Aufladen zu minimieren.
Hersteller von induktiven Smartphone-Ladegeräten können für ihre Wireless Charger beim WPC eine Zertifizierung beantragen. Dazu prüfen autorisierte und unabhängige Testlabore die ladegeräte, in wieweit die strengen Vorgaben des Qi-Standards von den Wireless Chargern eingehalten werden. Dabei werden die produktspezifischen Eigenschaften in Punkto Sicherheit, Interoperabilität und Benutzerfreundlichkeit genauestens getestet. Wenn der Wireless Charger alle Vorgaben des Qi-Standards vollumfänglich erfüllt, darf die Ladestation als Qi-zertifiziertes Produkt das Qi-Logo tragen. Dadurch ist sichergestellt, dass alle Qi-zertifizierten Produkte untereinander kompatibel sind und kabellos perfekt miteinander funktionieren. Anwendende Personen können ihr Qi-fähiges Smartphone bedenkenlos auf jedes Qi-zertifiziertes Ladegerät legen ohne befürchten zu müssen, dass das Telefon auf der Ladestation 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.
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.
Das kabellose und sichere Laden von Handy-Akkus mit Qi Technologie ist im Moment lediglich die Spitze des Eisberges. Denn kabelgebundene Ladegeräte oder Ladestation mit Micro-USB Kabel werden vermutlich früher oder später durch kabellose Ladegeräte vollständig abgelöst werden. Dafür bieten die kabellosen Qi-Ladegeräte die besten Voraussetzungen.
Doch 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 Wireless Charging mit Qi-Ladetechnik bereits in naher Zukunft immer mehr zum Standard werden.
Woher weiß ich, ob mein Handy für ein Qi-Ladegerät geeignet ist?
Ob das Handy mit einem Qi-Ladegerät kabellos geladen werden kann, muss im Zweifelsfall auf der Webseite des Herstellers oder im Produktdatenblatt nachgelesen werden. Falls dies nicht möglich ist, sind im Internet auf diversen Seiten Übersichten zu finden, bei denen alle Handys aufgelistet sind, die kabellos an einem Qi-Ladegerät betrieben werden können.
Kann ich ein Qi-fähiges Handy an jedem Wireless Charger aufladen?
Das geht nur dann, wenn der Wireless Charger auch den QI-Standard unterstützt. Wenn die kabellose Ladestation bzw. der Wireless Charger den Qi-Standard nicht unterstützt, ist ein Aufladen nicht empfehlenswert.
Was kann ich machen, wenn mein Handy nicht Qi-fähig ist?
Mittlerweile bieten einige Hersteller für bestimmte mobile Geräte Qi-Nachrüst-Kits an. Diese Qi-Receiver werden einfach an der Ladebuchse des Handys angeschlossen und an der Rückseite befestigt. Zum Teil besteht auch die Möglichkeit den schmalen Receiver zwischen Handy und Schutzhülle zu platzieren. Doch dann kann es u.U. zu Problemen beim kabellosen Aufladen kommen.
Hat das kabellose Laden auch Nachteile?
Es gibt auch einige kleine Nachteile, wenn kabellos geladen wird. Da die kabellose Energieübertragung nicht so effizient wie ein Ladekabel ist, dauert der Ladevorgang deutlich länger. Zudem muss das Handy auf der Ladeschale aufliegen und kann demzufolge nicht oder nur im sehr begrenzten Umfang genutzt werden.