Spule und Drossel

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

Die bedeutsamen Eigenschaften sind das Erzeugen eines magnetischen Feldes, wenn Spulen vom elektrischen Strom durchflossenen werden, und das Generieren elektrischer Spannung, wenn sie einem zeitlich sich änderndem Magnetfeld ausgesetzt sind. 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 Generieren 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 St√∂rimpulse 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 von Spulen werden durch magnetisierbare 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 bevorzugt 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 verbundenen Wärmeverluste.

Die Magnetisierbarkeit der Metalllegierungen verhält sich nur in bestimmten Grenzen linear und geht nicht linear auslaufend in einenSättigungswert über. Mit Sintermetall-, Ferrit- oder Pulverkernen kann das zu schnelle Erreichen der magnetischen Sättigung auch in starken Magnetfeldern 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 Korngröße im Bereich der Weiss-Bezirke liegt. Die Pulver werden in die endgültige Form gepresst und in einer Schutzgasatmosph√§re erneut gesintert. Drosselkerne bestehen aus weichmagnetischen Ferriten. Sie sind leicht ummagnetisierbar und haben einen vernachlässigbar kleinen 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 weniger schnell die magnetische Sättigung. Sie eignen sich besonders gut in Speicherdrosseln von Schaltnetzteilen, wo Schaltspannungen höherer Frequenzen mit Gleichspannungen überlagert sind.

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. Sie ist abhängig von der zeitlichen Änderung des Magnetfelds. 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 sog. mittlere Feldlinienlänge lm. Alle diese Größen 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.

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 auseinander gezogen wird. Die mittlere Länge der Magnetfeldlinien verdoppelt sich und der Kernfaktor AL halbiert sich. Bei konstanter Windungszahl halbiert sich die Induktivität dieser Spule.

Spule mit verdoppelter Feldlinienlänge

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

Den idealen induktiven Blindwiderstand gibt es nicht. Die wichtigsten Eigenschaften einer Spule oder Drossel sind die Induktivität und der ohmsche Drahtwiderstand. Das Ersatzschaltbild der realen Spule ist eine gemischte Reihen- und Parallelschaltung, die in eine gleichwertige Reihenschaltung umgerechnet werden kann. Bei Spulenkernen aus Ferritmaterial, wo kaum Wirbelströme entstehen, nimmt der Kernverlustwiderstand sehr hohe Werte an. In der Parallelschaltung bleibt allein der induktive Blindwiderstand bestimmend. Die Spulengüte wird dann nur vom seriellen Drahtwiderstand beeinflusst.

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 hohen Frequenzen nicht mehr. Die lineare Abhängigkeit geht in den Resonanzverlauf eines Parallelschwingkreises über. Die Spule muss demnach noch kapazitive Eigenschaften besitzen.

Ersatzschaltung einer realen Spule

Bei einer ordentlich gewickelten Spule liegt Windung neben Windung. Die Spannung parallel zur Spule gemessen ist die Summe aller Teilspannungen zwischen benachbarten Windungen. Spannung als Potenzialdifferenz ist immer mit einem elektrischen Feld verbunden. Parallel liegende Spulendrähte haben somit die Eigenschaft eines kleinen Kondensators. Zusammen bilden alle Teilkapazitäten die Eigenkapazität einer Spule. 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 unterhalb ihrer Resonanzfrequenz wirksam.

Durch spezielle Wickelmethoden kann die Eigenkapazität einer Spule klein gehalten 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 Diagramm zeigt das Frequenzverhalten zwei realer Spulen aus dem Labor. Beide Spulen haben identische Werte mit L=10 mH und den gleichen Kupferverlustwiderstand von 3 Ω. Die eine Spule ist in einem Ferrit-Topfkern lagengewickelt. Die andere ist in Kreuzwickeltechnik hergestellt und hat einen einfachen Ferritkern. Für beide Spulen wurde unter gleichen Versuchsbedingungen das Bodediagramm erstellt.

Bodediagramm realer Spulen

Die in Lagen gewickelte 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 ein kleinerer Eigenkapazitätswert von 23 pF. Der Bereich des linearen induktiven Verhaltens reicht höher bis 100 kHz.