die den Alltag mittels kabelloser Energieübertragung erleichtern sollen.

(1)

Jugend forscht

30 Junge Wissenscha ft 97 / / 2013 Junge Wissenscha ft 93 / / 2012

Jugend forscht

30

1 Einleitung

Mobiltelefone, Mp3-Player und andere tragbare Geräte werden von vielen Leu- ten regelmäßig und häufig benutzt und müssen beinahe täglich aufgeladen werden. Fast jedes Gerät, besitzt ein eigenes Ladekabel. Hat man nun mehrere verschiedene Geräte ist ein Kabelsalat die unausweichliche Folge. Ein universelles Ladegerät für alle Typen von Akkus in jedem erdenklichen mobilen Gerät würde den Alltag erleichtern. Man müsste nicht mehr nach dem richtigen Stecker suchen, und die Kabel könnten sich nicht mehr verheddern.

Noch besser wäre es, die Energie kabellos zu übertragen. Dann bräuchte man ein Gerät nur noch hinzulegen, und schon würde es geladen. Auch könnte mehr als ein Akku gleichzeitig mit einer Ladesta- tion geladen werden. Vorrausetzung für solch ein Ladegerät ist die drahtlose Ener- gieübertragung. In dieser Arbeit wurde die induktive Energieübertragung eingesetzt.

Zwei Anwendungsbeispiele wurden ent-

wickelt, die den Alltag mittels kabelloser Energieübertragung erleichtern sollen.

Im Nahfeldbereich gibt es zwei Arten der kabellosen Energieübertragung.

Dieser Nahfeldbereich schließt einen Bereich mit einem Radius von ca. dem 2,5 fachen der Wellenlänge der energie- übertragenden Wellen ein [1]. Es handelt sich dabei einerseits um die induktive Kopplung zwischen Empfänger und Sen- der und andererseits um eine kapazitive Kopplung. Die kapazitive Kopplung ist eine Energieübertragung zwischen zwei Schaltkreisen aufgrund ihrer Ka- pazitäten. Die induktive Kopplung ist die magnetische Beeinflussung naher Stromkreise durch den magnetischen Fluss. Dieses Prinzip wird zum Beispiel in einem Transformator benutzt.

Elektromagnetische Induktion kann entweder durch die Bewegung eines Leiters durch ein Magnetfeld verursacht werden (Generator) oder durch die Veränderung eines Magnetfelds (Trafo, Funk) [2]. Plat-

ziert man einen elektrischen Leiter neben einen Elektromagneten und schaltet den Magneten ein, baut sich um den Elektro- magneten ein Magnetfeld auf. Während der Einschaltphase ändert sich die Stärke des Magnetfelds, und es wird eine Span- nung induziert; ebenso findet dies beim Ausschalten des Magneten statt. Legt man eine pulsierende Gleichspannung (siehe Abb. 1) an einen Elektromagneten an, so baut sich ein Magnetfeld ständig auf und ab. Mit der gleichen Frequenz in der das Magnetfeld schwingt, wird eine Spannung induziert. So lässt sich eine Spannung von dem Elektromagneten auf den nahen elektrischen Leiter über- tragen. Auf diese Weise kann also elek- trische Leistung und Energie übertragen werden.

2 Versuche zur induktiven Kopplung 2.1 Vorversuche

Im Vorversuch verwendete ich zwei Spulen (als Sender und Empfänger) auf je einem Eisenkern als Elektromagnete. An die primäre Senderspule wurde eine Gleich-

Kontaktlose Energieversorgung mobiler Geräte

Kabellose Energieübertragung könnte im Alltag vieles vereinfachen. In dieser Arbeit wird Energie mittels Nahfeldinduktion übertragen. Verschiedene Anwendungen für den mobilen und stationären Alltag wurden entwickelt.

30 Junge Wissenscha ft 97 / / 2013

Jugend forscht

Max Burggraf, *1996 Schule:

Gymnasium Tutzing Eingang der Arbeit:

November 2011

Zur Veröffentlichung angenommen:

Januar 2012

Kabel Ade

(2)

Jugend forscht

31 Young R esear cher

spannung angelegt, die durch einen mechanischen Unterbrecher zu pulsierender Gleichspannnung geformt wurde. Mit dem mechanischen Unterbrecher (Motor mit Nockenrad und Schalter) konnte eine Frequenz von maximal 50-80 Hz erzeugt werden. So wurde ein Rechtecksignal mit langen Phasen einer Gleichspannung generiert (siehe Abb. 1a).

An der sekundären Empfängerspule maß ich die induzierte Spannung und die Stromstärke. Der so erreichte Wir- kungsgrad (Ausgangsleistung/Eingangs- leistung) betrug weniger als 10 % und die maximal induzierte Spannung nur 45 mV.

Eine höhere Frequenz verspricht mehr übertragene Energie, da sich das Ma- gnetfeld öfter ändert. Um eine höhere Frequenz zu erreichen, wurde eine elek- tronisch generierte Wechselspannung an die Senderspule angelegt. Die Wechsel- spannung erzeugt einen Wechselstrom, und dieser Wechselstrom induziert dann eine Wechselspannung in der Empfän- gerspule.

Eine Wechselspannung induziert doppelt so viel Spannung wie eine pulsierende Gleichspannung. Da eine Wechselspan- nung eine sinusförmige Schwingung mit einer sich kontinuierlich ändernden Spannung ist, wird zu jedem Zeitpunkt eine Spannung induziert. Dagegen wird bei einer Rechteckspannung nur zu den Ein- und Ausschaltzeitpunkten eine Spannung induziert.

In dieser Arbeit wurden LC-Schwing- kreise für die kontinuierliche Spannungs- induktion eingesetzt. Ein LC-Schwing- kreis besteht aus einer Spule, zu der ein Kondensator parallel geschaltet ist. Die Frequenz der Schwingung hängt von der Kapazität C des Kondensators und von der Induktivität L der Spule ab. Bei einem

LC-Schwingkreis wird Energie zwischen dem magnetischen Feld der Spule und dem elektrischen Feld des Kondensators periodisch ausgetauscht. Dadurch liegen abwechselnd hohe Stromstärken (Spule) oder hohe Spannungen (Kondensator) vor. Die Frequenz f, mit der sich der Aus- tausch der Energie im ungestörten Fall periodisch wiederholt, beträgt [3]:

zeugt einen Wechselstrom, und dieser Wechselstrom induziert dann eine Wechsel- spannung in der Empfängerspule.

Eine Wechselspannung induziert doppelt so viel Spannung wie eine pulsierende Gleichspannung. Da eine Wechselspannung eine sinusförmige Schwingung mit einer sich kontinuierlich ändernden Spannung ist, wird zu jedem Zeitpunkt eine Spannung induziert. Dagegen wird bei einer Rechteckspannung nur zu den Ein- und Ausschalt- zeitpunkten eine Spannung induziert.

In dieser Arbeit wurden LC-Schwingkreise für die kontinuierliche Spannungsinduktion eingesetzt. Ein LC-Schwingkreis besteht aus einer Spule, zu der ein Kondensator parallel geschaltet ist. Die Frequenz der Schwingung hängt von der Kapazität C des Kondensators und von der Induktivität L der Spule ab. Bei einem LC-Schwingkreis wird Energie zwischen dem magnetischen Feld der Spule und dem elektrischen Feld des Kondensators periodisch ausgetauscht. Dadurch liegen abwechselnd hohe Stromstärken (Spule) oder hohe Spannungen (Kondensator) vor. Die Frequenz f, mit der sich der Austausch der Energie im ungestörten Fall periodisch wiederholt, beträgt [3]:

݂=_{ଶగ√௅஼}^ଵ (1)

Diese Art von Schwingkreis heißt gedämpfter Schwingkreis, da die Amplitude der Schwingungen aufgrund der Schaltungsverluste schon nach kurzer Zeit gleich Null ist. Durch eine periodische Zuführung von Energie in der Frequenz f kann die Schwingung dauerhaft aufrechterhalten werden. Dies gelingt z.B. durch eine Meiß- ner‘sche Rückkopplungsschaltung [4] oder durch eine Rückkopplung mit einem Transistor, der durch die Schwingung aktiviert wird.

Je öfter der Wechselstrom in der Sekunde schwingt, also je größer die Frequenz ist, desto öfter wird eine Spannung und Stromstärke induziert. Dadurch wird auch die empfangene Leistung größer. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sollte ein Gerät gebaut werden, das möglichst hohe Frequenzen erzeugen kann.

2.2 Versuche mit Schwingkreisen

Bei gedämpften LC-Schwingkreisen zeigt sich, dass die Schwingungen zu schnell erlöschen. Ziel war es einen Schwingkreis zu bauen, der durch einen Transistor immer wieder von neuem zum Schwingen angeregt wurde. Damit wurden Frequenzen Diese Art von Schwingkreis heißt ge-

dämpfter Schwingkreis, da die Ampli- tude der Schwingungen aufgrund der Schaltungsverluste schon nach kurzer Zeit gleich Null ist. Durch eine periodische Zuführung von Energie in der Frequenz f kann die Schwingung dauerhaft aufrechterhalten werden. Dies gelingt z. B. durch eine Meißner‘sche Rückkopplungsschal- tung [4] oder durch eine Rückkopp- lung mit einem Transistor, der durch die Schwingung aktiviert wird.

Je öfter der Wechselstrom in der Sekun- de schwingt, also je größer die Frequenz ist, desto öfter wird eine Spannung und Stromstärke induziert. Dadurch wird auch die empfangene Leistung größer.

Um einen möglichst hohen Wirkungs- grad zu erreichen, sollte ein Gerät gebaut werden, das möglichst hohe Frequenzen erzeugen kann.

2.2 Versuche mit Schwingkreisen Bei gedämpften LC-Schwingkreisen zeigt sich, dass die Schwingungen zu schnell erlöschen. Ziel war es, einen Schwingkreis zu bauen, der durch einen Transistor immer wieder von neuem zum Schwingen angeregt wurde. Damit wurden Fre- quenzen bis 400 kHz erreicht. Aber es gelang nicht, hohe Leistungen zu über- tragen. Dies war durch die Verwendung nur eines Transistors bedingt, denn es wurde nur bei jedem positivem Wellen-

berg Energie zugeführt. Der Schwing- kreis war sozusagen immer noch zur Hälfte gedämpft. Soll bei jedem Wellen- berg und jedem Wellental Energie zuge- führt werden, werden zwei Transistoren benötigt. Ein solcher Schwingkreis ist ein Gegentaktoszillator.

Ein Gegentaktoszillator besteht aus einem Schwingkreis und 2 MOSFETs zur Steue- rung der Schwingungen. Die Ansteuerung der MOSFETs erfolgt über eine Mitten- ableitung an der Spule. Bei einem Gegen- taktoszillator ist immer einer der beiden MOSFETs leitend. Sinkt die Spannung an einem der MOSFETs, so steigt die Spannung am anderen. Dadurch ist der Übergang zwischen leitend und sperrend der einzelnen MOSFETs nicht sprung- haft, sondern hat die Form einer Sinus- halbwelle [5] (Schaltplan siehe Abb. 2).

Die Frequenz mit der ein Schwingkreis schwingt, ergibt sich aus Gleichung 1.

Der Kondensator wurde am Gegentakt- oszillator fest verbaut, die Spule dagegen austauschbar, um die Frequenz regeln zu können. Es wurden flache, kurze Spulen, die für die Energieübertragung besser geeignet sind, verwendet. Damit gelang die Übertragung einer ausreichenden Leistung, um eine LED zum Leuchten zu bringen.

Bei der Empfängerspule, die mit einem Verbraucher (z. B. Lampe) verbunden ist, konnte aufgrund der hohen Frequenzen weder die Stromstärke noch die Span- nung gemessen werden. Da diese Mess- werte aber zum Vergleich verschiedener Spulen und zum Auswerten der Energie- übertragung über verschiedene Entfer- nungen benötigt wurden, wurde ein Brü- ckengleichrichter verwendet [7]. Dieser Gleichrichter besteht aus vier Dioden (Schaltplan siehe Abb. 3). Er invertiert den negativen Spannungsanteil und er-

Abb. 1: Nur eine Veränderung der pulsierenden Gleichspannung (rot) verursacht eine induzierte Spannung auf der Empfängerseite b) gleichgerichtete Wechsel- spannung (blau), die gestrichelte Linie ist jeweils die mittlere Spannung. c) Wechselspannung (blau) .

A B C

(3)

Jugend forscht

32 Junge Wissenscha ft 97 / / 2013

zeugt eine pulsierende Gleichspannung.

Der Vorteil eines Brückengleichrichters gegenüber einer einfachen Diode ist der geringe Verlust.

3 Energieübertragung mit Hilfe eines Gegentaktoszillators

Der Versuchsaufbau besteht auf der Senderseite zum einen aus einem vor- geschalteten Spannungsregler und zum anderen aus einem Gegentaktoszillator.

Zum Empfangen wird eine Spule auf die gleiche Höhe zur sendenden Spule gehalten. Die so übertragene Energie wird dann durch einen Brückengleichrichter gleichgerichtet und gemessen. Die Wahl der beiden Spulen war maßgeblich für die übertragene Leistung.

3.1 Einfluss der Induktivität

Die Induktivität einer langen Luftspule (Länge l > Durchmesser D) wird mit folgender Gleichung berechnet [8]:

Abb. 3: Schaltplan eines Brückengleichrichters (Dioden: 1N 4148)

Bei der Empfängerspule, die mit einem Verbraucher (z.B. Lampe) verbunden ist, konnte aufgrund der hohen Frequenzen weder die Stromstärke noch die Spannung gemessen werden. Da diese Messwerte aber zum Vergleich verschiedener Spulen und zum Auswerten der Energieübertragung über verschiedene Entfernungen benö- tigt wurden, wurde ein Brückengleichrichter verwendet [7]. Dieser Gleichrichter besteht aus vier Dioden (Schaltplan siehe Fehler! Verweisquelle konnte nicht ge- funden werden.). Er invertiert den negativen Spannungsanteil und erzeugt eine pulsierende Gleichspannung. Der Vorteil eines Brückengleichrichters gegenüber einer einfachen Diode ist der geringe Verlust.

3 Energieübertragung mit Hilfe eines Gegentaktoszillators

Der Versuchsaufbau besteht auf der Senderseite zum einen aus einem vorgeschalte- ten Spannungsregler und zum anderen aus einem Gegentaktoszillator. Zum Emp- fangen wird eine Spule auf die gleiche Höhe zur sendenden Spule gehalten. Die so übertragene Energie wird dann durch einen Brückengleichrichter gleichgerichtet und gemessen. Die Wahl der beiden Spulen war maßgeblich für die übertragene Leis- tung.

3.1 Einfluss der Induktivität

Die Induktivität einer langen Luftspule (Länge l > Durchmesser D) wird mit folgender Gleichung berechnet [8]:

ࡸ=ࡺ^૛∗^ஜ^૙^∗ஜ_࢒^࢘^∗࡭=_ࡾ^ࡺ^૛

ࡹ

Wobei N die Windungszahl, A der Spu- lenquerschnitt, µ0 und µr Permeabiltäten und RM der magnetische Widerstand der Spule sind.

Bei einer kurzen Spule (l < D), wie hier eingesetzt, ist die Induktivitäts-Berech- nung sehr kompliziert. Näherungsfor- meln [9] für flache Spiralspulen weichen stark voneinander ab und sind sehr un- genau. Häufig werden sie mit spezieller Software numerisch angenähert. In dieser Arbeit wurden die Induktivitäten der Spulen nicht berechnet, sondern experi-

mentell geeignete Kombinationen ermit- telt. Mit Hilfe von vereinfachten Berech- nungen im Internet [9, 10] wurde eine Vorauswahl getroffen. Es konnte gezeigt werden, dass die Leistungsübertragung bei gleicher Induktivität von der Bauwei- se der Spulen abhängig ist.

3.2 Einfluss der Spulengeometrie Es wurden Spulen verwendet, die sich in Windungszahl N, Durchmesser D, Drahtdicke d und Bauform unterschie- den (siehe Abb. 4). In Tabelle 1 sind die jeweiligen Spulenkombination zusam- mengefasst, die die effizientesten Energie- übertragungen ermöglichten.

Bei der Wahl der Kombination der Emp- fänger- und Senderspule erwies es sich als sehr wichtig, dass die beiden Spulen geo- metrisch möglichst gleich sind.

Bei gleicher Induktivität aber unter- schiedlicher Bauweise konnte am klarsten die Abhängigkeit von dem Verhältnis der Windungszahlen von Sender und Emp- fänger zueinander gezeigt werden: So war der erzielte Wirkungsgrad bei einem Verhältnis von 2:4 für Sender zu Emp- fänger maximal. Er wird ein Resonanzfall erzielt. Das heißt, beide Schwingkreise, Sender und Empfänger, schwingen mit derselben Frequenz oder einer gerad- zahligen Harmonischen. In dem hier gezeigten Fall schwingt der Sender mit der doppelten Frequenz wie der Empfän- ger (Sender 2 Windungen; Empfänger 4 Windungen). Die beste Energieübertra- gung mit diesem Versuchsaufbau gelang mit einer runden Senderspule mit zwei Windungen und 95 mm Durchmes- ser. Der Empfänger bestand aus einer baugleichen Spule mit 4 Windungen.

Bei einer Entfernung von nur wenigen Millimetern konnte eine Leistung von bis zu 2,1 Watt übertragen werden. Bei einer Sendeleistung von ungefähr 6 Watt

Abb. 2: Schaltplan des Gegentaktoszillators.

Abb. 3: Schaltplan eines Brückengleichrichters (Dioden: 1N 4148).

Abb. 4: Verschiedene Sender- und Empfängerspulen.

(4)

Jugend forscht

33 Young R esear cher

entspricht das einem Wirkungsgrad von 35 %. In einem Abstand von 100 Mil- limetern lieferte eine Kombination aus zwei runden Spulen mit 18 cm Durch- messer mit 2 (Sender) und 4 (Empfän- ger) Windungen das beste Ergebnis mit 0,0478 mW. Dies entspricht einem Wir- kungsgrad von rund 0,0008 %.

Eine Kombination aus einer großen Sen- der- und einer kleinen Empfängerspule ergab nur sehr wenig empfangene Ener- gie, maximal 240 mW. Bei einer Sende- leistung von ca. 6 W ergibt sich daraus ein Wirkungsgrad von 4 %. Bei einer Umkehrung, also einer kleinen Sender- und einer großen Empfängerspule war das empfangene Resultat Null.

Die übertragene Leistung ist nicht von der Drahtdicke abhängig, sondern von der Länge der Spule (also nur indirekt von der Drahtdicke). Mit der richtigen Kom- bination der Spulen konnten schließlich erhebliche Leistungen, über 2 Watt, über- tragen werden. In Abbildung 5 ist der Zu- sammenhang zwischen übertragener Lei- stung und Wirkungsgrad für verschiedene Spulenkombinationen gezeigt.

3.3 Abstände der Spulen

Es konnte gezeigt werden, dass die Entfer-

nung einen starken Einfluss auf die übertragene Leistung hat (siehe Abb. 5a und b). Bei einer Entfernung von 100 mm ist die empfangene Leistung mit der besten Spulenkombination nur noch mar- ginal. Bei 110 mm Entfernung wird kei- ne Leistung mehr empfangen.

4 Anwendungsbeispiele für drahtlose Energieübertragung

Die kabellose Energieübertragung funktioniert nicht nur im Versuchsaufbau.

Mit Anwendungsbeispielen konnte gezeigt werden, dass diese Technik auch in der Praxis funktioniert. So wurde ein Ladegerät entwickelt, das mobile Geräte wie Handys, Mp3-Player etc. ohne Kabel auflädt. Der Ladevorgang beginnt, sobald das mobile Gerät in Reichweite des Ladegeräts kommt. Als weiteres Anwen- dungsbeispiel wird ein Tisch gezeigt, der Lampen, die auf ihn gestellt werden, kabellos mit Strom versorgt. So kann man die Lampen völlig frei bewegen, ohne auf die Kabellänge der Lampe zu achten.

Auch eine kabellose Maus ohne direkte Energieversorgung wurde konstruiert.

4.1 Kabelloses Ladegerät

Der Ladeablauf erfolgt nach dem Prinzip aus Abb. 6: Der zu ladende Akku wird auf eine Sende-Platte gelegt. Er ist mit

einem Empfänger versehen. Die Sende- Platte ist das Ladegerät. Das Ladegerät erkennt, dass ein Akku „eingetroffen“

ist. Es sendet eine Funk-Abfrage an das Gerät. Das mobile Gerät überprüft den Akkuladezustand. Daraufhin wird, falls nötig, ein Signal mit allen wichtigen Ladeparametern, die zum Laden des Ak- kus benötigt werden, an die Ladestation übermittelt. Dann beginnt der Ladevor- gang, bis der Akku voll ist.

Wie in Kapitel 2 beschrieben wird das Prinzip der Nahfeldinduktion verwendet. Als Spulenkombination, mit der am verlustärmsten Energie übertragen werden konnte, hatte sich im Vorversuch eine Senderspule mit 2 Windungen, 95 mm Durchmesser und Länge 2 mm und eine Empfängerspule mit 4 Win- dungen, 95 mm Durchmesser und Länge 3 mm erwiesen. Diese Spulenkombina- tion wurde für das Ladegerät eingesetzt.

4.1.1 Ladestation

In der Ladestation sind folgende Kom- ponenten verbaut: (i) eine Senderspule zur Stromübertragung, angeschlossen an (ii) einen Gegentaktoszillator; (iii) ein Mikrocontroller mit Funksender und Empfänger (Kommunikation zwischen Sender und Empfänger), der mit dem mobilen Gerät kommuniziert und alle Geräte ansteuert, sowie (iv) vier Tast- schalter, die unter der Ladeplatte befe- stigt sind, und erkennen, wann ein Gerät auf das Ladegerät gelegt wird. Haben diese Schalter ein Gerät erkannt, beginnt die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger. Ist der Akku jedoch voll- ständig entladen, kann er nicht auf ein von der Ladestation gesendetes Signal antworten, weil er es nicht „bemerkt“.

Erhält die Ladestation kein Signal, über- trägt sie Energie. Zeitgleich wird damit

Tab. 1: Geometrische Eigenschaften verschiedener Spulen und erreichter Wirkungsgrad für die Energie- übertragung bei einem Spulenabstand von 0 mm.

Spule Windungen Durchmesser [mm]

Drahtdicke [mm]

Länge [mm]

Wirkungsgrad [%]

S1 Sender 2 95 1 2

S2 Empfänger 4 95 1 3 35,1

S3 Sender 2 180 1 2

S4 Empfänger 4 180 0,5 2 20,2

S5 Sender 3 95 1 3

S6 Empfänger 12 40 1 8 4,0

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

0 20 50 100

übertrageneLeistung[W]

Abstand der Spulen [mm]

S1 und S2 S3 und S4 S5 und S6

Abb. 5: a) Übertragene Leistung in Abhängigkeit der Entfernung b) Wirkungsgrad der Energieübertragung in Abhängigkeit der Entfernung

A

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

40,0%

0 20 50 100

WirkungsgradderSpulen

Abstand der Spulen [mm]

S1 und S2 S3 und S4 S5 und S6

B

(5)

Jugend forscht

34 Junge Wissenscha ft 97 / / 2013

der Mikrocontroller betrieben, sodass er auf die Funksignale reagieren kann. Tut er das nicht, schaltet die Ladestation die En- ergieübertragung wieder ab. In Abb. 7 sieht man den Gesamtaufbau der Ladestation.

4.1.2 Mobiles Gerät

Das zu ladende mobile Gerät wird mit einer Empfängerspule sowie einem Mi- krocontroller und Funksender bzw.

Empfänger, erweitert (Gesamtaufbau siehe Abb. 8).

4.1.3 Ladestandsüberwachung Eine Überladung beschädigt den Akku, deshalb wird ständig der aktuelle Lade- zustand durch den Mikrocontroller gemessen. Zwischen Gleichrichter und Empfängerspule ist ein Widerstand von 1,5 Ω geschaltet. An diesem Widerstand wird die Spannung gemessen, mit der der Akku geladen wird. Durch die gemessene Spannung und den bekannten Wider- stand lässt sich der Ladestrom berechnen.

Zusätzlich wird auch die Spannung des Akkus selbst überwacht. Sollten diese Messungen versagen, und der Akku fer- tig geladen sein, ohne dass dies gemessen wurde, so wurde noch eine Temperatur- abschaltung eingebaut.

Wird ein voller Akku geladen, so beginnt er zu gasen und sich zu erhitzen. Sobald der Akku eine Temperatur über 35°C erreicht, droht er kaputt zu gehen. Dies ist auch der Fall, sollte der Akku versehent- lich falschherum eingelegt oder mit einer Batterie verwechselt worden sein. Steigt also die Temperatur zu hoch, wird der Ladevorgang automatisch unterbrochen.

Als Temperatursensor dient eine Diode vom Typ 1N 4148.

4.1.4 Kommunikation zwischen Lade- station und mobilem Gerät

Um möglichst akkuschonend und schnell laden zu können, ist es notwen- dig die Ladeeinstellungen optimal an den Akku anzupassen. Dazu müssen Sender und Empfänger miteinander kommunizieren können. Nachdem die Ladestation ein mobiles Gerät erkannt hat, schickt es über Funk eine Abfrage, wie hoch der La- dezustand ist. Ist dieser kleiner als 90 %, überträgt der Mikrocontroller des Emp- fängers alle zum Laden wichtigen Para- meter, z. B. Akkuladezustand, benötigte Spannung und Stromstärke sowie Ak- kutyp. Diese Parameter werden auf der

Ladestation eingestellt und es beginnt die En- ergieübertragung zum Akku. Auf der Empfän- gerplatine wird die empfangene Spannung und Stromstärke noch einmal überprüft, um eine mög- lichst effiziente Ladung zu garantieren. Falls die

Spannung und Stromstärke nicht zu dem Akku passen, wird die Spannung herunter geregelt. Sollte die empfangene Leistung zu gering sein, wird von der Ladestation mehr Leistung angefor- dert. Zu all diesen Vorgängen müssen die beiden Komponenten miteinander kommunizieren. Zu diesem Zweck wurde ein Funksender eingebaut. So- mit wird gewährleistet, dass der gesamte Ladevorgang kabellos bleibt.

Die einfachste Methode, um Daten von einem Mikrocontroller zu einem anderen zu übertragen, ist der Einsatz einer seriellen Schnittstelle (UART). Dabei wird das digitale Signal von einem Funksender mit dem Prinzip der Amplitudenmodulation übertragen. Nun wird auf dieses sehr hochfrequente Signal ein niederfrequentes Signal moduliert. Dieses aufmodulierte Signal ist das digitale Signal der seriellen Schnittstelle. Das modulierte Signal wird von einer Antenne als elektromagnetische Welle abgestrahlt.

Der Aufbau des Senders, welcher das hochfrequente Trägersignal generiert, ist in Abb. 9 gezeigt. Der Schwingkreis besteht aus der Spule mit 680 µH und den beiden seriell geschalteten Konden- satoren (220 pF). Daraus ergibt sich eine Frequenz von ungefähr 400 kHz. Das Signal der seriellen Schnittstelle wird an der Basis des Transistors angelegt.

Der Mikrocontroller erzeugt das Signal der seriellen Schnittstelle über high und low Spannungsausgänge. Die Frequenz behält er durch seinen Systemtakt, der außerdem noch von einem Quarz sta- bilisiert wird. Die Baudrate der seriellen Schnittstelle, also der Takt der seriellen Schnittstelle, wird auf 300 (entspricht 150 Hz) gesetzt, damit der empfangen- de Mikrocontroller das Signal fehlerfrei auswerten kann.

Diese elektromagnetischen Wellen werden von einem baugleichen Schwing-

kreis empfangen. Im ersten Schritt wird das amplitudenmodulierte Signal unter Verwendung eines Hüllkurvendemodu- lators demoduliert. Die Diode des Hüll- kurvendemodulators richtet zuerst das Signal gleich (Abb. 10a). Durch einen Tiefpass, bestehend aus einem RC-Glied, also ein zu einem Widerstand parallel- geschalteten Kondensator, wird der hochfrequente Anteil des Signals herausgefiltert, es bleibt nur noch das digitale Signal der seriellen Schnittstelle übrig. Das demodu- lierte Signal ist zu schwach, um von dem Mikrocontroller erkannt zu werden. Es wird deshalb über einen Differenzverstär- ker mit dem Faktor 10 verstärkt. Der Ver- stärkungsfaktor ergibt sich aus den Verhält- nissen der Widerstände (100 kΩ/10 kΩ

= 10) (Abb. 10b). Die Signale werden als high- und low-Signale übermittelt. Damit diese eindeutig als solche erkannt werden können, habe ich mit dem LM358 eine Komparatorschaltung vor den Mikro- controller geschaltet (Abb. 10c). Diese vergleicht das Eingangssignal mit einer fixen, voreingestellten Spannung und je nachdem ob das Eingangssignal eine hö- here oder eine niedrigere Spannung als die Vergleichsspannung aufweist, wird das Aus- gangssignal auf high (5V) beziehungsweise auf low (0V) gesetzt. Dadurch lassen sich die beiden Zustände ohne Missverständ- nisse vom Mikrocontroller unterscheiden.

An den 4,7 kΩ Widerstand wird das ver- stärkte Signal vom Differenzverstärker-

Abb. 6: Logischer Ablauf des Ladevorgangs.

(6)

Jugend forscht

35 Young R esear cher

ausgang angelegt, das Potentiometer wird an den Minuseingang angelegt, wie auf dem Schaltplan in Abb. 10c gezeigt. Die beiden anderen Kontakte des Potentio- meters werden mit Ground, beziehungsweise Vcc (5 V) verbunden. So können die beiden Komponenten problemlos miteinander kommunizieren.

4.1.5 Microcontroller

Für die obengenannten Operationen werden sowohl in der Ladestation als auch in dem mobilem Gerät Mikro- controller verwendet. Diese sind beide vom Typ Atmega168 [12] (Beschal- tung siehe Abb. 11). Die beiden Mikro- controller auf der Ladestation und dem mobilen Gerät können bei Bedarf mit einem Terminalprogramm auf einem Computer kommunizieren, so dass alle Vorgänge überwacht und Befehle zu Vor- führungszwecken gesendet werden kön- nen, wie zum Beispiel eine Änderung der Ladespannung.

4.2 Lampentisch und kabellose Maus Drahtlose Energieübertragung per Nah- feldinduktion ermöglicht die Positionie- rung elektronischer Geräte unabhängig von ihrer Kabellänge. Ein gutes Beispiel hierfür sind Schreibtischlampen, die nur soweit von der Steckdose entfernt werden können, wie das Kabel lang ist.

Das ist unpraktisch, wenn man die Be- leuchtungsverhältnisse zum Arbeiten verändern muss. Durch eine kabellose Energieversorgung mit einem Sender in der Tischplatte wäre es möglich, Lampen auf dem Tisch beliebig zu verschieben.

Abb. 7: Ladestation a) Interieur b) im Deckel aus Kunststoff sind die Spulen eingegossen

Abb. 8: Aufbau des Empfängers.

A B

Abb. 9: Funksender und Hochfrequenzgenerator.

(7)

Jugend forscht

36 Junge Wissenscha ft 97 / / 2013

Um eine möglichst große Fläche mit einem homogenem Energiefeld abzudecken, habe ich in den Holztisch (24 x 24 cm) 4 Spulen, aus lackiertem Kupferdraht (Querschnitt 1 mm²,) mit Mittenablei- tung eingelassen. Die Spulen haben alle 2 Windungen und sind quadratisch (Abb.

12). An diese Spulen wird je ein Gegen- taktoszillator angeschlossen, der mit ca.

5 MHz schwingt.

Die Spulen im Empfänger, der Lampe, sind im Gegensatz zu den Senderspulen rund und haben 12 Windungen (Durch- messer von 41 mm,s Drahtquerschnitt von 0,5 mm²). Die Spulen werden in einen Kunststoffsockel eingegossen und über Bananenstecker mit den sechs ultra- hellen LEDs verbunden. Dabei sind immer 2 Lampen parallel geschaltet. Dazu habe ich noch einen weiteren Empfänger gebaut, an dem ein Voltmeter über einen Widerstand und einen Brückengleich- richter angeschlossen ist. Mit diesem Volt- meter lässt sich die Energiefelddichte an verschiedenen Punkten auf dem Lampen- tisch bestimmen (Abb. 12).

Ein weiteres Einsatzgebiet könnte eine kabellose Maus sein, welche ihre Energie direkt aus der Unterlage erhält. In das Bat- teriefach habe ich eine Platine mit einem Gleichrichter und einem Spannungsregler eingesetzt, um die Zerstörung der Maus

durch Überspannung zu verhindern. Die Empfängerspule aus 0,5 mm² Draht und 8 Windungen habe ich in einen in den Unterboden gefrästen Kanal eingeklebt (siehe Abb. 13).

Sobald die Gegentaktoszillatoren an ein Netzgerät angeschlossen werden, strahlt der Tisch Energie ab. Befinden sich Lam- pen auf dem Tisch, nehmen diese die Energie auf und die LEDs leuchten. Die Maus wird mit genügend Strom versorgt, um wie im Batteriebetrieb verwendet werden zu können.

Um ein möglichst homogenes Energiefeld zu erreichen, wurden alle Spulen parallel an einen Gegentaktoszillator angeschlossen.

Dabei störten sich die Felder der unterschiedlichen Spulen so stark, dass an vielen Stellen große Bereiche entstanden, an denen die Lampen entweder nur sehr schwach glommen oder sogar erloschen.

Die Energiedichte erhöhte sich gegenüber dem alleinigem Einsatz der z.B. größten Spule nicht, wenn die 4 Spulen parallel geschaltet waren. Deshalb wurden, um die Energiedichte zu vergrößern, jeweils 2 Spulen (verschieden kombiniert) an jeweils einem Gegentaktoszillator parallel geschaltet. Es konnte gezeigt werden, dass 2 Spu- len eine geringe Verbesserung gegenüber einer einzelnen Spule ergeben. Eine deutlich höhere Energiedichte wurde mit je einem

Gegentaktoszillator pro Spule erreicht.

Aufgrund der verschiedenen Geometrien der Spulen ist die Frequenz, mit der diese schwingen, unterschiedlich. Dabei störten sich die unterschiedlichen Frequenzen. Die Auswirkungen dieser Störung waren ein unregelmäßiges Flackern der LEDs.

5 Diskussion und Zusammenfassung 5.1 Die kabellose Energieübertragung Mit Hilfe eines Gegentaktoszillators lässt sich kabellos Energie übertragen. Die Ent- fernung zwischen der Empfänger- und der Senderspule darf nicht mehr als ein paar Zentimeter betragen, da bei einem Ab- stand von 10 cm die empfangene Leistung (mit der besten Spulenkombination) gegen Null geht. Dennoch konnte bei nur wenigen Millimetern Abstand Energie mit einem Wirkungsgrad von über 35 % übertragen werden. Als beste Spulenkom- bination erwies sich eine Senderspule mit 2 Windungen (Durchmesser 95 mm) und eine Empfängerspule von 4 Windungen (Durchmesser 95 mm).

Auf dem Gebiet der kabellosen Energie- übertragung wird derzeit von vielen For- schungseinrichtungen, wie zum Beispiel dem MIT, geforscht. Wissenschaftlern des MIT gelang es, eine 60 W Glühbirne in einer Entfernung von bis zu 2 m zum Leuchten zu bringen [13]. Der Wirkungs- grad dabei betrug 60 %.

Abb. 10: : a) Schaltplan des Hüllkurvendemodulators b) Schaltplan des Differenzverstärkers (die Stromversorgung ist ausgeblendet) c) Schaltplan des Komparators [11]

Abb. 11: Pinbelegung der Mikrocontroller a) auf der Ladestation b) auf dem Empfänger

A

B C

(8)

Jugend forscht

37 Young R esear cher

Man sieht, dass die kabellose Energieüber- tragung aus Gründen der Energieeffizienz auf dem jetzigen Entwicklungsstand nicht dafür geeignet ist, ein Kabel zu ersetzen.

Dennoch kann es für manche Anwen- dungen nützlich sein zum Beispiel als Ladegerät für Elektroautos. Wenn man in Parkplätze Senderspulen einbaut, könnten die Autos beim Parken wieder aufgeladen werden. Hervorragend geeignet ist die kabellose Energieübertragung für Ge- räte, deren Stromanschlüsse von außen nicht mehr zugänglich sind, zum Bei- spiel Herzschrittmacher oder vollständig wasserdicht in Kunststoff eingeschlossene

Geräte. Um wirklich sinnvoll verwendet werden zu können, muss die kontaktlose Energieübertragung noch stark verbessert werden, also die Verluste verringert und die maximale Distanz vergrößert werden.

5.2 Anwendungsbeispiele für die kabelllose Stromübertragung

Kabellose Ladegeräte kommen gerade langsam auf den Markt. So gibt es zum Beispiel für Wii-Kontroller ein kabelloses Ladegerät. Dieses kostet um die 30 € [14].

Es ist aber allein für ein einzelnes Gerät ausgelegt, was verglichen mit dem hier vorgestellten Ladegerät eine Schwäche ist.

Das hier gezeigte universelle Ladegerät ist geeignet für sämtliche Akkutypen, Lade- spannungen und Stromstärken. Die Her- stellung meines Ladegerätes (ohne Emp- fänger) kostete mich ca. 7 € an Material.

Die indirekten Kosten sind dabei nicht mit eingerechnet. Im Preis-/Leistungsver- hältnis schneidet dieses Ladegerät besser ab, da es über wesentlich mehr Funkti- onen verfügt. Baut man das Ladegerät mit SMD-Bauteilen, können sowohl die Ladestation als auch der Empfänger wesentlich kleiner und kompakter gestaltet werden. Der Empfänger könnte in einem durchschnittlichen Handy untergebracht werden.

Der Lampentisch ermöglicht eine varia- ble Beleuchtung unabhängig von irgend- einem Kabel. Das bedeutet, man kann Lampen beliebig auf dem Tisch verschieben, und sie leuchten an jeder Position.

Nicht untersucht und diskutiert habe ich im Rahmen meiner Arbeit das Problem Elektrosmog, der durch den Einsatz hoch- frequenter und energiereicher elektromag- netischer Felder am Arbeitsplatz und in der Wohnung entsteht.

Danksagung

Ich möchte mich bei meinen Lehrern des Gymnasiums Tutzing bedanken: bei An- drea Schuck, die mich seit Jahren bei allen Wettbewerben (insbesondere Jugend forscht) unterstützt und mir weiterhilft und bei Quirin Hartmann, der mir bei dieser Arbeit mit seinem Fachwissen zur Seite stand.

Quellenverzeichnis

[1] Dimo Pepelyashev. Energieübertragung durch kapazitive und induktive Kopplung. 2003 Technische Universität Chemnitz [2] Physik, Lehrbuch für die Klasse 9, Gymnasium Bayern; Herausgeber: Prof. Dr. habil. Lothar Meyer, Dr. Gerd-Dietrich Schmidt;

Duden Paetec Schulbuchverlag, C.C. Buchner, 1. Auflage 2007

[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingkreis; letzter Aufruf 01.November 2011

[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Meissnersche_R%C3%BCckkopplungsschaltung, letzter Aufruf 01.November 2011 [5] http://de.wikipedia.org/wiki/Gegentakt-Oszillator; letzter Aufruf 01.November 2011

[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Schwingkreis; letzter Aufruf 01.November 2011

[7] http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0201071.htm; letzter Aufruf 01.November 2011 [8] http://de.wikipedia.org/wiki/Induktivität; letzter Aufruf 01.November 2011

[9] http://www.roehrenwendy.de/wendy/html/elektroniktools.html; Programm „Schwingkreis“; letzter Aufruf 01. November 2011;

[10] Simple Accurate Expressions for Planar Spiral Inductances; Herr Mohan (Stanford Universität ) Oktober 1999 [11] http:// www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverstärker-Grundschaltungen

[12] Lernpaket Mikrocontroller – Technik mit Bascom; Franzis Verlag; 2009 [13] Literatur http://web.mit.edu/newsoffice/2007/wireless-0607.html

[14] http://www.amazon.de/Nintendo-Wii-Wireless-Charging-Induktion/dp/B00335KLT4 [15] LIT http://www.weltdergadgets.de/wipower-neues-kabelloses-ladegerat-kit-fur-entwickler.

Abb. 12: Sender-Tisch mit Panel-Meter an drei verschiedenen Positionen. Unterschiedliche Energiedich- ten an verschiedenen Positionen auf dem Lampentisch werden gezeigt.

Abb. 13: Neues Innenleben der Funkmaus (links) und Empfängerspule im Unterboden (rechts).