Induktives Laden nutzt magnetische Kopplung zwischen Spulen, um Energie kabellos zu übertragen.Entscheidend sind Schwingkreise,die auf eine gemeinsame Resonanzfrequenz abgestimmt werden. Dadurch steigen Reichweite, Effizienz und Toleranz gegenüber Fehlpositionierung. Der Beitrag erläutert Funktionsprinzip, Schlüsselkomponenten und typische Verluste.
Inhaltsverzeichnis
- Rolle des Schwingkreises
- Resonanzfrequenz wählen
- Q-Faktor,Verluste,Effizienz
- Kopplungsfaktor optimieren
- Spulenform und Kernmaterial
- Häufige Fragen
Rolle des Schwingkreises
Als gekoppeltes LC-System in Sender- und Empfängerspule bündelt der resonante Schaltkreis das magnetische Wechselfeld genau bei der Resonanzfrequenz (≈ 1/(2π√(LC))) und reduziert Blindleistung,wodurch Wirkungsgrad,Reichweite und Selektivität des Energiepfads steigen; die aufeinander abgestimmte Güte (Q) und der Kopplungsfaktor (k) bestimmen,wie stark Leistung bei Toleranzen,Versatz,Fremdmetallen oder Laständerungen schwankt,während dynamische Abstimmung über variable Kapazitäten und Frequenz-Tracking die Impedanzanpassung hält,Schaltverluste durch Soft-Switching senkt und Kommunikationsprotokolle (z. B. Lastmodulation im Qi-Standard) integriert, inklusive Fremdkörpererkennung über detektierte Detuning- und Verlustmuster.
- Leistungsbündelung: Maximierung der magnetischen Kopplung bei geringer Streuung.
- Effizienzsteuerung: Minimierung von Kupfer- und Schaltverlusten durch Q-optimiertes Design.
- Robustheit: Toleranz gegenüber Spulenversatz durch adaptives Tuning.
- EMV-Optimierung: Schmalbandige Abstrahlung, unterstützt durch Ferrit-Shields.
- Datenpfad: Stabiler Rückkanal via Modulation des Schwingkreises.
| Parameter | Wirkung |
|---|---|
| Resonanzfrequenz | Maximale Energie bei Zielband |
| Güte (Q) | Schmalbandigkeit vs.Verluste |
| Kopplungsfaktor k | Reichweite und Ladeleistung |
| Abstimmung (L/C) | Impedanzanpassung unter Last |
| Detuning | FOD und Schutzmechanismen |
Resonanzfrequenz wählen
Die Wahl der Resonanzfrequenz bestimmt Wirkungsgrad, Spulengröße, Verlustleistung und EMV: höhere Frequenzen erlauben kleinere Spulen und flinkere Regelung, schwingkreise.de/schwingkreise-in-radios-und-fernsehern-die-grundlage-des-tunings/” title=”Schwing…reise in Radios und Fernsehern – die Grundlage des Tunings”>erhöhen jedoch Schalt-, Ferrit- und Dielektrikverluste sowie Filteraufwand; niedrigere Frequenzen verbessern Feldtiefe, Toleranz gegenüber Versatz und ZVS-Fenster, verlangen mehr Kupfer und größere Bauteile. Bewährte Standardbänder wie ~85 kHz (SAE J2954), 110-205 kHz (Qi Low/Extended Power) und 6,78 MHz (AirFuel Resonant) setzen praxisnahe Leitplanken; der Q‑Faktor und die Bandbreite werden so gewählt, dass Temperaturdrift, Fremdkörper (FOD) und Lagefehler abgefangen werden, ohne die Regelstabilität oder die thermische Reserve zu gefährden.
- Zielgrößen: Wirkungsgrad, Baugröße, Temperaturbudget, akustische Emissionen
- Kopplung & Geometrie: Koppelfaktor, Spulendurchmesser, Abschirmung, Serie-/Parallel‑Topologie
- Leistungsbereich & Q: Start-up-Verhalten, Bandbreite vs. Toleranzen, Teillast
- EMV & Normen: CISPR/FCC‑Limits, erlaubte Bänder, Feldabstrahlung und Oberschwingungen
- Materialien & Verluste: Skin-/Proximity‑Effekte, Ferritkernverluste, Kondensator‑ESR und Toleranzen
- Regelung & Kommunikation: Frequenzhub/FSK (Qi), FOD-Sensitivität, ZVS/ZCS‑Fenster
- Bauteilverfügbarkeit: MOSFET‑FOM, Treibergrenzen, MLCC‑DC‑Bias vs. Folienkondensatoren
| Frequenzbereich | Typische Anwendung | Vorteile | Kompromisse |
|---|---|---|---|
| 70-100 kHz | Kfz‑WPT (≈85 kHz) | Gute Feldtiefe, robust, moderater EMV‑Aufwand | Größere Spulen, höheres Gewicht |
| 110-205 kHz | Qi (Low/Extended Power) | Reifes Ökosystem, hohe Effizienz | Engere Toleranzen, Filterung kritischer |
| 6,78 MHz | AirFuel Resonant | Abstandstolerant, mehrere Geräte | HF‑Designaufwand, strengere EMV |
Q-Faktor, Verluste, Effizienz
Der Q‑Faktor eines resonanten Übertragers beschreibt das Verhältnis aus gespeicherter zu verlorener Energie pro Periode (näherungsweise Q ≈ ωL/R). Hohe Werte erhöhen Spannungs‑ und Stromüberhöhung, verbessern Reichweite und Kopplungsausnutzung, reduzieren bezogen auf die Nutzleistung bestimmte Verluste (Kupfer, Kern, Schalten), verengen jedoch die Bandbreite und verschärfen Toleranzanforderungen bei Last- und Lageänderungen. Ohmsche Widerstände (Skin‑/Proximity‑Effekte), Wirbelstrom‑ und Hystereseverluste in Ferriten, Dämpfung durch Abschirmungen sowie Halbleiter‑ und Gleichrichterverluste dominieren das Verlustbild; die resultierende Effizienz η = P_out/P_in ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Q_Tx, Q_Rx und Kopplungsfaktor k. Ziel ist ein Q, bei dem k·Q groß genug für Leistung und Abstand ist, ohne EMV‑Probleme, Übersteuerung oder instabile Regelung zu provozieren; Temperaturanstieg erhöht R und senkt Q, weshalb Tracking von Frequenz/Impedanz und thermische Begrenzungen entscheidend sind.
- Leiter & Geometrie: Litzdraht, größerer Querschnitt, flache Spulen, minimierte Leiterabstände und Metallnähe
- Magnetik: Ferritplatten/-kerne mit niedrigen Verlusten bei Ziel‑Frequenz, gezielte Abschirmung statt Vollmetall
- Abgleich & Tracking: Seriell-/Parallelabgleich, kapazitive Schaltbänke, automatische Nachstimmung bei Last/Temperatur
- Leistungselektronik: Soft‑Switching (ZVS/ZCS), geringe Gate‑/Durchlassverluste, synchrone Gleichrichtung
- Systemwahl: Frequenz und Spulengröße passend zu k und Lastprofil (z. B. 110-205 kHz vs. 6,78 MHz)
- Thermik & Schutz: Wärmepfade, Derating, Fremdkörperdetektion, EMV‑gerechtes Layout
| Parameter | Typischer Bereich | Wirkung |
|---|---|---|
| Q_Tx (100-200 kHz) | 150-300 | Hohe Überhöhung, schmale Bandbreite |
| Q_Rx | 80-250 | Bessere η, geringere Toleranz |
| Kopplung k | 0,05-0,40 | Begrenzt Leistung/Abstand |
| η end‑to‑end | 50-85 % | Regelung und Verluste entscheidend |
Kopplungsfaktor optimieren
Entscheidend für hohe Wirkungsgrade ist das Produkt aus Kopplungsfaktor k und Güte Q: Während k die magnetische Überschneidung der Felder beschreibt, verstärken abgestimmte Schwingkreise (Sende- und Empfangsseite) die Strom-/Spannungsamplituden und kompensieren schwache Kopplung über Resonanzabgleich (z. B. Serie-Serie oder Serie-Parallel). Maximiert wird k durch geringe Distanz, große wirksame Überdeckungsfläche und gezielte Feldführung; reduziert wird Streufluss durch Ferrit-Backings und leitfähige Abschirmungen mit niedrigen Wirbelstromverlusten. Die Wahl von Litzendraht senkt AC-Verluste (Skin-/Proximity-Effekt), wodurch höhere Q erreichbar ist und damit bei gleichem k mehr Leistung übertragen wird. Geometrieentscheidungen (Pancake-Spule, Spurbreite, Windungszahl) bestimmen Feldhomogenität und Fehlertoleranz gegenüber Versatz; größere Spulen erhöhen k, verschärfen aber EMV-Auflagen und Bauraum. Betriebsfrequenz beeinflusst sowohl Induktivitäten als auch Verlustmechanismen; höher verbessert bei gegebener Spulengröße oft k/Q, kann jedoch EMI und Wärme forcieren. Für robuste Systeme werden k-Schwankungen (Versatz, Fremdobjekte, Temperaturdrift) mit adaptivem Matching und Leistungsregelung (z. B. Frequenz-Shift, Phasenregelung) abgefangen; FOD-Grenzen und thermisches Design setzen die praktische Obergrenze für aggressives Tuning.
- Geometrie & Überdeckung: Spulendurchmesser, Windungsanordnung, Feldhomogenität
- Distanzmanagement: Mechanische Toleranzen, Distanzpads, Gehäusematerialien
- Feldführung: Ferritplatten, segmentierte Abschirmungen, Streuflussreduktion
- Leitertechnik: Litzendraht, Leiterbreite/-höhe, Kupferfüllfaktor
- Resonanz & Matching: Topologie, Güte, adaptiver Abgleich
- Betriebsfrequenz & EMV: Regulatorik, Filterung, Verlustbudget
| Hebel | Wirkung auf k | Nebenwirkung |
|---|---|---|
| Spulenabstand ↓ | k ↑ deutlich | Toleranz ↓ |
| Ferrit-Backing | Streufluss ↓, k ↑ | Gewicht, Kosten ↑ |
| Spulendurchmesser ↑ | Überdeckung ↑, k ↑ | Bauraum, EMV-Aufwand ↑ |
| Litzendraht | Q ↑ → k·Q ↑ | Preis, Fertigungskomplexität ↑ |
| Adaptive Resonanz | Effizienz stabil bei k-Drift | Regelungs- und Messaufwand |
Spulenform und Kernmaterial
Spulengeometrie und Kernmaterial legen maßgeblich Induktivität (L), Kopplungsfaktor (k), Güte (Q) und Verlustleistung eines induktiven Lade-Schwingkreises fest: Planare Flachspulen bündeln den Fluss senkrecht zur Ladefläche und tolerieren Versatz, erzeugen ohne Ferritschild jedoch stärkere Streufelder. Litzleiter minimieren Skin- und Proximity-Verluste im typischen Qi-Frequenzband (ca. 100-205 kHz), während PCB-Planarspulen ultraflach integrierbar sind, aber mit höherem ESR und geringerem Q einhergehen. Ferrit-Backplanes mit hoher Permeabilität fokussieren den Fluss, senken EMI und verbessern k; die Materialwahl (z. B. MnZn vs. NiZn) steuert Sättigungsreserve, Temperaturdrift und Wirbelstromverluste. Luftspulen vermeiden Sättigung, benötigen jedoch mehr Abschirmung. Spalt und Kernform linearisieren die Magnetführung und stabilisieren die Resonanz unter mechanischen Toleranzen; gleichzeitig bestimmen Flussdichte, Erwärmung und Materialverluste die maximale Leistungsdichte sowie die Robustheit gegenüber Fremdkörpern (FOD).
- Flachspule + Ferritschild: Hohe Kopplung, geringe EMI, flache Bauform.
- Litz statt Massivdraht: Niedrigere AC-Verluste bei kHz-Frequenzen.
- MnZn-Ferrit: Hohe µr und gute Bündelung; auf Sättigung und Temperatur achten.
- NiZn-Ferrit: Geringere Wirbelströme bei höheren f; geringere µr.
- PCB-Planarspule: Dünn und reproduzierbar; ESR/Q sorgfältig dimensionieren.
| Auswahl | Stärke | Trade-off |
|---|---|---|
| Flachspule (Litz) | Hoher k bei geringer Bauhöhe | Kosten, Wickelpräzision |
| Planarspule (PCB) | Sehr dünn, gut integrierbar | Höherer ESR, niedrigeres Q |
| Ferrit-Backplane (MnZn) | Starke Flussbündelung | Sättigung, spröde Mechanik |
| Ferrit-Backplane (NiZn) | Weniger Wirbelstromverluste | Geringere Permeabilität |
| Luftspule | Sehr hohe Q, keine Sättigung | Streufeld, höhere EMI |
Häufige Fragen
Was ist induktives Laden?
Induktives Laden überträgt Energie kabellos über magnetische Wechselfelder zwischen zwei Spulen.Ein Primärkreis im Pad erzeugt das Feld, ein Sekundärkreis im Gerät wandelt es in Strom. Standards wie Qi regeln Leistung, Frequenz und Protokolle.
Warum sind Schwingkreise beim induktiven Laden so wichtig?
Schwingkreise erhöhen die Kopplung zwischen Spulen durch Resonanz. Sind Sender und Empfänger auf dieselbe Frequenz abgestimmt, zirkuliert mehr Blindleistung im System, wodurch übertragene Wirkleistung und Effizienz steigen, bei geringeren Leitungsverlusten.
Wie werden Sender und Empfänger auf Resonanz abgestimmt?
Abstimmung erfolgt über Spuleninduktivität und Kondensatoren, oft als Serienschwingkreis am Sender und Parallel- oder Serienschwingkreis am Empfänger. Automatische Frequenznachführung und Regelung passen Ansteuerung an Last- und Lageänderungen an.
Welche Vorteile bietet resonante Kopplung?
Resonante Kopplung ermöglicht größere Luftspalte, bessere Fehlanpassungstoleranz und höhere Effizienz bei gleicher Spulengröße. Gleichzeitig sinken Anforderungen an Sendeleistung für dieselbe Ladeleistung, was Erwärmung und EMV-Belastung reduziert.
Welche Faktoren bestimmen Effizienz und Reichweite?
Einfluss nehmen Spulengeometrie, Gütefaktor Q, Ferritabschirmung, Frequenz, Kopplungskoeffizient k, Ausrichtung und Abstand. Verluste entstehen durch Kupfer- und Kernverluste, Wirbelströme in Fremdmetall sowie durch Gleichrichter- und Regelungselektronik.
Wie werden Sicherheit und EMV-Anforderungen erfüllt?
Schutzfunktionen erkennen Fremdobjekte (FOD), begrenzen Feldstärke und Temperatur und steuern Leistungsfluss. Kommunikation zwischen den Schwingkreisen verhandelt Leistungsstufen. EMV-Konformität sichern Filter, Abschirmungen und kontrollierte Spektralanteile.