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Die wichtigste Aufgabe einer induktiven Drossel, auch Induktor genannt, besteht darin, unerwünschte Stromschwankungen zu verhindern. Dieses Bauteil zeichnet sich durch einen sehr einfachen und unkomplizierten Aufbau aus, mit dem es sich lohnt, sich vertraut zu machen .
Während diese Bauteile für die digitale Elektronik nicht erforderlich sind, gilt für die analoge Elektronik das Gegenteil. Spulen sind dann nicht nur ein wesentlicher Bestandteil des Entwurfs, sondern auch sehr nützlich. Wenn der Strom, der durch die Spule fließt, unterbrochen wird, erzeugt sie an ihren Anschlüssen eine Spannung, die für den Aufbau interessanter Strukturen genutzt werden kann. Tatsächlich gibt es aber noch viele weitere Eigenschaften von Drosseln, und es lohnt sich, sie alle kennenzulernen.
Was sind Induktionsspulen und Drosseln?
Die Spule dient lediglich dazu, die Spannung zu filtern und gleichzeitig die Energie des Magnetfelds zu sammeln. Ihre Eignung für einen bestimmten Stromkreis wird durch den Parameter henr (H) bestimmt, der es ermöglicht, das Magnetfeld zu messen, das durch einen bestimmten Stromkreis erzeugt werden kann. Die elektromotorische Kraft, die durch das Vorhandensein eines Magnetfelds entsteht, erzeugt einen Gegenstrom, der direkt durch die Stromschwankungen in dem betreffenden Stromkreis verursacht wird, was als Selbstinduktion bezeichnet wird.
Durch dieses Phänomen verhindert die Drossel Änderungen des Stroms. Es handelt sich um ein völlig passives und relativ kleines Bauteil, das jedoch sehr häufig für den Betrieb einiger Schaltungen erforderlich ist. Spulen können entweder den Strom drosseln oder als Funkwellenempfänger in einer LC-Schaltung arbeiten. Interessanterweise zeigt das Wickeln zweier Spulen auf denselben Kern eine transformatorähnliche Wirkung.
Was ist der Unterschied zwischen einer Induktionsspule, einer Drossel und einem Kondensator?
Eine Spule, die oft auch als Drossel bezeichnet wird, dient der Spannungsfilterung, wobei der Unterschied zwischen den beiden Formulierungen recht fließend ist. Eine Spule ist ein allgemein definiertes induktives Element, während eine Drossel direkt für die Filterung von Stromstörungen ausgelegt ist. Viele Menschen betrachten eine Drossel als das Gegenteil eines Kondensators, was auch durchaus sinnvoll ist. Der Kondensator ist parallel an den Stromkreis angeschlossen, während die Drossel in Reihe geschaltet ist. Dies ist ein sehr großer Unterschied. Der Kondensator wird von der Stromquelle aufgeladen und kann als eine Art Notstromversorgung in Form einer Batterie mit sehr geringer “Kapazität” bezeichnet werden. Die Spulen sind in Reihe geschaltet, so dass sie eine konstante Spannung perfekt durchlassen und nur von variablen Störungen getrimmt werden.
Ein Kondensator besteht aus zwei Leitern, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Eine elektrische Ladung, die an die Deckel des Kondensators angelegt wird, führt dazu, dass sie sich durch elektrostatische Anziehung im Gerät ansammelt. Wenn der Strom abgeschaltet wird, bleibt die Ladung auf den Deckeln. Es gibt viele Arten von Kondensatoren auf dem Markt, die sich in ihrer Funktionsweise und in der Ausführung ihrer Aufgaben völlig unterscheiden.
Aufbau der Spule
Die Spule hat einen recht einfachen und unkomplizierten Aufbau. Das Bauteil besteht aus einem spiralförmig gewickelten Drahtabschnitt, der je nach Spulentyp und -art unterschiedlich dick ist. Im Inneren dieser Spirale können sich je nach Modell verschiedene Arten von Material befinden. Darunter ist ein Kern aus einem magnetischen Material mit hohen magnetischen Eigenschaften zu erwähnen. Bei Drosseln werden meist Ferrit, das einen hohen elektrischen Widerstand und eine geringe Sättigungsinduktion aufweist, oder Caracas, ein Diamagnet aus Papier oder Kunststoff, verwendet. Es gibt auch Versionen von Spulen ohne Kern – bei diesen Modellen ist der Spiraldraht mit Luft gefüllt. Dabei ist jedoch ein Grundsatz wichtig: Der Draht, aus dem die Spule besteht, muss so steif sein, dass sich die Spirale nicht von selbst abwickeln kann. Unabhängig von der gewählten Variante ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die Eigenschaften von Spulen mit Kern und Luftspulen gleich sind, da die Materialien im Inneren der Spule magnetisch inert sind.
Was ist Induktion in der Spule?
Eine Spule ist ein Trägheitselement, d. h. sie speichert Energie in einem Magnetfeld. In diesem Gerät hängt der momentane Strom nicht nur von der aktuellen Spannung, sondern auch von der vergangenen Spannung ab. Wenn die Spule an einen Kondensator angeschlossen wird, entsteht ein Schwingkreis. Dieser Kreis wirkt wie ein Resonator und kann einem mechanischen Oszillatorsystem entsprechen. Dieser Kreis wird hauptsächlich in der Funktechnik verwendet und ist nach wie vor ein wichtiger Bestandteil von Hunderten von elektrischen und elektronischen Geräten.
Anwendung der Induktionsdrossel
Induktionsdrosseln haben ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere in der Elektronikindustrie und in der Elektrotechnik. Am häufigsten werden sie in Antriebssystemen eingesetzt, wo sie mit Wechselrichtern zusammenarbeiten, d. h. mit Geräten, die Gleichstrom in Wechselstrom mit einstellbarer Spannung und Frequenz umwandeln. Darüber hinaus werden Induktionsdrosseln auch in leistungselektronischen Geräten verwendet, wo sie dazu dienen, die während des Betriebs auftretenden elektromagnetischen Störungen zu reduzieren. Darüber hinaus werden diese Elemente in netzgespeisten Gleichrichtern eingesetzt. In diesem Fall dienen sie zur Unterdrückung der Restwelligkeit. In Wechselstromkreisen werden induktive Drosseln verwendet, um Kurzschlussströme zu minimieren.
Darüber hinaus sind Drosseln ein hervorragender Entstörungsschutz für Wechselstromkreise häufig verwendeter Geräte. Eine induktive Drossel findet auch Anwendung bei Impulsstabilisatoren, die bei hohen Frequenzen arbeiten, d. h. bei integrierten Schaltungen, die eine bestimmte Last versorgen. Diese Stabilisatoren sind für die Erzeugung einer stabilen Ausgangsspannung verantwortlich, die auf dem Phänomen der Selbstinduktion beruht. Eine ebenso häufige Verwendung einer induktiven Drossel ist die Unterbrechung des Stroms, der die Transistoren in den auf Thyristoren basierenden Wechselrichtern antreibt. Die Drossel ist also eines der vielseitigsten elektrischen Geräte und ihre Bedeutung in einer Schaltung sollte nicht unterschätzt werden.
Drosselwiderstand – was ist wissenswert?
Im Gegensatz zu Kondensatoren werden Drosseln in Reihe mit dem zu versorgenden Gerät geschaltet. Dies ist äußerst wichtig, da die Drossel einen sehr kleinen Widerstand für Gleichstrom und einen viel größeren Widerstand für Wechselstrom darstellt. Um den Widerstand der Drosseln zu überprüfen, können Sie ein bestimmtes Experiment durchführen, das nicht schwierig, aber auch sehr effektiv ist. Sie müssen lediglich das Multimeter, ein kombiniertes Gerät zur Messung verschiedener physikalischer Größen, auf die Messung des Widerstands einstellen und den kleinstmöglichen Bereich wählen. Verbinden Sie dann die Messspitzen miteinander und notieren Sie das erhaltene Ergebnis. Im nächsten Schritt messen Sie den Widerstand der Drossel selbst und notieren ebenfalls das Ergebnis. Der Widerstand der Drossel ergibt sich aus der Differenz zwischen den beiden notierten Ergebnissen.
Was ist der Zweck eines solchen Versuchs? Nun, wenn wir wissen, dass der Widerstand eines bestimmten Bauteils klein ist, und wir gleichzeitig das genaue Ergebnis wissen wollen, könnte dieses Ergebnis durch den Einfluss der Drähte überschätzt werden, was die endgültigen Daten verfälscht. Genau aus diesem Grund ist ein kleiner Widerstand nur im kleinsten Messbereich des Messgeräts sichtbar, so dass ein solches Experiment in vielen Fällen notwendig sein kann.
Wichtige Parameter der Spule
Eine Induktionsspule wird durch mehrere Parameter charakterisiert, die äußerst wichtig sind und sich direkt auf ihren Betrieb auswirken. Der wichtigste davon ist bei weitem die Induktivität, die in Hertz angegeben wird. Natürlich werden je nach Anwendung unterschiedliche Werte gewählt, wobei die Spanne von Nano-Hertz bis Milli-Hertz reicht, woraus folgt, dass die Spanne sehr groß ist. Darüber hinaus ist jede Spule durch ihren eigenen Widerstand gekennzeichnet. Der Widerstand ist eine Größe, die sich aus dem Verhältnis zwischen Spannung und Strom in Gleichstromkreisen ergibt. Ein weiterer Parameter ist der maximale Strom, der in einem der folgenden Abschnitte dieses Ratgebers näher erläutert werden soll.
Bei der Analyse der Parameter einer Spule ist es wichtig zu wissen, dass sie ihre Aufgabe der Filterfunktion umso besser erfüllt, je höher ihr Induktionswert ist. Kurz gesagt, alles, was durch die Spule fließt, wird später von den Kondensatoren geglättet. Die Spule selbst ist jedoch ein passives Element, d. h., sie erzeugt keinen eigenen Strom.
Maximale Spulentemperatur
Mehrere Faktoren beeinflussen die Temperatur einer Spule. Dazu gehören unter anderem der Aufbau der jeweiligen Schaltung, in der die Spule eingesetzt wird, sowie die Anordnung der einzelnen Komponenten. Darüber hinaus sind die Größe und Dicke der Leiterbahnen auf der Leiterplatte (PCB) ebenso wichtig wie der Luftstrom und alle anderen Faktoren, die sich direkt auf die Kühlqualität und -leistung auswirken. Die maximale Temperatur der Spule sagt also nicht viel aus, da sie nur die Möglichkeit bietet, diesen Wert für das Endprodukt zu bestimmen. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Temperatur eines Wärmetauschers niemals den für die ungünstigsten Betriebsbedingungen festgelegten Grenzwert überschreiten sollte.
Ungeschirmte und abgeschirmte Spule
Spulen unterscheiden sich unter anderem durch ihre Abschirmung oder deren Fehlen, was ihre Anwendung völlig verändert. Spulen ohne Abschirmung haben einen offenen magnetischen Kreis, d. h. der durch die Wicklung fließende Strom induziert im Kern einen magnetischen Fluss, der den Kern verlässt und auf die andere Seite des Kerns gelangt, was bedeutet, dass der Weg des magnetischen Flusses geschlossen wird. Der magnetische Fluss interagiert bis zu einem gewissen Grad mit Schaltkreisen, die sich in unmittelbarer Nähe befinden, und kann daher deren Eigenschaften verändern.
Eine abgeschirmte Spule ist etwas ganz anderes. Der magnetische Fluss, der durch den durch die Wicklung fließenden Strom erzeugt wird, kann den Kern nicht verlassen, so dass der Fluss die Stromkreise in der Nähe dieses Elements in keiner Weise beeinflusst. Interessanterweise hat die abgeschirmte Spule einen viel geringeren Sättigungsstrom als das abgeschirmte Modell, ist aber auch wesentlich teurer als dieses. Das bedeutet, dass beide Formen nur in bestimmten Fällen am besten funktionieren werden. Zu den Vorteilen der abgeschirmten Spule gehört die Möglichkeit, unerwünschte elektromagnetische Störungen erheblich zu reduzieren, so dass sie immer dann eingesetzt werden kann, wenn man Störungen vermeiden will. Dieser Vorteil ist bei der Verwendung von Wandlern mit einer hohen Schaltfrequenz sehr wichtig.
Spule als Mittel zur Stromfilterung auf der Basis des Arduino UNO
Der Arduino UNO ist eine sehr beliebte und häufig verwendete Schaltung, die sich durch ihre relative Einfachheit auszeichnet. Die darin enthaltenen Elemente L2 und C10 bilden zusammen einen LC-Filter, um die durch die Stromversorgung des analogen Teils verursachten Störungen zu dämpfen und zu filtern. Der Kondensator C6 hat die Aufgabe, die Versorgungsspannung für den digitalen Teil der Schaltung zu filtern. Obwohl der maximale Strom, der von der Drossel aufgenommen wird, berücksichtigt werden muss, bedeutet dies, dass sie für sich genommen normalerweise keine gute Möglichkeit ist, die Schaltung mit Strom zu versorgen, aber für den Arduino UNO ist sie aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs perfekt geeignet.
Die Drossel ist aufgrund ihrer Konstruktion ein großes Hindernis für Wechselstrom und Störungen durch Unregelmäßigkeiten. Der Strom, der durch die Drossel fließt, wird durch die Kondensatoren bis zu einem gewissen Grad vor Störungen “geglättet”, was zu einer sauberen und unverzerrten Stromzufuhr zum DAC führt.
Maximaler Drosselstrom
Der maximale Strom ist einer der wichtigsten Parameter, die Spulen beschreiben. Die Wicklungen der Bauelemente bewirken aufgrund ihres Widerstandes, dass sich nach dem Ohmschen Gesetz eine Spannung an ihnen niederschlägt, wenn Strom durch sie fließt. Was bedeutet das in der Praxis für den Käufer? Das Produkt aus Spannung und Strom ist die von der Spule abgegebene Leistung. Dabei ist zu beachten, dass der Strom, der durch die betreffende Spule fließt, deutlich unter dem maximal zulässigen Wert liegen sollte. Denn eine zu hohe Leistung führt zu einer Überhitzung und damit zum Durchbrennen der Wicklung, wodurch die Funktion dieses kleinen elektrischen Bauteils vollständig beeinträchtigt wird.
Als Faustregel gilt: Je dünner der Draht, desto größer die Induktivität, und umgekehrt hat ein dicker Draht eine viel geringere Induktivität. Die Karkasse hat einen begrenzten Platz, so dass eine höhere Induktivität die Verwendung von mehr Spulen erzwingt. Kurz gesagt, je höher die Induktivität, desto geringer der maximale Strom.
Verwendung von Spulen – allgemeine Informationen
Induktivitäten, oder anders ausgedrückt Drosseln, werden vor allem in Stromkreisen elektrischer Anlagen verwendet, die aus dem Netz gespeist werden. Darüber hinaus können sie auch Energie in Stromkreisen und verschiedenen Arten von Spannungswandlern speichern. Darüber hinaus sind sie auch als Vorschaltgeräte geeignet, so dass sie in Stromkreisen eingesetzt werden können, die Leuchtstofflampen und -röhren versorgen.
In Kombination mit einem Wechselrichter wird die Drossel auch sehr häufig in elektrischen Antriebssystemen und Schaltkreisen eingesetzt, da Drosseln Störungen und Kommutierungsstöße des Netzes minimieren. Interessanterweise finden sich Motordrosseln sowohl in Gleichstrom- als auch in Wechselstrom-Antriebssystemen, da sie in den Schaltkreisen installiert sind, die die Motorkabel mit dem Umrichter verbinden. Was ist ihre Aufgabe in diesen Fällen? Nun, die Spulen spielen hier eine äußerst wichtige Rolle, denn sie sind dafür verantwortlich, die Kontinuität des Motors zu gewährleisten und seine Pulsationen zu glätten. Darüber hinaus tragen Drosseln auch zur Minimierung des Kurzschlussstroms in einem Stromkreis bei.
Verwendung von Spulen in abgestimmten Filtern
Resonanzschaltungen, die auch als abgestimmte Filter bezeichnet werden, spielen in praktisch jedem elektrischen Gerät eine sehr wichtige Rolle. Sie dienen dazu, Frequenzen selektiv abzuschwächen, weshalb es sich lohnt, in ihrem Fall Spulenmodelle mit einem hohen Q-Parameter (Güte) zu verwenden. Wie wir wissen, ist die Güte eine Größe in einem Resonanzsystem und wird verwendet, um zu bestimmen, um wie viel Mal die Amplitude einer Resonanzschwingung größer ist als die gleiche Amplitude, aber im nicht-resonanten Bereich. Spulen für abgestimmte Filter sind in der Regel kernlos und seltener mit einem Ferrit- oder Carbonylkern mit Luftspalt erhältlich. Manchmal werden auch Spulen mit einstellbarer Induktivität, geschirmte und ungeschirmte Spulen sowie Ringkernspulen für einige Designs verwendet.
Drosseln in RFI-Filtern – Entstörung
Die Unterdrückung von unerwünschten Störungen und Signalen ist es wert, RFI-Störungsfiltern anzuvertrauen, die eine ausgezeichnete Leistung haben. Sie verwenden Spulen mit einem relativ hohen Impedanzwert und über einen großen Frequenzbereich, was bedeutet, dass sie einen niedrigen Gütewert haben sollten. Die meisten Leute entscheiden sich für Ferritkern- oder Ringkernspulen, allerdings nur für Konstruktionen mit sehr geringem Strom. Sie funktionieren vor allem deshalb gut, weil sie einen geschlossenen magnetischen Kreis und ein sehr kleines Verlustfeld haben. Manchmal wird eine Lücke benötigt, insbesondere bei höheren oder sehr hohen Strömen, und ein Ferritkern mit offenem Magnetkreis.
Stromfilterung und Spannungsspeicherung
In einigen Schaltnetzteilen können hochfrequente Störungen auftreten. Um diese zu filtern, werden sehr häufig Induktivitäten eingesetzt, was das Risiko des Auftretens minimiert. In DC/DC-Wandlern hingegen, die zur Versorgung zweier unabhängiger Quellen dienen, wie z. B. bei zwei Batterien, speichern Spulen Energie. In solchen Situationen sind Ferritkerne am besten geeignet.
