Kabellos Laden per Induktion. Von der Theorie zur selbstgewickelten Spule – ein DIY Wireless Charging Projekt für die Handy-Halterung.
Das Prinzip
Wireless Charging basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, das Michael Faraday bereits 1831 entdeckte. Wenn Strom durch eine Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld um diese Spule herum.
Bringt man eine zweite Spule in dieses wechselnde Magnetfeld, wird in ihr eine Spannung induziert – es fließt Strom, ohne dass die Spulen sich berühren müssen. Genau dieses Prinzip nutzen wir zum kabellosen Laden.
Die Sendespule im Ladegerät erzeugt ein hochfrequentes Wechselfeld (ca. 100-200 kHz), die Empfängerspule im Handy wandelt es zurück in Gleichstrom für den Akku.
Grundlagen
Die Primärspule erzeugt das magnetische Wechselfeld. Sie wird mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist und sollte möglichst flach und großflächig sein für gute Kopplung.
Die Sekundärspule im Gerät nimmt das Magnetfeld auf und wandelt es in elektrische Energie um. Je besser die Ausrichtung zur Sendespule, desto effizienter die Übertragung.
Durch Kondensatoren werden Sende- und Empfangskreis auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt. Das maximiert die Energieübertragung und minimiert Verluste.
Theorie
Die Induktivität beschreibt, wie gut eine Spule ein Magnetfeld aufbauen kann. Je höher die Induktivität, desto mehr Energie kann im Magnetfeld gespeichert werden. Für Wireless Charging brauchen wir typischerweise Werte zwischen 6 und 15 µH (Mikrohenry).
Angenommen wir wickeln eine Spule mit 12 Windungen, einem mittleren Durchmesser von 40 mm und einer Wicklungsbreite von 10 mm:
Das ist etwas zu viel für Qi! Wir könnten die Windungszahl auf 8 reduzieren, dann bekommen wir etwa 10 µH – perfekt für 15W Laden.
Die Resonanzfrequenz ist der Schlüssel für effiziente Energieübertragung. Bei dieser Frequenz schwingen Spule und Kondensator perfekt zusammen – wie eine Schaukel, die man im richtigen Moment anstößt. Der Qi-Standard arbeitet bei 100-205 kHz, typischerweise um 150 kHz.
Wir haben eine 10 µH Spule und wollen bei 150 kHz arbeiten. Welchen Kondensator brauchen wir? Dafür stellen wir die Formel um:
Wir brauchen also einen ~100 nF Kondensator (oder mehrere kleinere parallel). In der Praxis nimmt man oft 100 nF + Feinabstimmung mit kleineren Werten.
Der Kopplungsfaktor k beschreibt, wie gut das Magnetfeld von der Sendespule zur Empfangsspule "übergreift". Er liegt zwischen 0 (keine Kopplung) und 1 (perfekte Kopplung). Bei Wireless Charging erreichen wir typischerweise 0.3 bis 0.6 – je nach Abstand und Ausrichtung der Spulen.
Ein Kopplungsfaktor von k = 0.5 bedeutet, dass etwa 50% des magnetischen Flusses von der Sendespule auch durch die Empfangsspule geht.
So verbesserst du die Kopplung:
Bei einem Wirkungsgrad von 80% und einer Sendeleistung von 20W kommen also etwa 16W am Handy an – der Rest wird zu Wärme.
Zusammenfassung
Zwei Spulen übertragen Energie durch ein gemeinsames Magnetfeld. Die Kunst liegt darin, beide Seiten auf die gleiche Frequenz abzustimmen und die Spulen möglichst gut auszurichten.
Schau dir meine anderen Hardware- und Elektronik-Projekte an oder folge mir auf Instagram für Updates.