Ratgeber
Strom durch einen Draht zu leiten ist heutzutage eine Selbstverständlichkeit, die fast schon banal wirkt. Kein Wunder, denn diese Technik beherrscht die Menschheit seit nun schon fast 200 Jahren. Wenn aber der Draht zu einer Spule aufgewickelt wird, hat der Stromfluss plötzlich ganz andere Auswirkungen. Wir erklären Ihnen was hinter der Technik von Spulen, Drosseln und Induktivitäten steckt.
Eine Spule besteht aus einem isolierten Draht, der kreisförmig oder in anderer Form aufgewickelt wurde. Als Isolierung dient oftmals nur eine dünne Lackschicht, welche die nebeneinander liegenden Kupferdrähte elektrisch voneinander trennt.
Aufgrund dieses physikalischen Aufbaues erreicht man bestimmte elektrische Eigenschaften, die für unterschiedlichste Aufgaben genutzt werden können. So lassen sich z.B. Spulen mechanisch so aufbauen, dass sie für eine Wechselspannung mit einer niedrigen Frequenz von 50 Hz einen nur sehr kleinen Widerstand darstellen. Bei einer hohen Frequenz von mehreren Tausend Hertz hingegen, haben diese Spulen einen sehr großen Widerstand.
Solche Spulen werden vorzugsweise am Netzeingang von Elektrogeräten verwendet. Während der Strom mit der Netzfrequenz von 50 Hz die Spule problemlos passieren kann, werden hochfrequente Störimpulse aus dem Stromnetz effektiv vom Gerät ferngehalten. Auf der anderen Seite sorgen diese Spulen auch dafür, dass Störimpulse, die z.B. durch das Bürstenfeuer am Schleifring eines Kollektormotors entstehen, nicht ins öffentliche Netz abgegeben werden.
Kupferdraht auf einem Kern zu einer Spule gewickelt.
Aufgrund dieser störunterdrückenden Eigenschaften werden diese Spulen auch als Drosseln, Netzdrosseln oder Entstördrosseln bezeichnet. Zudem werden Spulen und Drosseln auch unter dem Oberbegriff Induktivitäten zusammengefasst. Da Transformatoren und Motoren aufgrund ihrer Wicklungen ebenfalls induktive Eigenschaften aufweisen, spricht der Fachmann hier aber eher von einer induktiven Last.
Eine stromdurchflossene Spule (1) erzeugt ein Magnetfeld (2), das mit einem ferromagnetischen Kern (3) verstärkt werden kann. Im Falle von Gleichstrom ergibt das einen Elektromagnet.
Wenn an einer Spule eine elektrische Spannung angelegt wird, muss der Strom immer durch jede einzelne Wicklung der Spule fließen.
Dabei baut der stromdurchflossene Leiter der Spule ein Magnetfeld auf. Aufgrund der Bauform mit den nebeneinander angeordneten Leiterschleifen addieren sich die Magnetfelder aller Spulenwindungen zu einem einzigen großen Magnetfeld. Je größer die Anzahl der Windungen und je höher der Strom ist, desto stärker wird das Magnetfeld.
Allerdings werden durch den längeren Kupferdraht auch der Ohmsche Widerstand vergrößert und die Produktionskosten erhöht. Deshalb wird oft ein Kern aus gepresstem Eisenpulver (Ferrit) in der Mitte der Spule eingesetzt, um die Permeabilität und somit das Magnetfeld zu verstärken. Der Begriff Permeabilität sagt aus, wie gut oder schlecht ein Spulenkern die Magnetfeldlinien leitet.
Wenn die Spule mit einer Gleichspannung versorgt wird, erhält man einen Elektromagneten, der u.a. auch in Sortieranlagen oder Gleichstromrelais verwendet wird. Durch Ein- und Ausschalten des Stromes kann man dann ganz nach Belieben die magnetische Wirkung ein- oder ausschalten.
Wird eine Wechselspannung an die Spule angelegt wird, reagiert eine Spule komplett anders, als bei Gleichspannung. Um die Zusammenhänge zu verstehen, muss man sich das Spulenverhalten bezogen auf eine Sinuswelle ansehen:
Durch die ansteigende Spannung baut die Spule ein immer stärker werdendes Magnetfeld auf.
Das anwachsende Magnetfeld wiederum erzeugt durch Selbstinduktion eine Spannung in der Spule, die der zugeführten Wechselspannung entgegenwirkt. Das heißt, der Stromfluss durch die Spule wird dadurch gehemmt bzw. verzögert.
Auf der hinteren Flanke der Sinuswelle reduziert sich die Spannung wieder und das Magnetfeld wird schwächer. Das zusammenbrechende Magnetfeld wiederum erzeugt ebenfalls eine Spannung, die das Magnetfeld weiter aufrechterhalten will. Bei der negativen Halbwelle der Sinuskurve wiederholt sich der Vorgang, jedoch mit umgekehrter Stromrichtung durch die Spule.
Dadurch sind im Verlauf einer Sinuswelle Strom und Spannung nicht mehr deckungsgleich. Der Strom ist „langsamer“ als die Spannung. Der Fachmann spricht hier von einer Phasenverschiebung um 90°.
Bei einer Spule findet der Stromfluss (I) mit einer Phasenverschiebung von 90° zur Spannung (U) statt.
Unser Praxistipp:
Damit sich Auszubildende Elektrotechniker und Elektroniker die Phasenverschiebung besser merken können gibt es eine einfache, aber seit Jahrzehnten ein bestens bewährte Gedankenstütze: „Bei der Induktivität kommt der Strom um 90° zu spät!“
Hinweis!
Die Selbstinduktion findet natürlich auch dann statt, wenn eine Spule mit Gleichspannung/Gleichstrom betrieben wird. Der Effekt tritt aber nur im Einschalt- und im Ausschaltmoment auf. Während das Einschalten weniger problematisch ist, können Spulen beim Ausschalten sehr hohe Spannungsspitzen erzeugen. Darum wird bei einem Gleichtromrelais eine Diode parallel zu der Spule geschaltet.
Wenn der Schalttransistor (T) angesteuert wird, fließt der Strom über das Relais (R) und den Transistor (T). Das Relais hat angezogen und der Schaltkontakt ist geschlossen. Über die Diode (D) fließt in diesem Moment kein Strom (siehe linke Skizze). Im Ausschaltmoment, wenn der Transistor (T) gesperrt wird, schließt die Diode (D) den entstehenden Induktionsstrom kurz (siehe rechte Skizze). Der Schalttransistor (T) wird somit effektiv vor den schädlichen Spannungsspitzen geschützt.
Neben der Selbstinduktion gibt es noch die Fremdinduktion. Bei der Fremdinduktion wird durch eine Spule ein Magnetfeld aufgebaut, das in einer zweiten Spule eine Spannung induziert. Die Fremdinduktion kommt bei Transformatoren oder Zündspulen zur Anwendung.
Die Diode (D) schützt im Ausschaltmoment den Schalttransistor (T) vor Induktionsspannungsspitzen.
Wie bereits erläutert, führt eine Änderung des Stromflusses in der Spule immer auch zu einer Veränderung des Spulen-Magnetfeldes. Und die Änderung des Magnetfeldes wiederum erzeugt immer eine Selbstinduktionsspannung. Diese Spannung wirkt immer der von außen zugeführten Spannungsänderung entgegen.
Wie hoch die Selbstinduktionsspannung ist, hängt von der Größe der Stromänderung, vom Zeitraum in dem die Stromänderung stattfindet und von der Induktivität der Spule ab. Die Induktivität wiederum wird durch den mechanischen Aufbau der Spule und von den Materialeigenschaften bestimmt. Dazu zählen u.a. die Anzahl der Windungen und die Abmessungen der Spule. Oft werden die Spulendrähte um einen Kern aus magnetisierbarem (ferromagnetischen) Material gewickelt, wodurch die Induktivität gesteigert wird. Die Spulenkerne können stabförmig oder als Ringkern ausgebildet sein. Aber auch andere Bauformen sind möglich.
Letztendlich ist die Induktivität eine Zusammenfassung aller elektrischen Eigenschaften einer Spule. Die Induktivität ermöglicht es zudem, unterschiedliche Spulen miteinander zu vergleichen.
Das Formelzeichen für die Induktivität ist L und die Bezeichnung ist H (Henry), nach dem amerikanischen Physiker Joseph Henry, der im 19. Jhd. die Selbstinduktion entdeckte.
Die Induktivität ist wie folgt definiert:
Wenn sich in einem Zeitraum von 1 Sekunde der Strom um 1 Ampere (A) ändert und die Selbstinduktionsspannung 1 V beträgt, hat die Spule eine Induktivität von 1 Henry (H).
Allerdings werden im Bereich der Elektronik Spulen mit deutlich geringeren Induktivitäten verwendet. Ähnlich wie bei Kondensatoren gibt es auch bei Spulen die 1/1000 Unterteilung.
| Henry | 1 H | 1 H | 100 H |
| Millihenry | 1 mH | 0,001 H | 10-3 H |
| Mikrohenry | 1 µH | 0,000001 H | 10-6 H |
| Nanohenry | 1 nH | 0,000000001 H | 10-9 H |
Bei einem Kohleschichtwiderstand, einem Metallschichtwiderstand oder einem Drahtwiderstand ist es im Prinzip völlig egal, ob er an Gleichspannung oder Wechselspannung betrieben wird. Sein Widerstandswert wird sich bei beiden Spannungsarten nicht ändern. Bei Spulen sieht die Sache schon etwas anders aus.
Wird eine Spule mit Gleichspannung versorgt, wirkt dann lediglich der Ohmsche Widerstand der Kupferwicklung. Diese Betriebsart wird bei Spulen in Gleichstromrelais genutzt. Darum haben diese Relais auch Spulen mit dünnem Draht und vielen Wicklungen.
Wird eine Spule an Wechselspannung betrieben, hängt der Widerstand der Spule von der Induktivität der Spule (L) und der Frequenz der Wechselspannung (f) abhängig. Dieser Widerstand wird als induktiver Blindwiderstand (XL) bezeichnet.
Der induktive Blindwiderstand kann wie folgt berechnet werden:
XL = 2 x π x f x L
Gleichstrom-Relais haben Spulen mit langem und dünnen Kupferdraht.
Zur Veranschaulichung haben wir den Blindwiderstand einer Spule mit 50 mH bei verschiedenen Frequenzen berechnet:
| Frequenz (f) | Blindwiderstand (XL) |
|---|---|
| 0 Hz (Gleichspannung) | < 1 Ohm* |
| 50 Hz | 15,71 Ohm |
| 100 Hz | 31,42 Ohm |
| 500 Hz | 157,08 Ohm |
| 1 kHz | 314,16 Ohm |
| 10 kHz | 3.141,59 Ohm |
| 100 kHz | 31.415,93 Ohm |
*Bei einer Gleichspannung ist lediglich der Ohmsche Widerstand des Spulendrahtes maßgeblich. Dieser wiederum ist abhängig vom Drahtquerschnitt und von der Drahtlänge. Da diese Werte bei Spulen mit gleicher Induktivität sehr stark abweichen können, ist es nicht möglich, hier einen allgemeingültigen und konkreten Wert anzugeben.
Hinweis:
Mit steigender Frequenz vergrößert sich der Blindwiderstand einer Spule. Allerdings handelt es sich bei der Tabelle um eine rein rechnerische Ermittlung der Blindwiderstandswerte. Je nach Bauart der Spule können die tatsächlichen Werte abweichen, da bei hohen Frequenzen und bei starken Strömen die Spulen u.U. nicht mehr linear reagieren. Die Spulenkerne kommen dann in die magnetische Sättigung, was zu einem Rückgang der Induktivität führt. Spulen ohne Kern weisen eine deutlich größere Linearität auf und werden als Luftspulen bezeichnet.
Unser Praxistipp:
Eisenpulvermaterialien (Fe) sind als reine Induktivität bis ca. 400 kHz einsetzbar, in höheren Frequenzbereichen wird der Verlustanteil durch den Verlustwiderstand zu groß. Ab 20 MHz sind Eisenpulver-Kerne unwirksam.
Mangan-Zink-Kerne (MnZn) sind im Frequenzbereich von 20 MHz bis 30 MHz induktiv. Nickel-Zink-Kerne (NiZn) sind bis zu Frequenzen um die 60 MHz induktiv. Bei höheren Frequenzen ist das Material verlustbehaftet. Nanokristalline Materialien (FeCuNbSiB) sind bei sehr hohen Frequenzen einsetzbar
Elektromagnete
Der klassische Einsatz einer Spule mit Gleichspannung ist der Elektromagnet. Um hohe Hebe- und Haltekräfte zu erzeugen sind die Spulen zum Teil in spezielle Metallköper eingebettet und zum Schutz vor Feuchtigkeit vergossen.
Elektromagnete werden aber auch für elektromechanische Relais oder Schütze genutzt.
Netzfilter
Wie bereits erwähnt können Spulen genutzt werden, um Störimpulse auf der Netzspannung herauszufiltern. Zum Teil werden die Spulen noch mit Kondensatoren ergänzt und so komplette Netzfiltereinheiten geschaffen. Bei einigen Netzfiltern wird die erforderliche Netzbuchse gleich noch mit in das Gehäuse integriert.
Frequenzweichen
Bei einer Frequenzweiche nutzt man den Blindwiderstand von Spulen bei unterschiedlichen Frequenzen aus. Somit ist sichergestellt, dass dem Basslautsprecher nur die tiefen Frequenzen zugeführt werden. Im Gegensatz dazu erhält der Hochtöner nur die hochfrequenten Frequenzanteile. Ebenso wie bei den Netzfiltern wird auch bei Lautsprecherweichen zusätzlich mit Kondensatoren gearbeitet, um die Frequenztrennung zu optimieren.
Schaltnetzteile
Wenn eine Spule ein Magnetfeld aufbaut, wird in diesem Magnetfeld Energie gespeichert, welche die Spule beim Ausschalten wieder abgeben kann. Spulen, die vorzugsweise dafür konstruiert wurden, werden auch Speicherspulen oder Speicherdrosseln genannt.
Der Effekt der Energiespeicherung wird bei getakteten Schaltnetzteilen oder Schaltreglern genutzt. Bei entsprechender Schalthäufigkeit können die Spulen und Transformatoren entsprechend klein ausfallen. Dadurch sind Schaltnetzteile klein, leicht und kostengünstig.
Schwingkreise
Ein Schwingkreis ist eine Kombination aus Spule und Kondensator (LC-Glied), bei dem im Resonanzfall die Energie ständig zwischen magnetischen Feld der Spule und elektrischen Feld des Kondensators hin- und herschwingt.
Mit Hilfe von Schwingkreisen kann man in der Empfangstechnik aus einem Frequenzgemisch bestimmte Frequenzen herausfiltern oder unerwünschte Frequenzen unterdrücken. Zum Teil haben diese Schwingkreise drehbare Spulenkerne in einem abgeschirmten Metallgehäuse oder auch abstimmbare Konsdensatoren, um den Filter exakt auf die gewünschte Frequenz einzustellen.
Strombegrenzung
Aufgrund ihrer induktiven Eigenschaften werden Spulen auch gerne in Wechselstromkreisen zur Strombegrenzung verwendet.
Zur Verstärkung der magnetischen Eigenschaften sind die Spulen auf leicht zu magnetisierende (weichmagnetische) Werkstoffe wie Ferrit oder Metalle gewickelt. Diese Spulen werden dann auch als Drosselspulen und bei ringförmigen Kernen als Ringkerndrosseln bezeichnet.
Kabellose Ladetechnik
Für das kabellose Laden ist in der Ladestation eine Senderspule und im Telefon eine Empfängerspule eingebaut. Sobald das Telefon auf der Ladestation abgelegt wird, wandelt die Empfängerspule das Magnetfeld der Senderspule in einen elektrischen Strom, mit dem der Akku geladen wird. Schlüsselkarten funktionieren nach demselben Schema. Die Türstation baut ein Magnetfeld auf, damit die Spule in der Karte eine Betriebsspannung für den Speicherchip erzeugen kann. Danach können über die magnetische Kopplung die erforderlichen Daten ausgetauscht werden.
Blindleistungs-Kompensation
Aufgrund der Phasenverschiebung nehmen induktive Verbraucher wie z.B. Transformatoren oder Motoren als auch kapazitive Verbraucher wie z.B. Schaltnetzteile mehr Energie auf, als sie abgeben. Diese zusätzliche Blindleistung pendelt ständig zwischen Verbraucher und Energieversorger hin und her.
Im Gegensatz zu Privatverbrauchern wird bei Industriekunden auch die Blindleistung erfasst und mit in Rechnung gestellt. Aus diesem Grund setzen Industriekunden Kompensationen mit Spulen und Kondensatoren nach den Stromzählern ein. Sind vorwiegend induktive Verbraucher im Einsatz, werden von der Kompensation Kondensatoren ans Stromnetz geschaltet. Ist die kapazitive Last größer werden Spulen an das Stromnetz geschaltet. Die Blindleistung pendelt dann nur noch zwischen Verbraucher und Kompensation und treibt die Stromkosten nicht mehr unnötig in die Höhe.
SMD-Bauformen
SMD-Bauelemente ( Surface-mounted device) werden auf der Leiterplatte fixiert und anschließend nach verschiedenen Verfahren gelötet. Diese Art der Montage bezeichnet man als Oberflächenmontage. Im Gegensatz dazu werden bei der THT-Montage (Through Hole Technology) die Anschlussdrähte der Bauelemente durch Kontaktlöcher in der Leiterplatte gesteckt und anschließend gelötet. Diese Art der Montage wird auch Durchsteckmontage genannt.
SMD-Speicherdrossel zur SMD-Montage.
Gewickelte SMD-Induktivitäten
SMD-Induktivitäten sind sehr klein und leicht. Zudem entfallen die Anschlussdrähte, wodurch SMD-Bauformen vor allem in der industriellen Fertigung verwendet werden.
Power Mulitlayer-Indukitivitäten zur SMD-Montage.
Multilayer-Induktivitäten
Eine Metallpaste, häufig Silber, wird im Spulenmuster auf eine dünne Basis aus Ferrit oder anderen Materialien aufgetragen. Diese Art von Induktivitäten ist sehr klein und kann sogar in Mobiltelefonen verbaut werden.
Drosselspulen
Radial bedrahtete Stabkerndrosseln.
Drosselspulen werden zum Verringern oder Begrenzen von Wechselströmen in einen Wechselstromkreis eingebaut.
Sie funktionieren nach folgendem Prinzip: Die Spannung, die die Selbstinduktion erzeugt, wirkt entgegen ihrer Ursache. So verringert sich der Stromfluss in der Spule durch die Spannung. Der induktive Widerstand ist das Maß für die Drosselung. Drosselspulen werden zur Strombegrenzung eingesetzt.
Ringkernspule (auch Toroidspule, Kreisringspule oder Ringspule)
Netzdrossel mit einem Ringkern.
Der Kern der Spule ist ein Kreisring. Durch diese Bauform breitet sich der magnetische Fluss nur im Kern aus. Deshalb ist das Streufeld außerhalb der Kreisringspule vergleichsweise schwach.
Ringkernspulen werden in passiven, elektrischen Filtern eingesetzt, damit hochfrequente Störungen unterdrückt werden. Aber auch in Fehlerstromschutzschaltern werden sie häufig verbaut.
Speicherdrossel
Radial bedrahtete, geschirmte Speicherdrossel
Speicherdrosseln speichern die magnetische Energie. Der Kern ist häufig durch einen Luftspalt unterbrochen, der zur mechanischen Stabilisierung mit Papier, Harz oder Plastik gefüllt wird. In diesem Luftspalt wird fast die gesamte Energie gespeichert, damit die Sättigung des Kernmaterials vermieden und ein linearer Induktivitätsverlauf gewährleistet wird.
Anwendung finden Speicherdrosseln in bestimmten Schaltnetzteilen, Schaltreglern, Invers-Wandler und SEPIC-Wandlern.
Wireless- Power Spulen
Wireless-Power Spulen der Firma Würth.
Diese Spulenart hat nur eine sehr geringe Bauhöhe und wird daher oft in Wearables eingebaut. Wireless-Power Spulen sind ideal für die kabellose Energieübertragung geeignet. Es gibt eine Senderspule in der Ladestation und eine Empfängerspule im Gerät. Zwischen diesen beiden Spulen findet eine resonante, induktive Kopplung statt. Der Ladevorgang beginnt durch Induktion.
Diese Form der Energieübertragung wird bereits angewendet, aber in Zukunft werden noch viele weitere Innovationen auf den Markt kommen. Getestet wird heute schon das Aufladen eines Elektroautos mithilfe eines Charging Pads. Dieses ist in einer Senderspule verbaut.