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Ratgeber
Ohne Spulen und Drosseln wäre moderne Elektronik schlicht undenkbar. Genutzt werden die unscheinbaren Bauteile, die man zusammenfassend Induktivitäten nennt, in den meisten elektrischen Geräten und in der Audiotechnik. In unserem Ratgeber erfahren Sie, was Spulen und Drosseln voneinander unterscheidet und wie sie funktionieren.
Im Hinblick auf den Aufbau sind Spule und Drossel identisch: Ein isolierter Draht wird auf einen Ferrit-Kern gewickelt. Die Anzahl der Windungen ist ausschlaggebend dafür, welche elektrischen Eigenschaften das Bauteil am Ende aufweist. Als Isolierung wird meist auf eine hauchdünne Lackschicht zurückgegriffen, die die einzelnen Windungen voneinander trennt. Es gibt auch Spulen ohne magnetischen Kern; diese nennt man Luftspulen. Aber was ist nun der Unterschied zwischen einer Spule und eine Drossel? Zwar haben beide Induktivitäten den gleichen Aufbau, das Einsatzgebiet unterscheidet sich dagegen grundlegend. Bei der Verarbeitung von Signalen spricht man von Spulen, während man Bauteile bei der Erzeugung oder der Nutzung von elektrischem Strom, Drosseln oder auch Drosselspulen nennt. Induktivitäten, die bei der Signalverarbeitung eingesetzt werden, weisen in der Regel geringere Toleranzen bei der Fertigung auf als es bei Drosseln der Fall ist. Eingesetzt werden Spulen und Drosseln zum Beispiel als Netzfilter auf Frequenzweichen, in Schaltnetzteilen oder zur Strombegrenzung. Auch moderne Ladetechnik, mit der sich Smartphones drahtlos aufladen lassen, kommt nicht ohne solche Bauteile aus.
Wenn Strom durch die Windungen einer Spule fliesst, entsteht ein Magnetfeld. Dabei gilt: Je höher der Strom, desto stärker wird das magnetische Feld. Damit die elektrische Energie nacheinander alle Wicklungen passiert, ist eine Isolierung des Drahtes nötig. Nur so ist es möglich, dass sich die einzelnen magnetischen Felder aller Windungen addieren und zu einem grossen Feld verschmelzen. Man spricht bei diesem Vorgang auch von Flussverkettung. Bei einem längeren Draht erhöht sich allerdings der ohmsche Widerstand. Ein höherer Widerstand erfordert dann in der Regel eine Verstärkung des Magnetfeldes durch einen magnetischen Ferrit-Kern.
Wie eine Induktivität reagiert, ist davon abhängig, welche Art der Spannung anliegt: Bei einer Gleichspannung wird aus der Spule ein Elektromagnet. Durch einfaches An- und Abschalten der Spannung lässt sich das magnetische Feld der Induktivität beliebig aktivieren oder deaktivieren. Eine Spule, die mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird, weist dagegen eine andere Reaktion auf. Bezieht man das Verhalten auf eine Sinuskurve, bildet die Spule mit ansteigender Spannung ein konstant stärker werdendes Magnetfeld aus. Dieses wiederum erzeugt durch Selbstinduktion in der Spule eine Spannung, die der zugeführten Spannung entgegenwirkt. Das Resultat ist ein gehemmter Stromfluss in der Spule. An der hinteren Flanke der Sinuswelle kommt es anschliessend zu einer Reduktion der Spannung und damit einhergehend zu einer Schwächung des magnetischen Feldes. Durch das zusammenbrechende Feld entsteht erneut eine Spannung, die bestrebt ist, das magnetische Feld aufrechtzuerhalten. Der Vorgang wiederholt sich bei der negativen Halbwelle der Sinuskurve mit umgekehrter Stromrichtung. Da Strom und Spannung somit nicht mehr deckungsgleich sind, kommt es zu einer Phasenverschiebung um 90°.
Unser Praxistipp: Hochfrequente Geräusche bei einer Induktivität vermeiden!
Wenn elektrischer Strom durch eine Spule fliesst, kann es zu Vibrationen kommen, die sich als hochfrequentes Fiepen äussern. Das ist grundsätzlich nicht schädlich für das Bauteil, kann aber von Menschen, die sich im gleichen Raum befinden, als störend empfunden werden. Ein effektiver Weg zur Ruhigstellung ist, das Bauteil komplett mit Harz zu vergiessen.
FAQ – häufig gestellte Fragen zu Spulen und Drosseln
Was versteht man unter Permeabilität?
Die Permeabilität gibt an, wie gut ein Spulenkern die Magnetfeldlinien leiten kann. Je höher der Permeabilitätswert, desto mehr wird die Induktion durch das Magnetfeld angeregt. Abhängig vom eingesetzten Material fällt die Permeabilität unterschiedlich hoch aus. Nachfolgend einige Beispiele: Gusseisen weist lediglich Werte von 70 bis 600 auf. Dagegen sind es bei Transformatorenblech bereits 600 bis 7'600 und bei einer Nickel-Eisen-Legierung zwischen 2'700 bis 20'000. Mit 100'000 bis 300'000 erreicht eine spezielle Nickellegierung mit dem Namen Supermalloy die aktuell höchsten Permeabilitätswerte.
Was ist eine Speicherdrossel?
Eine Speicherdrossel ist speziell dafür ausgelegt, die durch das Magnetfeld gespeicherte Energie beim Ausschalten wieder abzugeben. Der magnetische Kern der Drossel weist einen Luftspalt auf, der mithilfe eines nicht magnetischen Materials gefüllt und somit stabilisiert wird. Der Spalt sorgt für eine Verringerung der magnetischen Flussdichte, was dabei hilft, eine Sättigung des magnetischen Kerns zu verhindern. Zudem trägt er zu einem gleichmässigen Verlauf der Induktion bei. Speicherdrosseln werden unter anderem bei Schaltnetzteilen genutzt.
Gibt es auch besonders kleine Spulen und Drosseln?
Im Bereich der Elektronik finden Sie zahlreiche Varianten: Die besonders kleine gewickelte SMD-Induktivität wird, SMD-typisch, nicht mit Drähten, sondern mit einer unter dem Bauteil befindlichen Lötfläche auf eine Platine gelötet. Sogenannte Multilayer-Induktivitäten haben keine Spule aus Draht. Stattdessen wird mit einer Metallpaste ein spulenförmiges Muster aufgetragen. Dadurch können die Bauteile so klein gebaut werden, dass sie sogar in kleinen Geräten wie Smartphones verbaut werden können.