Informations- und Kommunikationstechnik

Spule und Drossel

Spulen und Drosselspulen sind prinzipiell gleichartig aufgebaut. Sie entstehen durch das Aneinanderreihen von Windungen aus isoliertem Draht auf einen nicht leitenden Trägerkörper. Die Windungen bilden in Reihe geschaltete Leiterschleifen. Unterschieden wird hauptsächlich zwischen einer beidseitig offenen Zylinderspule und einer geschlossenen Kreisringspule. Spulen mit dickem Draht und wenigen Windungen können auch freitragend sein.

Fließt elektrischer Strom durch eine Spule, so erzeugt sie als bedeutsame Eigenschaft ein magnetisches Feld und sie generiert eine elektrische Spannung, wenn sie einem zeitlich sich änderndem Magnetfeld ausgesetzt ist. Ist der Spulenträger kernlos oder das Kernmaterial nicht magnetisierbar, so spricht man von einer Luftspule. Magnetisierbares Kernmaterial konzentriert die Magnetfeldlinien im Kern und verstärkt so die magnetischen Eigenschaften und die damit im Zusammenhang stehende Induktivität der Spule bei gleicher Baugröße.

Spulen

In der Signal verarbeitenden Elektronik bestimmt die induktive Eigenschaft des passiven Bauteils Spule den Frequenzbereich der Hoch-, Tiefpass- und Filterschaltungen. Spulen werden mit möglichst geringen Fertigungstoleranzen hergestellt. In LC-Schwingkreisen erzeugen sie gemeinsam mit Kondensatoren in einem engen Frequenzbereich sinusförmige Signale oder filtern diese aus Signalgemischen zur gezielten Nutzung heraus.

Drosseln

Beim Erzeugen und Verarbeiten elektrischer Energie spricht man eher von Drosseln. Für Drosselspulen gelten größere Fertigungstoleranzen. Sie besitzen fast immer magnetisierbare Kerne. In Filterschaltungen wird die Eigenschaft der Selbstinduktion genutzt. Damit erzeugt die Drossel eine Induktionsgegenspannung, die elektrische Störimpulse und elektromagnetische Störstrahlungen dämpfen kann. In den vielfältig genutzten Schaltnetzteilen speichern Drosseln magnetische Energie im Kernmaterial und geben diese in Form elektrischer Energie wieder ab.

Wie jeder Leiter besitzen auch Spulen und Drosseln einen ohmschen Widerstand. Er ist abhängig vom Material, der Länge und dem Querschnitt des Leiters. Die hauptsächliche Eigenschaft einer Spule ist ihre Induktivität. Fließt elektrischer Strom durch eine Spule, dann baut sie ein Magnetfeld auf. Eine Zylinderspule an Gleichspannung angeschlossen wirkt letztlich wie ein Stabmagnet.

Liegt am ohmschen Widerstand eine Spannung an, so fließt sofort der durch den Widerstandswert berechenbare Strom. Durch den Elektromagnetismus und die Induktivität der Spule kann der Strom nur verzögert bis zu einem Endwert zunehmen, wobei die Spannung parallel zur Spule abnimmt. Im Kapitel zur elektromagnetischen Spule findet man zusätzliche Beschreibungen zum Magnetfeldaufbau. Verglichen mit dem Kondensator verhält sich die Spule an Gleichspannung genau entgegengesetzt.

Spulenschaltzeichen

Kernwerkstoffe

Die Eigenschaften der Spulen werden durch ihre magnetisierbaren Kerne mitbestimmt. Eisen, Kobalt und Nickel sind die bekanntesten ferromagnetischen Materialien, durch die sich Magnetfeldlinien konzentrieren lassen. Die magnetische Feldstärke einer vom Strom durchflossenen Spule bleibt konzentriert im Kern gespeichert und kann besser genutzt werden.

Wichtige Kernwerkstoffe bestehen aus Eisen und dessen Legierungen. Eisenkerne werden aus Lagen gegeneinander elektrisch isolierter Kernbleche aufgebaut. Diese Lamellierung verringert die im Kern auftretenden Wirbelströme und damit verbundene Erwärmung der Komponenten.

Die Magnetisierbarkeit der Metalllegierungen verhält sich nur in bestimmten Grenzen linear und geht nicht linear auslaufend in einen Sättigungswert über. Mit Sintermetall-, Ferrit- oder Pulverkernen kann auch in starken Magnetfeldern ein zu schnelles Erreichen der magnetischen Sättigung verhindert werden.

Ferrit

Diese Werkstoffgruppe zeichnet sich durch eine sehr geringe elektrische aber sehr gute magnetische Leitfähigkeit aus. Es sind keramische Sinterwerkstoffe aus meist dreiwertigem Eisenoxid Fe2O3 mit Zusatz von Nickel-, Zink- und Manganoxiden. Die Ausgangskomponenten werden gesintert, fein gemahlen, bis die Korngrößen im Bereich der Weiss-Bezirke liegen. Die Pulver werden in die endgültige Form gepresst und unter Schutzgas erneut gesintert. Drosselkerne bestehen aus weichmagnetischem Ferrit. Sie lassen sich leicht ummagnetisieren und haben einen fast keinen Restmagnetismus.

Pulverkerne

Ferromagnetische Metallpulver werden mit elektrisch nicht leitenden Bindemitteln in einer Pressform gesintert. Die gegenseitige Isolierung der Metallkörner vermindert das Entstehen großer Wirbelstromverluste. Im Vergleich zum Massivkern bildet das Isolationsmaterial im Metallpulverkern vielfach verteilte Luftspalte und senkt dadurch die magnetische Leitfähigkeit. Die Hersteller geben einen Permeabilitätsfaktor für den linearen Arbeitsbereich des Kernmaterials an. Pulverkerne erreichen nur langsam die magnetische Sättigung. Sie eignen sich besonders gut in Speicherdrosseln von Schaltnetzteilen, wo Schaltspannungen höherer Frequenzen mit Gleichspannungen überlagert sind.

Eisenpulverkerne
Sie bestehen aus fein gemahlenem Reineisenpulver. Es wird mit einem Isolationspulver und Bindematerial vermischt, in Form gebracht und unter hohem Druck ausgehärtet. Die Permeabilität liegt zwischen μ = 10 ... 125. Kerne hoher μ-Werte eignen sich für Frequenzen bis 75 kHz. Niedrige Werte werden bevorzugt im hohen Frequenzbereich bis zu einigen 100 MHz eingesetzt.
Permalloy, Mu-Metall
Hierbei handelt es sich um eine weichmagnetische Nickel(≈80%)-Eisen(≈20%)-Legierung mit geringen Mengen von Molybdän oder Kobalt (<5%). Es hat eine extrem hohe magnetische Leitfähigkeit von μ = 50000 ... 140000 und dient zur Abschirmung magnetischer Felder. Als Kernmaterial eignet es sich besonders gut in Niederfrequenz-Transformatoren. Bevorzugt wird es in magnetischen Stromsensoren und Stromwandlern eingesetzt, die mit galvanischer Trennung kleinste und größte Ströme anhand ihrer magnetischen Felder messbar machen.
Mu-Metall kann mit den bekannten Metall verarbeitenden Prozessen zu Fertigprodukten verarbeitet werden. Dabei verringern sich seine hohen Permeabilitätswerte auf ≈150. Die hohen Werte erreicht man erneut nach der mechanischen Bearbeitung durch ein abschließendes Glüh- und Abkühlverfahren zum Teil unter Schutzgas oder im Vakuum.
MPP-Kerne
Sie bestehen aus gepresstem Permalloy-Pulvermetall mit einem geringen Molybdänanteil (Moly-Permalloy-Powder). Das Metallpulver wird mit einem elektrisch isolierenden Bindemittel gemischt zur endgültigen Form gepresst und einem abschließenden Glühprozess unterzogen. Die Permeabilitätswerte liegen zwischen 25 ... 350, die maximale magnetische Flussdichte bei der magnetischen Sättigung wird um B = 0.8 Tesla erreicht.
High Flux Kerne
Sie haben verglichen mit den MPP-Kernen einen auf Kosten des Nickelanteils höheren Eisenanteil (bis 50%), der eine größere magnetische Flussdichte bis 1,5 Tesla erlaubt. Die magnetische Leitfähigkeit liegt zwischen 15 ... 160. MPP- und High-Flux-Kerne eignen sich im Frequenzbereich bis 1 MHz.
Sendust-Kerne
In ihrer typischen Zusammensetzung bestehen sie aus einer Eisen(85%)-Silizium(9%)-Aluminium(6%)-Mischung. Die Formgebung erfolgt durch Sintern. Die Permeabilitätszahlen liegen bei 25 ... 125. Die magnetische Sättigung wird bei 1,0 Tesla erreicht.

Induktivität einer Spule

In dem Moment, wo der Stromfluss durch eine Spule eingeschaltet wird, hat sie noch kein Magnetfeld. Es baut sich vom Stromfluss abhängig nach und nach auf. Ein sich änderndes Magnetfeld induziert nach der Lenzschen Regel eine Gegenspannung, die von der zeitlichen Änderung des Magnetfelds abhängig ist. Da im Einschaltmoment der Strom nur durch den ohmschen Spulenwiderstand begrenzt wird, ist die zeitliche Stromänderung im ersten Moment am größten. Das Magnetfeld wiederum ist abhängig vom Kernmaterial der Spule, von der Windungszahl und von der Spulengeometrie. Sie bestimmt für das Magnetfeld die sogenannte mittlere Feldlinienlänge lm. Alle diese Größen zusammen bestimmen die Induktivität einer Spule.

Das Formelzeichen der Induktivität ist L. Die Einheit hat zu Ehren des Physikers Joseph Henry das Kurzzeichen H für Henry erhalten. Anstelle einer mathematisch genauen Herleitung der Induktivität folgt eine vereinfachte Form. Die Induktionsspannung hat hier ein negatives Vorzeichen, da sie der an der Spule anliegenden Erregerspannung entgegengerichtet ist.

Berechnung zur Induktivität

In der Formel zur magnetischen Feldstärke H ist das Produkt aus dem Strom I und der Windungszahl N die Durchflutung Θ, die auch magnetische Spannung genannt wird. Der Kernfaktor AL hat die Bedeutung eines magnetischen Leitwertes. Fast immer wird der Kernfaktor als Zahlenwert in der Größenordnung nH angegeben. Seine genaue Bestimmung ist kaum möglich, da man oftmals nur mit einer mittleren Feldlinienlänge lm rechnen kann. Weiterhin ist die Permeabilitätszahl μr von der magnetischen Feldstärke abhängig und somit nicht konstant.

Spule mit verdoppelter Feldlinienlänge

Die Induktivität einer Windungsschlag auf Schlag gewickelten Lagenspule halbiert sich, wenn die Abstände der Windungen zueinander verdoppelt werden, also die gesamte Spule auf die zweifache Länge auseinandergezogen wird. Die mittlere Länge der Magnetfeldlinien verdoppelt sich dabei, sodass sich der Kernfaktor AL halbiert. Bei konstanter Windungszahl halbiert sich die Induktivität dieser Spule.

Es gibt eine vergleichende Gegenüberstellung der Größen im elektrischen und magnetischen Kreis. Die Induktionsspannung ist von der Stromänderung in einem bestimmten Zeitintervall abhängig. Die Einheit der Induktivität kann auch in Ω·s angegeben werden. Damit hat die Spule neben dem ohmschen Drahtwiderstand ein weiteres spezielles Widerstandsverhalten.

Eine Spule hat die Induktivität L = 1 Henry, wenn sich die Stromstärke in s = 1 Sekunde
gleichmäßig um I = 1 Ampere ändert, und dabei eine Spannung von U = 1 Volt induziert wird.

Die reale Spule

Einen idealen induktiven Blindwiderstand gibt es nicht. Die wichtigsten Eigenschaften einer Spule oder Drossel sind die Induktivität und der ohmsche Drahtwiderstand, an dem Wirkleistung in Wärmeenergie umgesetzt wird. Hat die Spule einen magnetisierbaren Kern und wird von Wechselstrom durchflossen, so treten bei der periodische Ummagnetisierung Wirbelströme im Kernmaterial auf, die den Kern erwärmen. Der Kernverlustwiderstand wird in der Ersatzschaltung durch einen parallel zum Blindwiderstand geschalteten Wirkwiderstand dargestellt. Falls notwendig kann er in einen äquivalenten Serienwiderstand umgerechnet werden.

Der Verlustfaktor und der Gütefaktor

Das Ersatzschaltbild der realen Spule ist eine gemischte Reihen- und Parallelschaltung, die in eine gleichwertige Reihenschaltung umgerechnet werden kann. Der zufließende Strom ist somit größer als der nach dem idealen Blindwiderstand berechnete Strom. Die Güte einer Spule wird in erster Linie vom ohmschen Drahtwiderstand bestimmt. In der Nachrichtentechnik werden Spulenkerne zumeist aus Ferrit gefertigt, um das Auftreten von Wirbelströmen zu minimieren. Der parallele Kernverlustwiderstand wird dadurch vernachlässigbar groß oder als umgerechneter Serienwiderstand verglichen mit dem Drahtwiderstand vernachlässigbar klein. Mit zunehmender Betriebsfrequenz erhöht sich der ohmsche Widerstand durch den Skineffekt. Infolge einer Stromverdrängung im Leiterinneren verringert sich der wirksame Drahtquerschnitt und der Widerstand des Leiters nimmt zu.

Normalerweise liegt der Frequenzbereich, wo die Spule als induktiver Widerstand eingesetzt wird, ausreichend weit unterhalb ihrer im nächsten Abschnitt behandelten Eigenresonanz. Die Gütebestimmung reduziert sich dann auf die Serienschaltung einer ideal angenommenen Induktivität und dem äquivalenten Serienwiderstand ESR. Er ist die Summe aus dem ohmschen Gleichstromwiderstand und der frequenzabhängigen Widerstandserhöhung durch den Skineffekt.

reale Spule

Je kleiner der ESR-Wert der Spule ist, desto geringer sind die Verluste und die Spule hat einen hohen Gütefaktor. In Datenblättern zu Festinduktivitäten findet man zusätzliche Angaben zum ohmschen Gleichstromwiderstand, dem maximalen Stom und sehr oft die Eigenresonanzfrequenz. Die Angabe zur Mindestgüte erfolgt innerhalb der einzelnen Induktivitätsdekaden bei festgelegten Messfrequenzen. Die Werte für Q liegen im Bereich von 20 ... 70.

Induktivität L/µH Messfrequenz fQ/MHz
1 ... 10 7,96
10 ... 100 2,52
100 ... 1000 0,796
103 ... 104 0,252
104 ... 105 0,0796

Eigenkapazität einer Spule

Die Gleichung des Blindwiderstands einer Spule zeigt mit XL = ω·L = 2·π·f·L eine direkte Proportionalität zur Frequenz. Untersucht man diesen Zusammenhang genauer, so gilt er bei sehr hohen Frequenzen nicht mehr. Die lineare Abhängigkeit geht in den Resonanzverlauf eines Parallelschwingkreises über. Die Spule muss demnach noch kapazitive Eigenschaften besitzen.

Ersatzschaltung realer Spulen

Bei einer ordentlich gewickelten Spule liegt Windung neben Windung. Die parallel zur Spule gemessene Spannung ist die Summe aller Teilspannungen zwischen benachbarten Windungen. Spannung ist als Potenzialdifferenz immer mit einem elektrischen Feld verbunden. Die parallel liegenden Spulendrähte haben somit die Eigenschaft eines kleinen Kondensators deren Teilkapazitäten zusammen die Eigenkapazität einer Spule bestimmen. Im Ersatzschaltbild liegt sie parallel zur Induktivität. Beide Blindkomponenten bilden einen Parallelschwingkreis. Da das LC-Verhältnis ausreichend groß ist, hat jede Spule eine ausgeprägte Eigenresonanz.

Als Induktivität ist eine Spule nur bei Frequenzen weit genug unterhalb ihrer Resonanzfrequenz wirksam.

Durch spezielle Wickelmethoden kann die Eigenkapazität einer Spule verkleinert werden. Bei Spulen mit wenigen Windungen wird zwischen jedem Windungsschlag etwas Abstand gehalten. Das verringert die Kapazität, da sie umgekehrt proportional zum Belagabstand ist. Spulen hoher Windungszahl werden in Teilwicklungen, Scheibenwicklungen genannt, aufgeteilt. Noch kleinere Windungskapazitäten erreicht man durch die besondere Methode der Kreuzwicklung.

Eigenkapazität einer Spule

Das folgende Diagramm zeigt das Frequenzverhalten zwei realer Spulen aus dem Labor. Beide Spulen haben mit L = 10 mH identische Werte und den gleichen Kupferdrahtwiderstand von 3 Ω. Die eine Spule ist lagengewickelt in einem Ferrit-Topfkern und die andere ist in Kreuzwickeltechnik gefertigt und hat einen einfachen Ferritkern. Für beide Spulen wurde unter gleichen Versuchsbedingungen das Bodediagramm erstellt.

Bodediagramm realer Spulen

Die lagengewickelte Spule hat im Frequenzbereich von 100 Hz bis 60 kHz induktives Verhalten. Danach verläuft die rote Kurve nicht mehr linear. Mit der gemessenen Eigenresonanz von 167 kHz errechnet sich eine Eigenkapazität von 89 pF.
Die Eigenresonanz der Spule in Kreuzwickeltechnik liegt bei 330 kHz. Daraus errechnet sich eine kleinere Eigenkapazität von 23 pF. Der Bereich des linearen induktiven Verhaltens reicht bis 100 kHz.