Wissenswertes zu Spulen und Drosseln

Aufbau und Funktion der Bauteile

Einfache Spulen bestehen aus einem Kupferdraht, der oft so gewickelt wird, dass die Windungen eng aneinander liegen. Er mündet an beiden Enden in zwei Kontakten, mit denen die Spule in den Stromkreis eingebunden wird.

Wird ein Strom an die Spule angelegt, so entsteht um den gewickelten Leiter ein sich mehrfach überlagerndes Magnetfeld, das abhängig von den Abmessungen, dem Strom und der Anzahl der Windungen der Spule ist. Je mehr Windungen auf möglichst engem Raum nebeneinander liegen, desto mehr überlagert sich das Magnetfeld der einzelnen Leiter und umso größer wird das akkumulierte Feld der Spule. Man spricht auch von einer höheren Induktivität der Spule.

Dieses Phänomen heißt Selbstinduktion und kann vielfach angewendet werden. Wird etwa Strom an die Spule angelegt, baut diese zuerst ihr Magnetfeld auf, bevor sie den Strom weiterleitet. Wird ein Strom an einen Stromkreis mit eingebauter Induktivität angelegt, so entsteht in der Spule eine Induktionsspannung, verursacht durch die Selbstinduktion der Spule. Diese Spannung ist abhängig von der Änderung des Stroms und der Induktivität der Spule. Er ist seinem Ursprung, also der angelegten Spannung, entgegen gerichtet und sorgt somit dafür, dass der Strom im Stromkreis nicht abrupt, sondern langsam ansteigt. Ähnlich verhält es sich bei abfallendem Strom. Der Strom fällt nicht radikal ab, sondern sinkt graduell. Bei Wechselstrom mit ständiger Spannungsänderung wirkt eine Spule so als induktiver Widerstand, der für eine Phasenverschiebung sorgt, bei der der Strom der Spannung nacheilt.

Die Induktivität der Spule und damit die Stärke des Effekts sind dabei von mehreren Faktoren abhängig. Dazu zählen neben der Anzahl der Windungen und der Maße der Spule auch das Material im Inneren des Bauteils. Häufig wird der Draht um ein ferromagnetisches, also magnetisierbares Material gewickelt. Dabei handelt es sich häufig um Eisen, allerdings kann auch um Beispiel Zink zum Einsatz kommen. Dieses erhöht die Induktivität verglichen mit einer sogenannten Luftspule, die ohne einen solchen Kern auskommt. Somit sind weniger Windungen nötig, was die Kosten reduziert. Bei hoher Wechselstromfrequenz oder hoher Stromstärke kann eine Spule mit Kern allerdings „sättigen“. Das sorgt dafür, dass der Kern seine Wirkung einbüßt und die Induktivität stark abfällt. Der Vorteil von Luftspulen liegt somit darin, dass ihre Induktivität stets konstant ist.

Die Induktivität ist folglich eine kompakte Zusammenfassung der elektrischen Eigenschaften einer Spule und vereint alle diese Eigenschaften als einen Wert. Das sorgt somit für eine einfache Vergleichbarkeit.

Neben der Selbstinduktion kann auch eine Fremdinduktion hervorgerufen werden. Werden zwei Spulen nebeneinandergehalten und an einer von beiden ein Strom angelegt, so lässt sich bei der anderen Spule ein induzierter Strom messen. Dieser Effekt kann sowohl zum kabellosen Übertragen von Strom wie etwa beim induktiven Laden von Autos oder zum Transformieren von Strom auf niedrigere oder höhere Spannungen verwendet werden.

Zudem gibt es verschiedene Formen von Induktivitäten. Es existieren sowohl rund gewickelte Ringkernspulen als auch Stabspulen, bei denen der Draht um einen zylinderförmigen Kern gelegt ist. Auch finden Sie bei Conrad SMD-Spulen zur Montage direkt auf der Leiterplatte. Diese sind jeweils für verschiedene Einsatzgebiete geeignet.

Wo werden Spulen und Drosseln eingesetzt?

Das Einsatzgebiet von Spulen und Drosseln ist sehr vielfältig. Drosseln werden in Wechselstromnetzen zur Blindleistungskompensation eingesetzt. Sie kompensieren die entstehende Blindleistung, die durch kapazitive Lasten, etwa verursacht durch Erdkabel, verursacht wird. Die Drossel fungiert dabei als Blindwiderstand. Sie kann somit auch verwendet werden, um absichtlich eine Phasenverschiebung hervorzurufen, bei der die Stromstärke der Spannung hinterhereilt.

Auch in Transformatoren kommen Spulen vor. Werden zwei Spulen parallel verbaut, so wird die Spannung im Verhältnis der beiden Windungsanzahlen zueinander transformiert. Besitzt etwa die primäre Spule 50 Windungen und die sekundäre 100, wird die Spannung verdoppelt.

Das Prinzip der Fremdinduktion wird auch bei Zündspulen eingesetzt. Dabei besitzt die Sekundärspule eine deutlich höhere Windungszahl, sodass eine niedrige Spannung in eine sehr hohe Spannung transformiert wird, die zur Funkenbildung eingesetzt wird. Damit lässt sich etwa ausströmendes Gas entzünden.

Spulen werden zudem in Schwingkreisen eingesetzt. Dort wird Energie zwischen einem Kondensator und einer Spule periodisch ausgetauscht. Solche Schwingkreise werden etwa in der Funk- oder Radiotechnik eingesetzt, um bestimmte Frequenzen auszuwählen und sind auch als LC-Glied bekannt. Ähnliche Schaltungen kommen auch etwa in Hochpassfiltern vor und werden da zur Filterung bestimmter Frequenzen eingesetzt.

Was sollte beim Kauf beachtet werden?

Welche Spule für Sie am besten geeignet ist, hängt besonders von dem Einsatzgebiet ab, in dem sie verwendet werden soll. Um das perfekte Bauteil für Ihren Einsatzzweck zu finden, lohnt es sich, auf einige Eckdaten zu achten.

Je nachdem, wie die Drossel gefertigt ist – wie viele Windungen sie hat, woraus der ferromagnetische Kern gefertigt ist hat oder welchen Leiterquerschnitt der Draht hat – besitzt sie eine unterschiedlich hohe Induktivität. Die Höhe dieses Wertes ist maßgebend für die Drossel. Benötigen Sie in ihrer Schaltung eine Drossel, so sollten Sie kalkulieren, über welche Induktivität sie verfügen muss und danach das richtige Bauteil bei Conrad auswählen. Die Maßeinheit für Induktivität ist Henry.

Dazu finden Sie im auf der Produktseite noch den Nennstrom und die Nennspannung, für den die jeweilige Spule ausgelegt ist. Dabei handelt es sich um den maximalen Stromwert, der über die Spule geleitet werden kann. Dieser Wert darf nicht überschritten werden, da ansonsten der Kupferdraht überhitzt und das Bauteil beschädigt wird. Dabei besteht Brandgefahr.

Außerdem lohnt es sich auf den ohmschen Widerstand (R in Ohm) der Spule zu achten. Dabei handelt es sich um den Widerstand des Kupferdrahts. Dieser begrenzt den maximalen Nennstrom und sorgt etwa im Wechselstromkreis dafür, dass die Phasenverschiebung nicht um exakt 90 Grad gelingt. In Transformatoren sorgt er für Effizienzverluste. Er sollte demnach möglichst gering sein.

Für die Montage auf Leiterplatten empfehlen sich SMD-Induktivitäten. SMD steht für „surface mounted device“ und bezeichnet Spulen, die speziell für diesen Zweck gebaut wurden.

Fazit

Der induktive Effekt von Spulen und Drosseln lässt sich in vielfacher Hinsicht sowohl mit Wechsel- als auch Gleichstrom einsetzen. Vom Transformator über die Phasenverschiebung im Wechselstrom bis zur Frequenzweiche gibt es vielfältige Einsatzgebiete. Für jeden Einsatzzweck finden Sie bei Conrad das richtige Bauteil.