Die Physik Schülerlabor Initiative

Moderne drahtlose Energieübertragung

Im Kapitel über den Tesla-Transformator kann man lesen, wie Nikola Tesla vor über 100 Jahren versucht hat, Energie und Information zu übertragen. Sein Tesla-Transformator war dazu nur sehr bedingt geeignet, dennoch bildet sein Ansatz der Verwendung einer Sendespule und Übertragung von Energie mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes aber die Grundlage der heute verwendeten Technologie: Der resonant-induktiven Kopplung.

Teslas Transformator hat Energie in alle Richtungen abgestrahlt - seine Idee war, dass man sich nun nur noch mit kleinen Empfangsgeräten ausrüsten müsste, um die Energie aufzufangen. Dabei geht natürlich sehr viel Energie verloren und man muss enorm viel Leistung in den Sende-Transformator stecken. Die heutige Technologie basiert immer noch auf dem Prinzip, mithilfe einer Spule ein elektromagentisches Feld zu erzeugen, das die Energie liefert. Abb. 1 zeigt den Schaltplan einer resonant-induktiven Kopplung. Er besteht im Wesentlichen aus zwei LCR-Schwingkreisen - einem Sendekreis und einem Empfängerkreis.

Schaltskizze resonant-induktive Kopplung

Abb. 1: Schaltung resonant-induktive Kopplung

Der linke Schwingkreis ist der Sendekreis. Er besteht aus einer Wechselspannungsquelle U, einem Kondensator C, einem Widerstand R und der Sendespule LS. Der rechte Schwingkreis ist der Empfängerkreis. Er besteht aus der Empfangsspule LE, einem Kondensator C und einem Lastwiderstand RL - dieser Lastwiderstand ist letztendlich der "Verbraucher", also z.B. das Handy, das geladen werden soll. Die Sendespule erzeugt schließlich ein Magnetfeld, welches in der Empfangsspule ebenfalls ein Magnetfeld induziert - so wird Energie in Form des Magnetfeldes vom Sende- auf den Empfängerkreis übertragen.
Der Trick ist nun, dass die beiden Schwingkreise dieselbe Resonanzfrequenz haben sollen, um die Übertragung möglichst effektiv zu machen, d.h., um möglichst wenige Verluste zu haben. Daher nennt man das Prinzip resonant-induktive Kopplung. Die Spulen sind daher oft identisch gebaut. Wenn man nun die Spulen noch geschickt geometrisch anordnet, so ist das Magnetfeld sehr stark gerichtet und man kann die Verluste weiter reduzieren.
Als Anwendung findet man z.B. berührungslose Ladegeräte für Handys. Das Ladegerät kann z.B. einfach eine Fläche sein, in der der Sendekreis mit der Sendespule eingebaut ist. Im Handy selbst befindet sich der Empfängerkreis mit der Empfangsspule. Damit die Übertragung wirklich effektiv ist, ist es aber umso besser, je näher Sender und Empfänger einander sind. Meist liegen die Handys daher direkt auf den Ladegeräten auf, es ist aber kein Kabel bzw. kein elektrischer Kontakt mehr nötig, um beide zu verbinden.

Für das Schülerlabor haben wir einen Bausatz für eine solche Übertragungsstrecke mit Sende- und Empfangskreis entwickelt, die beiden Schwingkreise können von Schülern selbst aufgebaut werden. Abb. 2 zeigt den Aufbau. Der Frequenzgenerator liefert die Wechselspannung mit der benötigten Resonanzfrequenz. Man sieht links die Sendespule, in dem kleinen grauen Kasten befindet sich ein Teil der Schaltung, nämlich der Kondensator und der Widerstand. Zusammen mit der Versorgungsspannung und der Sendespule wird also der Sendekreis gebildet, wie er in Abb. 1 bereits skizziert wurde. Rechts befindet sich die Empfangsspule, die mit der Sendespule in keiner Weise leitend verbunden ist, die restlichen Schaltungskomponenten sind ebenfalls in einer Box verbaut, der Verbraucher ist hier ein kleiner Ventilator. An dessen Drehgeschwindigkeit kann man in etwa erkennen, wie gut die Energieübertragung funktioniert.

Aufbau resonant-induktive Kopplung

Abb. 2: Aufbau einer Energieübertragungsstrecke mit resonant-induktiver Kopplung

Die Sende- und Empfangsspule sind parallel verschiebbar, sodass man testen kann, wie sich die Güte der Übertragung mit dem Abstand der Spulen verändert. Man kann auch ausprobieren, wie sich die Übertragungsqualität verändert, wenn man die Frequenz über den Frequenzgenerator so einstellt, dass sie von der Resonanzfrequenz abweicht.

Schafft Ihr es, die Schaltung so aufzubauen und einzustellen, dass Ihr eine optimale Energieübertragung erreicht? Wie weit könnt Ihr die Spulen auseinanderziehen, um den Ventilator immer noch anzutreiben?