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Spule (Elektrotechnik)

In der Elektrotechnik sind Spulen Induktivitäten oder Drosseln. Sie sind Bestandteile elektrischer Baugruppen oder Geräte. Spulen sind passive elektrische Bauelemente.

Eine Spule ist ein Leiter (Draht, meist Kupferlackdraht oder Hochfrequenzlitze), der zu einer oder mehreren Windungen geformt ist.

Die Windungsanordnung, ihr Durchmesser, das Wickel- und das Kernmaterial legen die Induktivität und weitere Eigenschaften der Spule fest.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau, Bauteilbezeichnungen

Eine klassische Spule ist ein um einen festen Körper (Spulenkörper) gewickelter Draht. Dieser Körper muss nicht zwingend vorhanden sein. Fehlt der Wickelkörper oder ist er aus nichtmagnetischem Material, spricht man im mechanischen bzw. elektrischen Sinne von Luftspulen. Der Spulenkörper dient meist nur der mechanischen Stabilisation des Drahtes und hat im Gegensatz zum Spulenkern keinen magnetischen Einfluss.

Spulen gibt es auch in flacher Spiralform und mit rechteckigem oder beliebig anders geformtem Spulenquerschnitt. Sie können als spiralförmige Leiterbahn auch direkt auf einer Leiterplatte realisiert sein.

Spulen besitzen eine bestimmte Induktivität, diese Induktivität kann ihr eigentlicher Zweck sein (z. B. Drosselspulen, Filterspulen) oder nur sekundäre Eigenschaft sein (z. B. Transformatoren, Zugmagnete, Relaisspulen).

Bei Elektromotoren werden die Spulen als Wicklung und z. B. bei der Pupinspule als Bespulte Leitung bezeichnet.

Neben dem aufgewickelten Draht und dem Spulenkörper weist die Spule im Inneren oft einen (Spulen-)Kern (s. u.) auf, um die Induktivität zu erhöhen.

Das Wort Spule weist auf die Bauform hin (siehe Spule (Rolle)).

Funktionsweise

Eine Eigenschaft von Spulen ist deren Induktivität. Zur Steigerung der Induktivität wird der elektrische Leiter (Spulendraht) mit einer bestimmten Anzahl Windungen auf den Spulenkörper aufgebracht. Durch die magnetische Verkettung (Flussverkettung) der einzelnen Windungen untereinander, bedingt durch die räumlich nahe Anordnung der einzelnen Windungen, steigt die Induktivität von gewickelten Spulen im Quadrat mit der Windungsanzahl. Eine Verdoppelung der Windungszahl bei gleichen geometrischen Abmessungen bewirkt somit eine Vervierfachung der Induktivität.

Wird der Spulendraht von einem sich zeitlich ändernden Strom durchflossen, so entsteht um den elektrischen Leiter ein sich zeitlich ändernder magnetischer Fluss. Jede Änderung des Stromes erzeugt an den Enden des elektrischen Leiters eine Selbstinduktionsspannung. Diese Spannung ist dabei so gerichtet, dass sie ihrer Ursache (dem Strom) entgegen wirkt (Lenzsche Regel). Eine Zunahme der Änderungsrate des Stromes führt zur Erhöhung der Spannung, die dem Strom entgegen wirkt. Der Proportionalitätsfaktor zwischen sich zeitlich änderndem Strom durch den Leiter und der dabei entstehenden Selbstinduktionsspannung wird als Induktivität bezeichnet.

Reale Spulen besitzen neben der Induktivität auch noch andere, im Regelfall unerwünschte elektrische Eigenschaften wie einen elektrischen Widerstand oder parasitäre Kapazitäten.

Soll ein Gebilde aus einem langen aufgewickelten Draht dagegen eine besonders geringe Induktivität haben, müssen diese Gebilde bifilar mit einem gegenläufigen Draht gewickelt werden. So heben sich die entgegengesetzt gerichteten magnetischen Flüsse nahezu auf. Dieses Verfahren wird beispielsweise für manche Drahtwiderstände angewendet, um Widerstände mit besonders geringer parasitärer Induktivität zu erhalten.

Magnetfeld und Stromfluss

Folgende Merksätze können benutzt werden, um festzustellen, welches Ende einer Spule bei einem durch sie fließenden Gleichstrom einen magnetischen Nord- und welches Ende einen Südpol bildet (als Stromrichtung ist die Technische Stromrichtung, d. h. vom Plus- zum Minus-Pol zu benutzen):

In einer Spule der Länge l mit n Windungen, in der ein elektrischer Strom I fließt, entsteht das Magnetfeld mit der Feldstärke H

,

und die Flussdichte B ergibt sich mit der vom Spulenkern (s. u.) abhängigen Materialkonstanten μr und der magnetischen Feldkonstanten μ0 = 4 · π · 10−7 H/m zu

.

Spulenkerne

Spulenkerne haben die Aufgabe, die Induktivität der Spule zu verstärken oder zu verringern. Die durch einen magnetischen Kern erreichte Erhöhung der Induktivität führt zu einer Verringerung der für einen bestimmten Induktivitätswert erforderlichen Windungszahl bzw. Leiterlänge und damit zur Verringerung des störenden elektrischen Widerstandes der Spule.

Kerne aus elektrischen Leitern wie Kupfer oder Aluminium, die durch Feldverdrängung die Induktivität verringern, werden zur Abstimmung von Spulen verwendet.

Spule mit Eisenkern

Wird in eine Spule ein Eisenkern eingesetzt, so wird durch dessen ferromagnetische Eigenschaften die Permeabilität und damit auch die magnetische Flussdichte in der Spule erhöht. Somit kommt man mit wesentlich weniger Windungen aus, um eine benötigte Induktivität zu erreichen. Ab einer bestimmten materialabhängigen Flussdichte tritt eine Sättigungsmagnetisierung des Kerns auf.

Weil das Eisen des Kerns ein elektrischer Leiter ist, fließt in einer von Wechselstrom durchflossenen Spule mit Eisenkern in diesem ein Strom in einer quasi kurzgeschlossenen Windung, dieser heißt Wirbelstrom. Der Wirbelstrom wird geringer, wenn der Kern nicht aus einem Stück Eisen, sondern aus einem Stapel von Eisenblechen besteht, die voneinander, etwa durch eine Lackschicht, isoliert sind. Ganz verhindert wird der Wirbelstrom durch einen Spulenkern aus elektrisch nichtleitendem Material wie beispielsweise Ferrite oder Pulver-Pressstoff.

Diese magnetischen Kernmaterialien weisen typischerweise einen Hysterese-Effekt auf, der zu elektrischen Verlusten führt, weil bei jeder Periode eines Wechselstroms der Kern ummagnetisiert werden muss. Außerdem kommt dadurch eine Verformung der Stromkurve mit zusätzlichen Spitzen in jeder Periode zustande, die bei manchen Anwendungen unwillkommen ist.

Auch wird das Einschaltverhalten der Induktivität wesentlich komplexer, weil, je nach Zustand des Kerns vor dem Einschalten, gar keine Magnetisierung besteht oder als Remanenz (siehe auch bei Hysterese) schon eine Magnetisierung besteht, die entweder der Strompolarität entsprechen oder auch entgegengesetzt sein kann und dann durch den Strom erst ummagnetisiert werden muss. Diese Effekte führen dazu, dass im Extremfall beim Einschalten Sicherungen ansprechen, obwohl nominell gar nicht zu viel Last angeschlossen ist. Bei Induktivitäten in Wechselstrom-Leistungsanwendungen muss also für den Einschaltfall besondere Vorsorge getroffen werden, siehe beispielsweise bei Trafoschaltrelais. Bei Kleinsignalanwendungen führen die Hystereseeffkte lediglich zu einer verminderten Güte des Bauteils.

Kerne bei Hochfrequenzspulen

Meist wird für diesen Zweck ein Kern aus gepresstem magnetischem Pulver (Pulverkern) oder Ferrit verwendet. Zur Filterung hochfrequenter Störungen werden unter anderem Toroidspulen bzw. Ringkerndrosseln eingesetzt.

Bei abstimmbaren Spulen werden Ferritkerne mit einem Gewinde verwendet: durch Hinein- oder Herausschrauben kann die Induktivität einer solchen Spule erhöht bzw. vermindert werden. Wenn eine HF-Spule einen Kern aus Aluminium (oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material) zum Abgleich hat, verringert das Hineindrehen des Kerns die Induktivität. Das kommt daher, dass der Kern wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung eines Transformators wirkt. Ein tieferes Hineindrehen bewirkt eine Verdrängung des Magnetfeldes der Spule.

Hochfrequenzspulen

Mit zunehmender Frequenz werden die Ströme immer mehr an die Oberfläche des Drahtes verdrängt (Skineffekt). Die Drahtoberfläche entscheidet dann zunehmend über die Güte der Spule. Ab ca. 100 kHz verwendet man zur Verringerung der Verluste daher oft Hochfrequenzlitze als Wickelmaterial; sie besteht aus mehreren, voneinander isolierten feinen Drähten. Ab etwa 50 MHz werden die Spulen meist freitragend mit dickerem Draht ausgeführt. Eine versilberte Oberfläche kann die Verluste zusätzlich vermindern. Kerne für Hochfrequenzspulen bestehen aus einem ferromagnetischen, elektrisch nichtleitenden Material. Damit werden Wirbelströme im Kern verhindert. Auch mit der Bauform kann man eine Spule hochfrequenztauglich machen, indem man bei solchen mit hohen Windungszahlen (beispielsweise für den Mittelwellenbereich) parasitäre Kapazitäten durch besondere Wickelformen verringert (Waben-, Korbboden- oder Kreuzwickelspulen).

Spulen für Oszillatoren

Spulen in Oszillatoren sollen ihre Induktivität möglichst genau einhalten. Luftspulen können bei Erschütterung eine Frequenzmodulation verursachen. Sie werden deshalb auf einen Spulenkörper gewickelt, mit Lack oder Kleber fixiert oder ganz in Wachs eingebettet.

Wechselstromverhalten

Wird eine Spule an sinusförmige Wechselspannung angelegt, so wechseln der Strom und das Magnetfeld ebenfalls periodisch ihre Richtung. Die Stromänderung verursacht durch Selbstinduktion eine Spannung, die der Eingangsspannung gleicht. Bei einem Transformator kann sie an einer weiteren Wicklung entnommen werden.

Der Spulenstrom i(t) und die durch Selbstinduktion an den Klemmen erzeugte Spannung u(t) folgen bei einer idealen Spule der Gleichung

,

wobei t die Zeit und L die Induktivität der Spule ist.

Hierbei sind Strom und Spannung, wie bei passiven Bauelementen üblich, im Verbraucherzählpfeilsystem angegeben.

Da der Strom infolge der induzierten Gegenspannung nur allmählich anwachsen bzw. abfallen kann, folgt er dem Verlauf der Spannung stets mit zeitlicher Verzögerung, er ist phasenverschoben. Unter idealen Bedingungen (bei vernachlässigbar kleinem ohmschem Widerstand) eilt die Wechselspannung dem Strom um 90° voraus. Es besteht eine Trägheit der Spule gegen Stromänderungen. (Merksatz: „Bei Induktivitäten die Ströme sich verspäten“). Physikalisch gesehen verhält sich die Spule gegenüber Stromänderungen deshalb träge, weil mit einer Stromänderung gemäß der Gleichung

eine Änderung der magnetischen Spulenenergie Emag (und somit ein Energietransport) verbunden ist. Rechnerisch folgt die Phasenverschiebung aus den Ableitungsregeln für trigonometrische Funktionen: Wird beispielsweise ein sinusförmiger Strom

in die Spule eingeprägt, so ergibt sich die Spannung an der Spule durch mathematische Ableitung zu

.

Das Verhältnis von maximaler Spulenspannung und maximalem Spulenstrom beträgt bei sinusförmiger Anregung

.

Der Spule kann so ein komplexer Wechselstromwiderstand (Impedanz): zugeordnet werden, der jedoch im Gegensatz zu einem ohmschen Widerstand keine Leistung in Wärme (Verlustleistung) umsetzt. Dies rührt daher, dass in einer Viertelperiode Energie von der Spule aufgenommen wird, und in der nächsten Viertelperiode diese Energie wieder zurückgegeben wird. Dadurch pendelt die Energie nur hin und her, ohne verbraucht zu werden. Man nennt diese spezielle Form von Widerstand Blindwiderstand und den Strom Blindstrom.

Für eine Spule der Induktivität L und einen Wechselstrom der Frequenz f errechnet sich der Blindwiderstand (Reaktanz)

zu

mit der Dimension [V/A].

Hierbei nennt man ω = 2πf die Winkelfrequenz oder auch Kreisfrequenz.

Der Blindwiderstand wächst mit steigender Frequenz, wobei der ohmsche Drahtwiderstand gleich bleibt. Daher hat eine für Wechselspannung konzipierte Spule an einer gleichgroßen Gleichspannung (f = 0 Hz) einen sehr viel geringeren Widerstand, da nur noch der Drahtwiderstand den Strom behindert.

Parasitärelemente

Reale Spulen zeigen im Wechselstromkreis ein Phänomen, das mit Hilfe des topologischen Zeigerdiagramms erklärt werden kann. Der äquivalente ohmsche Serienwiderstand (ESR), der als Kupferwiderstand mit Gleichstrom bestimmt werden kann, scheint im Wechselstrombetrieb höher zu sein. Gründe dafür sind bauart- und materialbedingte zusätzliche Verluste (Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste im Kern, Skineffekt und Proximity Effect). Sie führen dazu, dass eine geringere Veränderung der Phasenlage des Stromes bzw ein höherer Wirkanteil der elektrischen Leistung auftritt, als es aufgrund des Kupferwiderstandes zu erwarten wäre.

Scheinbar ändert sich demnach der ESR (der Realteil von Z) gegenüber dem mit Gleichstrom bestimmten Wert. Diese parasitären Komponenten können zum Beispiel mit einer Messbrücke nachgewiesen werden, die in der Lage ist, Real- und Imaginärteil getrennt zu messen.

Ein weiterer parasitärer Effekt sind die Kapazitäten zwischen den Wicklungen und Anschlüssen. Diese Parasitärkapazitäten der Spule führen bei Erhöhung der Frequenz zunächst zu einem steileren Anstieg des Scheinwiderstandes, als es aufgrund der Induktivität zu erwarten wäre. Bei der Eigenresonanzfrequenz erlangt er einen Maximalwert, um anschließend wieder zu sinken – nun zeigt die Spule kapazitives Verhalten.

Dieses Phänomen ist nachteilig bei Filter- und Entstöranwendungen, wo es erforderlich ist, dass auch sehr hohe Frequenzen durch die Spule noch ausreichend gedämpft werden. Man verringert den Effekt, indem man die Spule einlagig und langgestreckt oder kreuzlagig ausführt. Auch das verteilte Nacheinander-Bewickeln mehrerer Kammern ist üblich. Oft muss man bei Filteranwendungen (z. B. Netzfilter) verschiedene Spulenbauformen kombinieren, um einerseits hohe Induktivität und andererseits eine geringe parasitäre Kapazität zu erzielen.

Siehe auch: Blindleistungskompensation und komplexe Wechselstromrechnung

Zu- und Abschaltvorgänge bei Gleichstrom

Schaltet man eine reale (d. h. verlustbehaftete) Spule an eine Gleichspannung, nimmt der Strom folgenden zeitlichen Verlauf:

mit

(Zeitkonstante)

L – Induktivität der Spule
t – Zeit
R – Kupferwiderstand der Spule

U0 – Gleichspannung

Dieser Zusammenhang zeigt, dass sich der in einer Spule fließende Strom nicht sprunghaft ändern kann. Beim Einschalten eines Gleichstromkreises mit einer Spule verhindert die der Betriebsspannung entgegenwirkende Induktionsspannung einen raschen Stromanstieg. Dieser erfolgt nach einer Exponentialfunktion. Wenn R einen hohen Wert annimmt, wird τ kleiner, somit ist der Stromanstieg auf den Endwert I0 eher abgeschlossen.

Ein plötzliches Abschalten des Spulenstromes () ist nicht möglich. In der Realität entsteht beim Versuch, den Strom zu unterbrechen, eine Spannungsspitze umgekehrter Polarität, deren Höhe nur von der parasitären Kapazität der Spule und anderen spannungsbegrenzenden Effekten (elektrischer Durchbruch, Überschläge, Schaltlichtbogen) abhängt. Sie können Schäden durch Überspannung verursachen.

Mit Gleichstrom betriebene Spulen werden daher oft durch eine parallelgeschaltete Freilaufdiode geschützt, die beim Abschalten des (Speise-)Stromes das Weiterfließen des (Spulen-)Stromes ermöglicht und die in der Spule gespeicherte magnetische Energie

größtenteils im Spulendraht und zu einem kleinen Teil in der Diode thermisch umsetzt. Die hohe Spannungsspitze an den Anschlüssen der Spule wird damit verhindert, allerdings dauert es länger, bis der Strom auf geringe Werte abgesunken ist.

Für den Abschaltvorgang mit einer „idealen“ Freilaufdiode gilt:

Die Zeitkonstante τ ist der Quotient aus Induktivität und Drahtwiderstand L/RL, sie kann bei großen Induktivitäten hoher Güte einige Sekunden betragen. Die Zeitkonstante gleicht derjenigen zu Beginn der Einschaltkurve und lässt sich durch eine an den Beginn des Strom/Zeitverlaufs angelegte Tangente bestimmen, bei der diese den Endwert I0 schneidet. Zu diesem Zeitpunkt t = τ beträgt der Wert der Stromanstiegskurve

Die Steilheit der Tangente im Nullpunkt errechnet sich aus

[A/s]

Diese Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt (oft angegeben in A/µs) ist ein wichtiger Wert für eine Vielzahl von Anwendungen, wie Thyristorschalter, Schaltnetzteile, Spannungswandler, Entstörglieder. Hier werden überall Spulen zur Energiespeicherung oder zur Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit eingesetzt. Der Spulenstrom steigt in der Praxis aufgrund des meist relativ kleinen Realteiles der Spulenimpedanz zu Beginn fast linear mit der Zeit an. Theoretisch würde der Strom durch eine Spule an konstanter Spannung immer weiter steigen, die gespeicherte Energie würde immer schneller (proportional zum Quadrat der Zeit) größer werden. In der Praxis wird die Energie, die in einer Spule gespeichert werden kann, aus folgenden Gründen begrenzt:

Es wird immer mehr elektrische Leistung in Wärmeleistung (I2·R) umgewandelt und es droht eine Überhitzung.

Aufgrund ihrer oben beschriebenen Eigenschaften können periodisch geschaltete Spulen zur Erzeugung von hohen Spannungen aus kleinen Spannungen benutzt werden (z. B. Zündspule, Spannungswandler, Funkeninduktor, Aufwärtswandler, Schaltregler).

Umgekehrt können sie zur Strombegrenzung in Wechselspannungskreisen (Vorschaltdrossel, Kommutatordrossel), und zur verlustarmen Herabsetzung von Spannungen (Abwärtswandler) und Glättung von Strömen (Siebdrossel) eingesetzt werden.

Bedruckung / Farbcodes

Um die Induktivität einer Spule anzugeben, werden manchmal Farbcodes nach folgendem Schema verwendet:

Farbcode für Spulen gemäß IEC 62-1974
Farbe Induktivität in µH Toleranz
1. Ring 2. Ring 3. Ring
(Multiplikator)
4. Ring
„keine“ × ±20 %
silber 1·10−2 = 0,01 ±10 %
gold 1·10−1 = 0,1 ±5 %
schwarz 0 0 1·100 = 1
braun 1 1 1·101 = 10
rot 2 2 1·102 = 100
orange 3 3 1·103 = 1.000
gelb 4 4 1·104 = 10.000
grün 5 5 1·105 = 100.000
blau 6 6 1·106 = 1.000.000
violett 7 7 1·107 = 10.000.000
grau 8 8 1·108 = 100.000.000
weiß 9 9 1·109 = 1.000.000.000
Farbe 1. Ring
(breit)
2. bis 4. Ring
Ziffer
5. Ring
Multiplikator
6. Ring
Toleranz
„keine“ ±20 %
silber Anfang ±10 %
gold Komma ±5 %
schwarz 0 100 µH
braun 1 101 µH ±1 %
rot 2 102 µH ±2 %
orange 3 103 µH
gelb 4 104 µH
grün 5 105 µH ±0,5 %
blau 6 106 µH
violett 7 107 µH
grau 8 108 µH
weiß 9 109 µH
Die 3. Ziffer ist optional.

Alternativ wird die Induktivität (vor allem bei höheren Werten) durch eine dreistellige Zahl angegeben. Dabei bedeuten

Beispiel: Der Aufdruck '472' bedeutet 4,7 mH.

Anwendungen

Spulen mit fester Induktivität

Spulen werden u. a. in Transformatoren, Elektromagneten, Relais, Schaltschützen, elektrodynamischen und elektromagnetischen Lautsprechern, dynamischen Mikrofonen (Tauchspule), Stromwandlern, als Ablenkspule an Fernsehbildröhren, in Galvanometern, Drehspulmesswerken, Dreheisenmesswerken, Elektromotoren, Zündspulen und analoganzeigenden Quarzuhren eingesetzt. In elektronischen Schaltungen kommen sie u. a. als frequenzbestimmendes Element oder zu Siebungszwecken zum Einsatz.

Gewundene elektrische Leiter in Drahtwiderständen, Wendelantennen, Spiralantennen, Wanderfeldröhren und Glühwendeln werden nicht als Spulen bezeichnet.

Im Kreis verlaufende Luftspulen werden nach dem mathematischen Körper auch als Toroid bezeichnet.

Veränderliche Induktivitäten

Variometer

Eine in der Messtechnik und historischen Funktechnik verwendete einstellbare Induktivität wird als Variometer bezeichnet und besteht in einer Ausführungsform aus zwei ineinander geschobenen und hintereinandergeschalteten kernlosen Spulen. Die innere Spule ist drehbar (oder entlang der Längsachse parallel verschiebbar) gelagert. Das Induktivitäts-Maximum wird erreicht, wenn die Windungsebenen parallel und gleichsinnig vom Strom durchflossen werden.

Eine weitere Ausführungsform von Variometern besteht in der Bewegung von Kernen im Inneren von Zylinderspulen. Diese Kerne können entweder aus hochpermeablem Material sein (Induktivität erhöht sich beim Hineinbewegen) oder aus gut leitendem Metall (Induktivität verringert sich durch Feldverdrängung). Die erste Variante wird im Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich eingesetzt, die zweite im UKW-Bereich. In der 1960er und 70er Jahren wurden auf diese Weise z. B. in Autoradios mechanische Senderspeicher mit mehreren Wahltasten realisiert.

Transduktoren

Transduktoren gestatten die Veränderung der Induktivität mittels eines durch eine zweite Wicklung fliessenden Gleichstromes. Sie werden auch als Magnetverstärker bezeichnet und beruhen auf der Sättigung des Kernes durch die Vormagnetisierung aufgrund des steuernden Gleichstromes. Durch diese verringert sich die Permeabilität des Kernes und damit die Induktivität der Spule.

Siehe auch