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Inhalt:
Allgemeines
Luftspulen
Spulen mit Kern
Bauformen
Einstreuungen
 Weitere Themen:
Spulen und Induktivität (Grundlagen)
Eigenschaften von Induktivität
Anwendung in der Elektronik


Allgemeines

Eine Induktivität, oft auch Spule genannt, besteht als elektrisches Bauteil hauptsächlich aus einem aufgewickelten Draht. Aufgrund seiner guten Eigenschaften als elektrischer Leiter verwendet man hierfür fast ausnahmslos Kupferdraht. Die Art der Wicklung sowie die Art und Form des eventuell verwendeten Kernmaterials hat dabei einen erheblichen Einfluß auf die Induktivität. Nachfolgend wird beschrieben, welche Typen von Induktivitäten es gibt und wie sie in der Praxis aufgebaut sind. Wenn es Sie interessiert, wie eine Spule funktioniert, können Sie dies im Dokument  Spulen und Induktivität nachlesen.


Luftspulen

Am einfachsten aufgebaut sind Luftspulen. Bei diesen wird ein elektrisch leitfähiger Draht entweder freitragend oder auf ein nicht ferromagnetisches Trägermaterial aufgewickelt. Die Induktivität hängt von zahlreichen Faktoren ab, z.B. der Länge der Spule, ihrem Querschnitt, der Anzahl der Lagen und der Dichte der Wicklung. Es gibt zwar sehr viele Faustformeln, aber man kann Spulen nur mit sehr mäßiger Genauigkeit berechnen. Dies dürfte mit ein Grund sein, warum Spulen bei Elektronikern normalerweise nicht sonderlich beliebt sind. Es ist daher üblich, daß man eine Spule bei der Selbstherstellung grob berechnet, einige Windungen mehr vorsieht als berechnet, und nach Messung der erzielten Induktivität ggf. solange wieder einige Windungen abwickelt, bis die gewünschte Induktivität erreicht ist.

Bild 1: Luftspule

In  Spulen und Induktivität wurde bereits erklärt, warum dünne Spulen eine höhere Induktivität besitzen als ansonsten baugleiche dicke Spulen mit gleicher Windungsanzahl. Zusätzlich ist es so, daß kurze, mehrlagige Spulen bei gleicher Windungsanzahl eine höhere Induktivität besitzen als einlagige, lange Spulen. Der Grund liegt auch hier darin, daß sich bei einer langen Spule aus räumlichen Gründen die Feldlinien zwischen benachbarten Windungen eine Abkürzung nehmen können. Bei einer kurzen, mehrlagigen Spule befinden sich die einzelnen Windungen hingegen in unmittelbarer Nachbarschaft, so daß dieser Effekt minimiert wird. Diesen Effekt kann man sich zunutze machen, wenn die Induktivität einer einlagigen Luftspule ein wenig zu groß ist: Statt einige Windungen abzuwickeln, kann man die Spule ein wenig in die Länge ziehen, was ebenfalls die Induktivität etwas verringert. Dies wurde in der Praxis häufig angewandt, um die Induktivität von in Schwingkreisen eingesetzten Spulen (z.B. Zwischenfrequenzfilterkreise im Radio) abzugleichen. Deshalb sollte man tunlichst scheinbar deformierte Luftspulen in Radios und anderen Empfangsgeräten weder zusammendrücken noch anders "optisch verschönern", weil man dann garantiert den Abgleich zunichte macht. Heutzutage verwendet man in Radios allerdings in ZF-Kreisen fast immer andere frequenzbestimmende Bauelemente wie z.B. Keramikschwinger, die wegen ihrer hohen Fertigungsgenauigkeit abgleichfrei und damit im Endeffekt billiger sind.

Luftspulen haben den Vorteil, daß sie sehr linear sind, d.h. daß ihre Induktivität völlig unabhängig vom Strom ist. Leider benötigt man für höhere Induktivitätswerte sehr viele Windungen, wodurch eine große Drahtlänge erforderlich ist. Eine große Drahtlänge bedeutet jedoch einen mitunter nicht unerheblichen ohmschen Widerstand. Will man diesen erniedrigen, muß man einen dickeren Draht verwenden, wodurch allerdings die Packungsdichte geringer wird und die Streuverluste (Thema "Abkürzung") steigen. Dadurch sind noch mehr Windungen erforderlich als bei einem dünnen Draht. Luftspulen mit niedrigem ohmschen Widerstand sind daher im Verhältnis zu ihrer Induktivität sehr voluminös. Das große Volumen verhindert einerseits die oft erwünschte Miniaturisierung, andererseits geht es mit einem hohen Gewicht und gleichzeitig einem hohen Preis für das viele Kupfer einher. Bei Frequenzweichen für Lautsprecher, für die Spulen mit linearem Verhalten benötigt werden, die einerseits eine relativ hohe Induktivität besitzen und andererseits für hohe Ströme geeignet sind, werden Luftspulen häufig eingesetzt, weil kaum eine andere Wahl bleibt.


Spulen mit Kern

Wenn man große Induktivitäten benötigt, sind Luftspulen eine sehr teure und zudem klobige Angelegenheit. Abhilfe ist ähnlich wie bei einem  Dielektrikum bei Kondensatoren möglich. Bei magnetischen Feldern verwendet man hierzu  ferromagnetisches Material, welches für magnetische Felder wirkt wie ein elektrischer Leiter für Strom. Eines der Probleme ist nämlich, daß magnetische Felder in Spulen meistens eine unerwünschte Abkürzung nehmen (blaue Feldlinien in Bild 4 der Seite  Spulen und Induktivität), weshalb sie nicht oder nicht vollständig zur Felderzeugung im Spuleninnern zur Verfügung stehen. Sorgt man durch Verwendung von magnetisch leitfähigem Material dafür, daß die Abkürzung unattraktiv ist, weil der längere Weg einen kleineren Widerstand besitzt, steigt die Induktivität. Man spricht unabhängig von der Form des ferromagnetischen Materials vom Spulenkern oder allgemein von Kernmaterial.

Bild 2: Spule mit ferromagnetischem Kern (links geschlossener Kern, rechts Stabkern)

Ein weiterer Effekt von ferromagnetischem Material ist der, daß es durch das reversible Umkippen der kleinen Elementarmagnete wie ein Verstärker für das magnetische Feld wirkt. Dies hat zur Folge, daß die Induktivität abhängig vom verwendeten Material ganz extrem ansteigt. Hierbei kann man durchaus eine Erhöhung der Induktivität um den Faktor 10.000 erreichen. Diese sehr erfreuliche Eigenschaft hat allerdings den Nachteil, daß der Faktor der Induktivitätserhöhung nicht konstant ist, sondern vom durch die Spule fließenden Strom abhängt. Hierbei nimmt die Induktivität ab einem bestimmten Strom drastisch ab, wenn das Kernmaterial in die Sättigung kommt (d.h. alle Elementarmagnete sind gekippt) und ist auch bei kleinen Strömen nicht konstant. Diesen Effekt kann man verringern, indem man einen Luftspalt vorsieht, sprich den magnetischen Kreis an einer Stelle unterbricht. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die induktivitätssteigernde Wirkung des ferromagnetischen Material je nach Breite des Luftspalts deutlich bis sehr stark sinkt. Ein Spezialfall eines Kerns mit Luftspalt sind Stabkerne (siehe Bild 2 rechts), bei denen der "Luftspalt" extrem groß ist und von der Spulenoberseite bis zur Unterseite reicht. Solche Spulen verhalten sich zwar vergleichsweise linear, jedoch ist ihre Induktivität nicht um mehrere Zehnerpotenzen höher als bei der gleichen Spule ohne Kern sondern nur um einen eher bescheidenen Faktor.

Ein weiterer Nachteil von Spulen mit ferromagnetischem Kern sind die sogenannten Hystereseverluste, da die Elementarmagnete ihre Lage nicht ganz verlustfrei ändern können. Die Verluste werden durch sogenannte Wirbelströme, die sich schon bei niedriger Frequenz bilden, noch weiter erhöht: Durch die andauernde Änderung des Magnetfelds werden im ferromagnetischen Material Ströme induziert, da dieses ohne besondere Maßnahmen elektrisch leitfähig ist, d.h. es wirkt wie ein in sich geschlossene Windung. Diese Ströme erzeugen in Verbindung mit der am ohmschen Widerstand des Materials abfallenden Spannung eine elektrische Leistung, die in Wärme umgewandelt wird und dadurch dem magnetischen Feld und damit letzten Endes dem Stromkreis entzogen wird.

Diese Wirbelströme wirken sich schon bei den üblichen 50 Hz beträchtlich aus, weshalb man bereits für Netzdrosseln dünne Bleche verwendet, die durch eine dünne Lackschicht oder durch eine dünne Siliziumschicht gegeneinander isoliert sind, so daß der Stromfluß zwar nicht vollständig unterbunden aber doch erheblich gehemmt wird. Bei höheren Frequenzen bis hin zu einigen Megahertz verwendet man sogenannte Ferrite. Dies sind kleine ferromagnetische Partikel, die durch ein nichtleitendes Bindemittel unter hohem Druck in die gewünschte Form gepreßt wurden. Aufgrund des nichtleitenden Bindemittels treten bei diesen nahezu keine Wirbelströme auf. Allerdings sind sie erheblich teurer als simple Eisenbleche.

Ein weiterer Effekt ist, daß die Elementarmagnete in allen ferromagnetischen Materialien eine endliche Größe besitzen, d.h. es gibt nur endlich viele davon. Dies hat zur Folge, daß bei linear steigendem Strom ein Elementarmagnet nach dem anderen umkippt, wodurch Sprünge entstehen. Die Sprünge sind zwar aufgrund der hohen Anzahl der Elementarmagnete sehr klein, aber sogar mit Amateurmitteln nachweisbar. Durch das mehr oder minder unkontrollierte Umkippen ergibt sich eine statistische Verteilung sprich ein Rauschen. Bei Luftspulen tritt dieser Effekt hingegen aufgrund des Fehlens von Elementarmagneten nicht auf.


Bauformen

Spulen sind in extrem vielen Bauformen erhältlich. Die optisch auffälligste unter den Spulen mit Kern dürften Ringkerndrosseln sein, wie sie in Dimmerschaltungen oder Schaltnetzteilen oft verwendet werden. Hierbei handelt es sich um einen ringförmigen Kern, auf den meistens nur einige wenige Windungen aufgebracht werden. Ringkerne sind aufgrund der kurzen Wege ideal, jedoch ist das Bewickeln schwierig, was im industriellen Maßstab teure Spezialmaschinen übernehmen. Werden große Induktivitäten z.B. zum Einsatz als Siebdrosseln in Röhrenschaltungen benötigt, verwendet man meistens einen Blechkern. Oft ist dieser identisch mit dem Kern eines normalen Netztransformators. Statt des Blechpakets kommt bei höheren Frequenzen oft ein Kern aus Ferritmaterial zum Einsatz. In dieser Bauform werden auch oft sogenannte Speicherdrosseln für Schaltnetzteile angeboten.

In Frequenzweichen von Lautsprechern kommen oft Luftspulen zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um kurze, dicke Spulen aus relativ dickem Draht. Aus Kostengründen wird oft ein Stab- oder Topfkern aus Ferrit verwendet, der die Induktivität zwar nicht so stark erhöht wie ein in sich geschlossener Kern, aber er wirkt auch bei weitem nicht so nichtlinear. Luftspulen für Hochfrequenzanwendungen muß man hingegen selbst anfertigen. Hierfür kann man lediglich Wickelkörper kaufen, aber wickeln muß man selbst.

Handelsüblich sind zudem kleine Stabkerndrosseln. Es handelt sich hierbei um kleine Stabkerne, auf die eine Wicklung aus Kupferdraht aufgebracht wurde. Anschließend werden sie durch eine Kunststoffumhüllung vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Sie sehen oft aus wie ein wenig groß axiale geratene Widerstände und werden manchmal sogar wie diese mit Farbringen gekennzeichnet. Man verwendet sie oft als Störschutzdrosseln ind Signal- oder Versorgungsleitungen.


Einstreuungen

Bei Spulen macht sich u.U. eine unangenehme Eigenschaft bemerkbar: Wenn sie von einem veränderlichen magnetischen Feld durchdrungen werden, wird in ihnen eine Störspannung induziert. Wenn es sich bei dem magnetischen Feld um das Streufeld des Netztrafos handelt, fängt die Spule das berüchtigte Netzbrummen ein. Dies kann man nur dadurch verhindern, indem man vermeidet, daß Spulen von äußeren magnetischen Feldern durchdrungen werden. Dies ist dadurch möglich, daß man die Spule mit ferromagnetischem Material umgibt. Da ferromagnetisches Material magnetische Feldlinien besser "leitet" als Luft, werden die magnetischen Feldlinien um die Spule herumgeleitet:

Bild 3: Spule mit ferromagnetischer Abschirmung

Rot dargestellt ist hierbei das äußere magnetische Störfeld. Für diese magnetischen Feldlinien stellt Luft einen erheblich größeren Widerstand dar als ferromagnetisches Material. Es scheint so, als ob magnetische Feldlinien von ferromagnetischen Stoffen geradezu angezogen werden. Dies liegt darin begründet, daß auf einem kleinen Umweg der Widerstand für die Feldlinien geringer ist als auf direktem Weg, weil der Weg über das ferromagnetische Material für sie nahezu widerstandsfrei ist. Diese gute magnetische Leitfähigkeit hat zur Folge, daß die magnetischen Feldlinien von der Abschirmung um die Spule herum geleitet werden. Das Innere der Abschirmung ist dabei völlig störfeldfrei - zumindest in der Therorie. In der Praxis ist die Leitfähigkeit des magnetisch leitenden Materials beschränkt, weshalb einige Störfeldlinien doch den "unbequemen" Weg durch das Innere auf sich nehmen. Die Aufteilung geschieht dabei wie bei einem elektrischen Stromkreis, bei dem ein niederohmiger und ein hochohmiger Widerstand parallel geschaltet sind: Die Ströme sind umgekehrt proportional zum Widerstand.
  

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