Wie versorgt ein Telefon einen Tag ohne Batterie?
Das Lesegerät treibt seine eigene Spule mit einem Wechselstrom bei 13,56 MHz, was ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der Tag liegt in diesem Feld, und über seiner eigenen Spule wird eine Spannung induziert. Gleichgerichtet versorgt diese Spannung den Chip. Der Tag speichert keine Ladung und tut außerhalb des Feldes überhaupt nichts.
Was physisch in einem Tag steckt
Zieht man einen Aufkleber auseinander, findet man drei Dinge: eine Kunststofffolie, eine flache Spirale aus Aluminium oder Kupfer, die darauf gedruckt ist, und ein Siliziumkorn, kleiner als ein Sesamkorn, das über die beiden Enden dieser Spirale gebondet ist. Sonst nichts. Keine Batterie, kein Kondensator, der eine Ladung hält, keine Uhr, die still in einer Schublade weiterläuft.
Die Spirale ist die Antenne. Sie ist gewissermaßen auch das Netzteil.
Ein Transformator mit Luft zwischen den Wicklungen
Wenn Sie ein Lesegerät annähern, wird dessen Spule mit einem Wechselstrom bei 13,56 MHz getrieben. Ein sich ändernder Strom in einer Spule erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld um sie herum. Ein sich änderndes Magnetfeld, das durch eine zweite Spule tritt, induziert in dieser eine Spannung. Das ist Induktion, derselbe Effekt, der einen Transformator funktionieren lässt.
Der einzige Unterschied ist, dass ein Transformator einen Eisenkern hat, der fast das gesamte Feld durch die zweite Wicklung zwingt, während hier die beiden Spulen durch Luft, eine Telefonhülle und das getrennt sind, worauf der Tag klebt. Der Anteil des Feldes, der den Tag erreicht, ist klein, und er bricht schnell weg, sobald sich die Spulen entfernen.
Das ist nicht dasselbe wie kabelloses Laden
Kabelloses Laden nutzt dasselbe Prinzip in anderem Maßstab, es bewegt Watt statt Mikrowatt, bei einer viel niedrigeren Frequenz und mit Spulen, die fast aufeinanderliegen sollen. Die beiden Systeme stören einander, weshalb ein Tag auf einer Ladeschale oft nicht mehr lesbar ist.
Was der Chip mit der Energie macht
Die induzierte Spannung ist eine Wechselspannung, der Chip richtet sie also gleich und regelt sie zu einer Versorgungsspannung. Erst danach läuft überhaupt etwas. Der Chip startet, wartet auf einen Befehl des Lesegeräts und antwortet.
All das muss in dem Sekundenbruchteil geschehen, in dem Ihre Hand das Telefon stillhält. Es ist schnell genug, dass Sie es nie bemerken, aber es ist auch der Grund, warum eine zu flüchtige Berührung nichts liefert: Der Chip muss lange genug versorgt sein, um den Austausch abzuschließen, und nicht bloß kurz berührt werden.
Warum es abrupt versagt statt allmählich
Die Kopplung im Nahfeld schwächt sich mit der Entfernung außerordentlich schnell ab. Den Abstand zu verdoppeln halbiert nicht die Energie, die den Tag erreicht, es lässt sie zusammenbrechen.
Unterhalb einer Schwelle erreicht der Chip seine Betriebsspannung schlicht nie. Es gibt keinen eingeschränkten Betrieb, kein langsameres Lesen, keine Teilantwort. Der Tag wacht auf und antwortet, oder es geschieht gar nichts. Das ist das Verwirrendste an NFC für alle, die WLAN gewohnt sind, wo ein schwaches Signal immer noch etwas liefert.
Es heißt auch, dass es den Zustand „fast funktionierend“ nicht gibt. Wird ein Tag mal gelesen und mal nicht, liegt er genau auf dieser Schwelle, und die Abhilfe ist, die Geometrie zu ändern, statt es fester zu versuchen.
Was daraus folgt, keine Batterie zu haben
Ein passiver Tag kostet ein paar Cent, übersteht Jahre ungenutzt, braucht keine Wartung und lässt sich weder abschalten noch leeren. Diese vier Eigenschaften sind der Grund, warum NFC auf Karten, Plakaten und Verpackungen gelandet ist und nicht Bluetooth.
Der Preis dafür ist, dass alles, was der Tag tut, in die Energie passen muss, die das Lesegerät in diesem Augenblick liefert. Es läuft kein Sensor im Hintergrund, keine Uhr, kein Protokoll früherer Lesevorgänge, es sei denn, man fügt eine Batterie hinzu, was das Objekt in etwas völlig anderes verwandelt.
Häufige Fragen
Verbraucht sich ein Tag mit der Zeit durch das Lesen?
Nein. In einem gewöhnlichen Tag gibt es nichts, was sich verbrauchen könnte. Der Chip läuft nur, solange er im Feld eines Lesegeräts ist, und ist die übrige Zeit völlig untätig. Verschleiß entsteht durch Schreiben, nicht durch Lesen, und auch dann erst nach sehr vielen Schreibzyklen.
Lässt sich ein Tag mit einem stärkeren Lesegerät aus größerer Entfernung versorgen?
Nur unwesentlich. Vorschriften begrenzen, wie viel Feld ein Lesegerät erzeugen darf, und die Kopplung im Nahfeld fällt so schnell ab, dass selbst eine große Leistungssteigerung kaum Entfernung bringt. Die Tag-Antenne zu vergrößern hilft weit mehr, als das Lesegerät härter zu treiben.
Warum funktioniert mein Tag an einem Telefon und am anderen nicht?
Telefone unterscheiden sich in Antennengröße, Antennenlage und darin, wie viel Feld sie erzeugen. Ein Tag, der dicht an der Kopplungsschwelle liegt, überschreitet sie an einem Gerät und am anderen nicht. Der Tag ist nicht defekt, er ist grenzwertig.
Muss der Tag auch zum Beschreiben versorgt werden, nicht nur zum Lesen?
Ja, und Schreiben braucht etwas mehr Energie als Lesen, dazu über eine längere Zeit. Ein Tag, der am Rand seiner Reichweite zuverlässig gelesen wird, kann an derselben Stelle einen Schreibvorgang verweigern.