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Induktionsspule und ihre praktische Anwendung in der Elektronik

2020-11-11

Trotz der weit verbreiteten Verwendung digitaler Elemente wie Prozessoren, programmierbarer Logikschaltungen und SoCs, die ihre Kombination darstellen, muss der Elektronikdesigner häufig "analoge" Elemente wie Widerstände, Kondensatoren oder Induktionsspulen verwenden. Interessanterweise ist es zwar relativ einfach, einen Widerstand oder einen Kondensator (mit einer Kapazität in der Größenordnung von Pikofarad) in der Struktur einer integrierten Schaltung herzustellen, es ist jedoch sehr schwierig mit einer Spule. Aus diesem Grund enthalten viele Komponenten in den Anwendungshinweisen noch eine Induktionsspule, die als externe Komponente angeschlossen ist. Der Artikel enthält grundlegende Informationen zu den Spulen und beschreibt deren Konstruktionselemente, die sich auf die Parameter auswirken.

Aufbau einer Induktionsspule

Induktionsspule ist kein kompliziertes Element. Es besteht aus einem Kern und isolierten Leiterspulen, die um ihn gewickelt sind. Der Spulenkern kann die Luft sein oder aus magnetischen Materialien bestehen. Es ist wichtig, dass die um den Kern gewickelten Spulen isoliert sind, daher wird ein isolierter Draht verwendet, um die Spulen herzustellen, oder sie werden mit einem nicht isolierten Draht (z. B. einem sogenannten Silberdraht) gewickelt, jedoch mit einem geeigneten Luftspalt, der die erforderliche Trennung zwischen den Wicklungen gewährleistet. Wenn die Spule mit einem nicht isolierten Draht gewickelt ist, ist die Windung beim Einschalten ein Kurzschluss, und ja, sie hat eine gewisse Induktivität, unterscheidet sich jedoch definitiv von der beabsichtigten.

In der Praxis wird häufig die Induktionsspule durch Überschreiten der zulässigen Temperatur oder Spannung beschädigt, was aus einem Kurzschluss zwischen den Wicklungen aufgrund des Durchbruchs der Wicklungsdrahtisolation besteht. Eine solche beschädigte Induktionsspule muss zurückgespult oder durch eine neue ersetzt werden. Netzwerktransformatoren werden häufig auf diese Weise beschädigt. Die weitere Verwendung eines solchen beschädigten Transformators kann zu seiner Überhitzung, einem Kurzschluss im Stromnetz oder sogar zur Zündung des Transformators selbst oder des mitgelieferten Geräts führen.

Was ist eine Induktionsspule?

Induktionsspule ist ein Element, das Energie im Kern in Form eines Magnetfelds speichert und somit die Energie des elektrischen Stroms in die Energie des Magnetfelds umwandelt oder umgekehrt. Eine Änderung des durch die Wicklungen fließenden Stroms erzeugt eine elektromotorische Kraft mit der Richtung, die dieser Änderung entgegenwirkt. In ähnlicher Weise bewirkt ein magnetisches Wechselfeld, das den Kern durchdringt, dass eine Spannung induziert wird. Mit Hilfe der Formel kann es wie folgt ausgedrückt werden:

Formel_1 Beschreibung der Formelzeichen:

  • e - elektromotorische Kraft (Spannung in Volt), die durch die Spule erzeugt wird,
  • dϕ/dt - Veränderung des magnetischen Flusses in der Zeit,
  • di/dt - Veränderung des Stromwertes in der Zeit,
  • L - Induktivität (ein Parameter der Spule, mit der Einheit Henry).

Das zuvor erwähnte Merkmal ist leicht zu bemerken - die elektromotorische Kraft e hat die entgegengesetzte Richtung der Spannung, die den Stromfluss verursacht. Dies wirkt plötzlichen Änderungen des durch die Spule fließenden Stroms entgegen und führt zu einer ihrer Grundanwendungen - der Verwendung der Induktionsspule als sogenannte Drossel.

Induktionsspule– Grundparameter

Die Grundparameter einer Spule sind ihre Induktivität und Resonanzfrequenz. Induktivität ist die Fähigkeit einer Spule, Energie in Form eines durch den Stromfluss verursachten Magnetfelds zu speichern. Die Induktivität wird in Henry gemessen und als Verhältnis der momentanen Spannung zur Änderung des Stroms über die Zeit ausgedrückt.

Formel_4

 Formel_6

 Formel_3

Diagramm des Strom- und Spannungsabfalls an den Anschlüssen der Induktionsspule Diagramm des Strom- und Spannungsabfalls an den Anschlüssen der Induktionsspule. Der Abfall ist am größten, wenn die Versorgung angeschlossen wird, und nimmt mit der Zeit ab. Dieser Abfall wirkt dem Anstieg des Stroms entgegen und daher ist die Stromstärke beim Anlegen der Leistung am niedrigsten und steigt mit der Zeit an. Es wird oft gesagt, dass die Spannung an der Spule den Strom vorauseilt

Die obige Abbildung zeigt, was mit der Spulenspannung und dem durch sie fließenden Strom geschieht, wenn eine Spannungsquelle an ihre Klemmen angeschlossen wird. Die durchgezogene rote Linie zeigt den Stromfluss. Wie zu sehen ist, steigt der Strom ab dem Moment, in dem die Quelle angeschlossen ist, mit dem durch das Ohmsche Gesetz definierten Maximalwert an, d.h. dem Verhältnis der an den Anschlüssen vorhandenen Spannung zum Widerstand der Spule. Die gestrichelte blaue Linie zeigt den Spannungsabfall an der Spule. Wie zu sehen ist, ist dieser Abfall beim Einschalten am größten, und am kleinsten ist er, nachdem der Strom seinen Maximalwert erreicht hat. Dies liegt daran, dass die Induktionsspannung entgegengesetzt zu der an die Klemmen angelegten Spannung ist.

Wir haben über die Resonanzfrequenz der Spule geschrieben, während wir die Parameter der nicht idealen Spule besprochen haben, da sie mit der parasitären Kapazität zusammenhängen.

Kernmaterial und relative magnetische Permeabilität

Ein sehr wichtiges Element einer Induktionsspule ist der Kern. Der Kern ist durch die Art des verwendeten Materials und die damit verbundene relative magnetische Permeabilität gekennzeichnet. Relativ, da es sich um die Permeabilität eines Vakuums handelt. Es ist eine dimensionslose Zahl, definiert als das Verhältnis der magnetischen Permeabilität (absolut μ) eines gegebenen Mediums zur magnetischen Permeabilität des Vakuums μ0.

Gemäß der Definition ist die magnetische Permeabilität eine Größe, die die Fähigkeit eines gegebenen Materials oder Mediums bestimmt, die magnetische Induktion zu ändern, wenn sich die Magnetfeldstärke ändert. Ansonsten kann gesagt werden, dass die Permeabilität eine Eigenschaft eines Materials oder Mediums ist, die seine Fähigkeit bestimmt, Magnetfeldlinien zu konzentrieren.

Die magnetische Permeabilität des Vakuums gemäß den 2002 vom Datenausschuss für Wissenschaft und Technologie (CODATA) veröffentlichten Daten ist ein Skalar, der mit dem Symbol μ0 gekennzeichnet ist und dessen SI-Wert ist μ0 = 4·Π·10-7= ca. 12,566370614·10-7 [H/m = V·s/A·m].

Die Induktivität der Spule wird durch die folgende Formel ausgedrückt:

Formel_2

In der Formel bedeuten einzelne Symbole:

  • L - Induktivität in Henry,
  • μ0 - magnetische Permeabilität des Vakuums,
  • μ - relative Permeabilität des Kernmaterials,
  • Z - Anzahl der Spulenwindungen,
  • S - Spulenquerschnittsfläche,
  • l - Spulenlänge.

Die relative Permeabilität von nicht kontaminierter Luft unterscheidet sich nicht wesentlich von der Permeabilität vom Vakuum. Der Einfachheit halber wird in der technischen Praxis angenommen, dass μ = 1 und die Formel für die Induktivität der Luftspule die Form annehmen:

Formel_Induktivitaet_Luftspule

 Die Magnetfeldstärke Die Kraftlinien des Magnetfeldes mit der Richtung, die der Lentz-Regel (der sogenannten "Rechtsregel") entspricht, sind blau gezeichnet.).

In Bezug auf die magnetischen Eigenschaften werden Materialien in Paramagnete (die in einem Magnetfeld zu Magneten werden), Ferromagnete (in Gegenwart eines Magnetfelds magnetisiert) und Diamagnete (das Magnetfeld schwächende) unterteilt. Die Art des Kernmaterials beeinflusst die Parameter der Spule stark. In einem idealen Vakuum befinden sich keine Partikel, die die Abhängigkeit der Induktion von der Magnetfeldstärke beeinflussen könnten. Daher wird in jedem Materialmedium die Formel für die Induktivität aufgrund des Vorhandenseins der magnetischen Permeabilität dieses Mediums modifiziert. Für ein Vakuum ist die relative Permeabilität genau gleich 1. Für Paramagnete ist die relative Permeabilität etwas größer als 1, für Diamagnete ist sie etwas kleiner als eins - für beide Medientypen ist der Unterschied so gering, dass er bei technischen Anwendungen häufig vernachlässigt wird, indem der Wert 1 angenommen wird .

Fassen wir diesen Absatz zusammen, indem wir die Parameter der Spule auflisten, die den größten Einfluss auf ihre Induktivität haben:

  • Die Induktivität der Spule steigt mit:

    • der Anzahl der Windungen,
    • der relativen Permeabilität des Kernmaterials,
    • Spulenoberfläche,
    • Verringerung der Spulenlänge.
  • Die Induktivität der Spule nimmt ab, wenn:

    • die Anzahl der Umdrehungen reduziert wird,
    • die relative Permeabilität des Kernmaterials abnimmt,
    • die Oberfläche kleiner wird,
    • Die Länge der Spule zunimmt.

Wofür werden Kerne verwendet? Der erste Grund ist, dass mit weniger Windungen mehr Energie gespeichert werden kann als beim Luftkernäquivalent. Der zweite ist die mechanische Struktur der Spule - der Kern liefert das Gerüst für die Spulen und deren Montage in der Zielvorrichtung. Der dritte wichtige Grund ist die Konzentration und Leitung des Magnetfeldes. In einigen Anwendungen ist es auch wichtig, die Induktivität der Spule einstellen zu können, indem die Position des Kerns in Bezug auf die Windungen geändert wird, beispielsweise indem er hinein- oder herausgeschoben wird.

Realspule

Bisher haben wir die Parameter einer idealen Spule berücksichtigt. Unter realen Bedingungen hat der Wicklungsdraht einen bestimmten Widerstand und eine bestimmte Kapazität, die sich auf die tatsächlichen Parameter der Spule auswirken, die wir noch nicht berücksichtigt haben.

Die Abbildung zeigt das äquivalente Gleichstromdiagramm einer realen Spule. Ein Widerstandselement, das den Widerstand des Wicklungsdrahtes darstellt, ist mit den Windungen in Reihe geschaltet. Wenn der Strom durch die Spule fließt, verursacht er nicht nur einen Spannungsabfall, sondern auch Leistungsverluste in Form von Wärme, die dazu führen können, dass sich die Spule erwärmt und die Kernparameter ändert. Infolgedessen nimmt auch die Energieeffizienz des gesamten Geräts ab.

Äquivalentes Gleichstromdiagramm einer Realspule Äquivalentes schematisches Diagramm einer Spule für die Gleichstromanalyse

Bei der Wechselstromanalyse sollte auch die parasitäre Kapazität berücksichtigt werden, die durch die isolierten Schichten des Leiters erzeugt wird. Daher ist im Ersatzdiagramm neben dem Widerstand auch ein Kondensator parallel zu den Spulenanschlüssen angeschlossen. Dies erzeugt einen RLC-Resonanzkreis, die Spule selbst ist vor Erreichen der Resonanzfrequenz induktiv und nach Erreichen kapazitiv. Daher steigt die Spulenimpedanz bis auf die Resonanzfrequenz an, um den Maximalwert in der Resonanz zu erreichen, und nimmt ab, wenn sie überschritten wird.

Veränderung der Art der Realspule Veränderung der Art der Realspule nach Erreichen der Resonanzfrequenz. Symbole auf dem Ersatzdiagramm: L - Induktivität, EPC - parasitäre Kapazität, EPR - Parallelwiderstand als Symbol für Leistungsverluste, ESR - Reihenwiderstand als Symbol für den Widerstand des Wicklungsdrahtes)

Drei Arten von Leistungsverlusten in Induktionsspulen

Bei Spulenanwendungen gibt es drei vorherrschende Arten von Leistungsverlusten. Der erste ist der zuvor erwähnte Reihenwiderstandsverlust, d.h. der Wicklungsdrahtwiderstand. Dieser Leistungsverlust sollte insbesondere dann berücksichtigt werden, wenn der durch die Spule fließende Strom hoch ist. Meistens beschäftigen wir uns damit in Netzteilen und Stromkreisen. Diese Art von Verlust bewirkt, dass sich die Spule und folglich das gesamte Gerät erwärmt. Dies ist auch die häufigste Fehlerursache, da hohe Temperaturen die Isolierung beschädigen und die Spulen kurzschließen können.

Die zweite Art von Leistungsverlust sind die Kernverluste. Sie treten als Folge einer ungleichmäßigen Kernleistung, Wirbelströmen und Änderungen der Position der magnetischen Domänen auf. Diese Verluste sind dominant, wenn der durch die Spule fließende Strom gering ist. Sie können in Hochfrequenzschaltungen, digitalen Signalabscheidern und anderen gefunden werden. Dies führt weniger zu einer Beschädigung der Spule, sondern vielmehr zu Problemen mit Signalpegelverlusten in empfindlichen Schaltkreisen.

Die dritte Art des Leistungsverlusts ist der Verlust des Magnetflusses, der durch mechanische Befestigungselemente, Luftspalte im Kern und die Unbestimmtheit der Spule selbst abgeführt werden kann.

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Zum Schluss

Dir Induktionsspule ist eine unkomplizierte Komponente und wird daher möglicherweise etwas vernachlässigt. Währenddessen muss beim Aufbau einer elektronischen Schaltung besondere Aufmerksamkeit auf die ausgewählten induktiven Komponenten - einschließlich ihrer Resonanzfrequenzen und Parameter des Kernmaterials - gewidmet werden, wenn sie mit Drosseln oder Transformatoren ausgestattet ist. Verschiedene Kerne werden bei einer aktuellen Frequenz von mehreren zehn oder Hunderten von Hertz verwendet, andere bei Hunderten von Megahertz und mehr. Manchmal reicht bei Hochfrequenzsignalen ein Kabelabschnitt mit einer Ferritperle mit Gewinde aus.

Induktionsspulen können auf verschiedene Arten hergestellt werden. Typischerweise sind mehrere bis mehrere hundert Drahtwindungen auf den Kern gewickelt. In einigen Anwendungen werden Leitungen in Form von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte hergestellt, die manchmal in einem Ferritbecher eingeschlossen sind. Heutzutage sind die meisten Spulen, insbesondere Drosseln, die in Stromkreisen verwendet werden, für die SMD-Montage hergestellt. Gleichzeitig geht der technologische Wettlauf weiter und es werden ständig neuere magnetische Materialien entwickelt, die trotz Temperaturanstieg ihre Eigenschaften behalten, geringere Verluste usw. haben.

Eine für den Niederfrequenzbetrieb ausgelegte Spule hat normalerweise einen Eisenkern und eine große Anzahl von Windungen und ist daher relativ schwer. Daher ist bei vielen Anwendungen, insbesondere bei solchen, die Stößen und Stößen ausgesetzt sind, die Installationsmethode von großer Bedeutung. Normalerweise reicht das Löten der Spule nicht aus - ihr Kern muss mit einer Klemme, Haltern oder Schrauben sicherer befestigt werden. Bei der Auswahl einer Spule oder eines Transformators für das Gerät ist dies zu berücksichtigen.

Die Verwendung von Spulen in der Elektronik

Spulen werden verwendet für:

  • die Sperrung des Wechselstromflusses im Stromkreis,
  • den Kurzschluss des Strom (Spannung),
  • Messung des Zeitablaufs anhand der Reduzierung des Stromflusses,
  • Aufbau von Schwingkreisen,
  • Aufbau von Filtern für bestimmte Frequenzen,
  • Kopplung von Verstärkerstufen,
  • Spannungsreduzierung oder -erhöhung.

Einige Spulenanwendungen ähneln den Kondensatoranwendungen. Wie wir bereits wissen, verhält sich die Spule wie ein Kondensator, wenn sie die Resonanzfrequenz überschreitet. Dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Elemente im System austauschbar verwendet werden können.

Wir empfehlen Ihnen, das Video zum Thema Induktionsspulen und deren Anwendung in der Elektronik zu sehen:

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