Planaire spoel
Een planaire spoel is een spoel die niet om een staafje of buisje is gewikkeld, maar plat is uitgevoerd: als een spiraal in één plat vlak. Denk aan het verwarmingselement van een ouderwetse elektrische kookplaat, dat spiraalvormig in een cirkel ligt gewikkeld, in plaats van als een springveer die je optilt. Zo'n platte spiraal van geleidend materiaal — meestal koper — kan precies dezelfde elektrische eigenschappen hebben als een klassieke, driedimensionale spoel, maar dan in een dunne, vlakke vorm.
Dat plat maken is niet zomaar een kwestie van vormgeving. Een planaire spoel kan met dezelfde technieken worden gemaakt als een printplaat (het groene plaatje vol koperbaantjes in elk elektronisch apparaat), wat hem goedkoop, dun en in grote aantallen identiek maakbaar maakt. Daardoor duikt de planaire spoel op in heel uiteenlopende technologie: van het draadloze oplaadkussen onder je telefoon tot piepkleine sensoren en zelfs medische implantaten.
Wat is het precies?
Een spoel is in de basis simpel: een gewikkelde draad waar stroom doorheen loopt, wekt een magnetisch veld op. Verandert dat veld, dan kan een tweede spoel in de buurt daardoor zelf ook stroom gaan geleiden — zonder dat er een fysieke verbinding is. Dat principe heet elektromagnetische inductie en is de basis van onder meer transformatoren, draadloze laders en contactloze sensoren.
Bij een klassieke spoel wordt draad om een kern gewikkeld, zoals bij een rol garen. Bij een planaire spoel wordt in plaats daarvan een spiraalvormig spoor geëtst of gedrukt op een plat oppervlak, net zoals de koperbaantjes op een printplaat worden gemaakt. Het spoor begint in het midden van de spiraal en loopt naar buiten, of andersom.
Omdat een enkele platte spiraal minder windingen kan bevatten dan een dik opgerolde draad, worden planaire spoelen vaak in meerdere lagen boven elkaar gemaakt. Dunne doorverbindingen, vias genoemd (kleine gaatjes die lagen elektrisch verbinden), koppelen die lagen aan elkaar tot één doorlopende spiraal. Zo kun je toch voldoende windingen krijgen zonder dat de spoel dik wordt.
De fabricage kan met standaard printplaattechniek, maar ook met dunnefilmtechnieken zoals die in de chipindustrie worden gebruikt, of met geleidende inkt die op flexibel materiaal wordt gedrukt. Die laatste variant maakt spoelen mogelijk die meebuigen met kleding of huid.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter planaire spoelen is miniaturisatie en kostenreductie. Waar een gewikkelde spoel met de hand of met speciale wikkelmachines gemaakt moet worden, kan een planaire spoel in hetzelfde geautomatiseerde proces worden geproduceerd als de rest van de elektronica. Dat maakt massaproductie eenvoudiger en goedkoper, en de afmetingen zeer nauwkeurig herhaalbaar — belangrijk als duizenden exemplaren precies hetzelfde moeten presteren.
Daarnaast is dunheid vaak op zichzelf het doel: in een smartphone, een smartwatch of een medisch implantaat is simpelweg geen ruimte voor een dikke, gewikkelde spoel. Een platte spoel kan direct op of naast andere elektronica worden geïntegreerd, wat het ontwerp compacter maakt.
Voor toepassingen als draadloos opladen en contactloze sensoren speelt ook uitlijning een rol: een vlakke, goed gedefinieerde spoel maakt het makkelijker om twee spoelen — bijvoorbeeld in een telefoon en een oplaadkussen — consistent tegenover elkaar te positioneren, wat de energieoverdracht efficiënter maakt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is de Qi-standaard voor draadloos opladen, ontwikkeld door het Wireless Power Consortium (WPC), dat in 2008 werd opgericht. In vrijwel elk Qi-laadkussen en in de meeste moderne smartphones zit een platte, gewikkelde koperspiraal die energie overdraagt via een schommelend magnetisch veld.
Apple bouwde in 2020 met MagSafe (geïntroduceerd bij de iPhone 12) een ring van magneten rond een planaire laadspoel, zodat telefoon en lader zichzelf precies uitlijnen voor een stabielere en efficiëntere energieoverdracht.
In de medische wereld gebruiken fabrikanten van cochleaire implantaten, zoals het Australische Cochlear Ltd en het Oostenrijkse MED-EL, al decennialang platte spoelen om via de huid heen — zonder kabel door de huid — stroom en signalen over te dragen tussen een uitwendig spraakprocessortje en het inwendige implantaat.
Voor het draadloos opladen van elektrische auto's ontwikkelde Qualcomm het systeem Halo, met grote planaire spoelen ingebouwd in het wegdek of een oplaadplaat op de vloer van een garage. De bijbehorende technologie werd in 2019 overgenomen door WiTricity, een bedrijf dat voortkwam uit onderzoek aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Onderzoeksinstituten zoals de Fraunhofer-instituten in Duitsland experimenteren met gedrukte, flexibele planaire spoelen op textiel en folie, bedoeld voor draagbare elektronica en pleisters die vitale lichaamsfuncties meten zonder batterij, doordat ze draadloos van energie worden voorzien.
Hoe ver is de techniek?
Voor consumentenelektronica is de technologie volwassen: draadloos opladen via planaire spoelen zit inmiddels in miljarden telefoons, oordopjes-cases en accessoires, en de Qi-standaard is wereldwijd de norm. Fabricage via printplaattechniek is goedkoop en betrouwbaar.
Bij grotere vermogens, zoals het draadloos opladen van auto's, is de techniek werkend maar nog niet wijdverspreid. Het rendement daalt sterk zodra de spoelen niet precies boven elkaar liggen of verder uit elkaar staan, en de systemen zijn duurder dan een gewone stekker. Pilots met wegdek dat elektrische voertuigen tijdens het rijden oplaadt, lopen onder meer in Zweden en Duitsland, maar grootschalige uitrol is er nog niet.
Op microschaal — sensoren, chips, kleine implantaten — loopt de technologie tegen natuurkundige grenzen aan: hoe kleiner de spoel, hoe hoger de elektrische weerstand en hoe meer energie verloren gaat als warmte. Bij hoge frequenties speelt bovendien het zogeheten skin-effect op, waarbij stroom vooral aan de buitenkant van een geleider gaat lopen, wat het rendement verder beperkt. Onderzoekers zoeken naar betere materialen en spoelvormen om dat te verminderen.
Flexibele en gedrukte planaire spoelen op textiel of huid zijn het minst volwassen: hier gaat het nog vooral om laboratoriumonderzoek en kleine pilotproducten, met uitdagingen rond duurzaamheid (bestand tegen wassen en buigen) en reproduceerbaarheid.
Wie werken eraan?
Grote leveranciers van elektronicacomponenten zoals het Duitse Würth Elektronik, het Japanse Murata en het eveneens Japanse TDK produceren kant-en-klare planaire spoelen en transformatoren voor de elektronica-industrie. Op het gebied van draadloos vermogen zijn WiTricity (Verenigde Staten, voortgekomen uit MIT-onderzoek) en de branchevereniging Wireless Power Consortium leidend in standaardisatie en technologieontwikkeling.
In de auto-industrie werkten Qualcomm en later WiTricity aan inductief laden voor elektrische voertuigen; verschillende Duitse en Zweedse partijen testen wegdek met ingebouwde spoelen. Op onderzoeksgebied zijn de Fraunhofer-instituten in Duitsland en groepen aan universiteiten als Imperial College London actief met flexibele en gedrukte varianten.
In de medische sector ontwikkelen bedrijven als Cochlear Ltd (Australië), MED-EL (Oostenrijk) en Medtronic (Verenigde Staten) planaire spoelen voor implantaten. Ook Nederlandse chipbedrijven als NXP Semiconductors leveren de aansturingselektronica die nodig is om planaire laadspoelen efficiënt te laten werken.