COILS
Hardware Projekt

Wireless
Charging.

Kabellos laden per Induktion. Von der Theorie zur selbst gewickelten Spule — ein DIY-Wireless-Charging-Projekt für die Handy-Halterung.

15W Ladeleistung
DIY Spule
Qi Standard
Das Prinzip

Wie funktioniert Wireless Charging?

Elektromagnetische Induktion.

Wireless Charging basiert auf einem Prinzip, das Michael Faraday bereits 1831 entdeckte. Wenn Strom durch eine Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld um sie herum.

Bringt man eine zweite Spule in ein wechselndes Magnetfeld, wird in ihr eine Spannung induziert — es fließt Strom, ohne dass sich die Spulen berühren. Genau das 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 Komponenten.

01 — TX

Sendespule

Die Primärspule erzeugt das magnetische Wechselfeld. Sie wird mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist und sollte möglichst flach und großflächig sein für gute Kopplung.

02 — RX

Empfangsspule

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.

03 — Tuning

Resonanz

Durch Kondensatoren werden Sende- und Empfangskreis auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt. Das maximiert die Energieübertragung und minimiert Verluste.

Theorie

Die Berechnung.

Induktivität einer Flachspule L

L = (µ₀ × N² × A) / l

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.

LInduktivität — das Ergebnis in Henry. Für Qi typischerweise im Bereich von Mikrohenry (µH).
µ₀Magnetische Feldkonstante — Naturgesetz mit Wert 4π × 10⁻⁷ H/m. Immer gleich.
NWindungszahl — wie oft der Draht gewickelt ist. Mehr Windungen = quadratisch mehr Induktivität.
AQuerschnittsfläche — die Fläche innerhalb der Spule in m². Größere Spule = mehr Induktivität.
lLänge der Spule — bei Flachspulen entspricht das der Breite der Wicklung.
Beispielrechnung

Angenommen wir wickeln eine Spule mit 12 Windungen, einem mittleren Durchmesser von 40 mm und einer Wicklungsbreite von 10 mm:

// Gegebene Werte N = 12 Windungen d = 40 mm → r = 0.02 m A = π × r² = 0.001257 m² l = 10 mm = 0.01 m // Berechnung L = (4π × 10⁻⁷ × 12² × 0.001257) / 0.01 L ≈ 22.7 µH

Das ist etwas zu viel für Qi. Mit Windungszahl auf 8 reduziert kommen wir auf ca. 10 µH — perfekt für 15 W Laden.

Resonanzfrequenz f

f = 1 / (2π × √(L × C))

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.

fResonanzfrequenz in Hertz. Für Qi: 100 000 – 205 000 Hz.
LInduktivität der Spule in Henry. Die haben wir gerade berechnet.
CKapazität des Kondensators in Farad. Den müssen wir passend zur Spule wählen.
Beispielrechnung

Wir haben eine 10 µH Spule und wollen bei 150 kHz arbeiten. Welchen Kondensator brauchen wir?

// Formel nach C umgestellt C = 1 / (4π² × f² × L) // Einsetzen C = 1 / (4π² × 150 000² × 10 × 10⁻⁶) C ≈ 112 nF

Wir brauchen also einen ~100 nF Kondensator (oder mehrere kleinere parallel). In der Praxis nimmt man 100 nF + Feinabstimmung mit kleineren Werten.

Kopplungsfaktor k

k = M / √(L₁ × L₂)

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.

kKopplungsfaktor (dimensionslos, 0–1). Je höher, desto effizienter die Übertragung.
MGegeninduktivität — beschreibt, wie stark sich die Spulen gegenseitig beeinflussen.
L₁,L₂Induktivitäten beider Spulen. Sollten ähnlich groß sein für gute Kopplung.
Was bedeutet das praktisch?

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:

// Faktoren für bessere Kopplung ✓ Abstand minimieren (< 5 mm optimal) ✓ Spulen gleich groß dimensionieren ✓ Spulen zentriert ausrichten ✓ Ferrit-Abschirmung verwenden ✗ Metall zwischen Spulen vermeiden

Bei einem Wirkungsgrad von 80 % und einer Sendeleistung von 20 W kommen also etwa 16 W am Handy an — der Rest wird zu Wärme.

Zusammenfassung

Das Wichtigste.

Wireless Charging in 30 Sekunden.

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.

Wechselstrom → Wechselfeld Die Sendespule wandelt elektrische Energie in ein pulsierendes Magnetfeld um.
Induktion erzeugt Spannung Das wechselnde Feld induziert eine Spannung in der Empfangsspule.
Resonanz maximiert Effizienz Bei der richtigen Frequenz (100–200 kHz) ist die Übertragung am besten.
Abstand ist kritisch Je näher die Spulen, desto besser die Kopplung und der Wirkungsgrad.

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