Ratgeber
Wird ein Draht von elektrischem Strom durchflossen, entsteht ein magnetisches Feld. Ist der Leiter mehrfach konzentrisch als Spule gebogen, der Anfang mit dem Ende verbunden und mit Wechselstrom versorgt, ändert sich die magnetische Polarität dieser Konstruktion mit dem Rhythmus des Wechselstroms. Es entsteht eine elektrische Spannung. Die lässt sich auf andere, ähnlich konstruierte Spulen kontaktlos übertragen – durch Induktion. Passive elektrische und elektronische Bauelemente, die diesem und ähnlichen Prinzipien folgen, sind unter dem Begriff Induktivitäten zusammengefasst. Bekannteste Vertreter sind Spulen und Drosseln. In unserem Ratgeber informieren wir Sie über die Grundlagen der Induktion, sie erfahren außerdem, wie elektromagnetische Spulen und Drosseln funktionieren und für welche Einsatzzwecke sie infrage kommen.
Unter elektromagnetischer Induktion wird die Erzeugung von Strom durch ein sich bewegendes Magnetfeld um einen elektrischen Leiter verstanden. Umgekehrt lässt sich Strom durch die Bewegung eines elektrischen Leiters durch ein statisches Magnetfeld erzeugen.
Entdeckt wurde die elektromagnetische Induktion 1831 von Michael Faraday und 1832 von Joseph Henry. Faraday demonstrierte sie mit einer Kupferdrahtspule, die um ein ringförmiges Eisenstück gewickelt war, einem Galvanometer und einem Magneten. Wenn der Magnet auf die Spule zubewegt wurde, entstand eine elektromotorische Kraft, die den Zeiger des Galvanometers bewegte. Wurde das nördliche Ende des Magneten näher herangezogen wird, floss der Strom in eine Richtung, beim südlichen Ende in die entgegengesetzte Richtung.
Die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion war ein grundlegendes Prinzip, um Elektrizität zu verstehen und nutzbar zu machen. James Clerk Maxwell formulierte die mathematische Beschreibung als Faradaysches Induktionsgesetz, später bekannt als Maxwell-Faraday-Gleichung.
Die elektrische Induktion ermöglichte zahlreiche praktische Anwendungen. Sie ist die zugrundeliegende Technologie für den Betrieb von Generatoren, bei denen mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Sie ist auch die Grundlage für Transformatoren, die die Induktion nutzen, um Energie zwischen Stromkreisen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus zu übertragen.
Darüber hinaus wird die elektromagnetische Induktion in Technologien wie der Induktionsheizung, der drahtlosen Energieübertragung und in elektromagnetischen Sensoren eingesetzt. Sie spielt eine entscheidende Rolle für das Funktionieren von Elektromotoren, Magnetresonanztomographen und verschiedenen anderen Geräten und Systemen, die auf die Umwandlung oder Übertragung von elektrischer Energie angewiesen sind.
Induktivitäten sind eine der drei wichtigsten passiven Komponenten in elektronischen Schaltungen. Die anderen beiden sind Kondensatoren und Widerstände. Induktivitäten sind in ihrer Form und den Materialien sehr einfach, erfüllen aber in elektronischen Schaltungen eine Vielzahl von Funktionen. Sie speichern elektrische Energie als Speicherdrossel in einem magnetischen Feld und widerstehen einer plötzlichen Stromänderung. Das ermöglicht Anwendungen wie EMI-Filterung, Schaltnetzteile, analoge Schaltungen, Signalverarbeitung und Hochfrequenz-Schaltungen.
Induktivitäten bestehen in der Regel aus Draht, der um einen Magnetkern aus Ferrit oder Eisen gewickelt ist. Typische Konstruktionen sind Ringkerne, Stabkerne und Trommelkerne. Spulen ohne Kern werden als Luftspulen bezeichnet. Die Gesamtstärke des Magnetfelds wird in Henries gemessen, typischerweise in Nanohenries, Mikrohenries und Millihenries. Je größer die Anzahl der Drahtwicklungen um den Kern ist, desto höher ist die Induktivität.
In der EMI-Filterung entfernen Induktivitäten zusammen mit Kondensatoren Oberwellen oder unerwünschtes Rauschen aus Gleichstromsignalen. In Schaltnetzteilen dienen sie als Energiespeicher und versorgen den Ausgangskreis mit Gleichstrom, während der Schalter selbst im Aus-Zustand ist. Umgekehrt lädt die Drosselspule ihr magnetisches Feld wieder auf, wenn der Schalter auf Ein steht. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrere tausend Mal pro Sekunde, daher der Begriff Schaltfrequenz. Das Kernmaterial ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Es hat einen großen Einfluss auf die Effektivität der Induktivität beim Betrieb mit einer bestimmten Schaltfrequenz und in unterschiedlichen Strombereichen.
Eine stromdurchflossene Spule (1) erzeugt ein Magnetfeld (2), das mit einem ferromagnetischen Kern (3) verstärkt wird. Erfolgt die die Versorgung mit Gleichstrom, entsteht ein Elektromagnet.
Fließt ein Strom durch einen Leiter, wird ein kreisförmiges Magnetfeld um den Leiter herum erzeugt.
Der Vorteil der Spulenform besteht darin, dass sie die Stärke des Magnetfelds erhöht. Die von den einzelnen Drahtwindungen erzeugten Felder verlaufen alle durch die Mitte der Spule und addieren sich.
Je mehr Windungen, desto stärker ist das erzeugte magnetische Feld. Umgekehrt induziert ein sich ändernder externer magnetischer Fluss aufgrund des Faraday'schen Induktionsgesetzes eine Spannung in einem Leiter.
Die induzierte Spannung lässt sich erhöhen, indem der Draht zu einer Spule gewickelt wird, da die Feldlinien den Stromkreis mehrfach kreuzen.
Spulen können mehr als eine Wicklung besitzen, die elektrisch voneinander isoliert sind. Bei zwei oder mehr Wicklungen um eine gemeinsame magnetische Achse, spricht man von induktiv gekoppelten oder magnetisch gekoppelten Wicklungen.
Ein zeitlich veränderlicher Strom durch eine Wicklung erzeugt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, das durch die andere Wicklung fließt und eine zeitlich veränderliche Spannung in den anderen Wicklungen induziert. Diese Konstruktion wird als Transformator bezeichnet.
Elektromagnetische Gleichstrom-Relais reagieren häufig empfindlich auf von der Spule erzeugte Spannungsspitzen. Ein schädlicher Effekt tritt vor allem im Ausschaltmoment auf. Zum Schutz des Relais wird deshalb in der Regel eine Diode parallel zu der Spule geschaltet.
Beim Ansteuern eines Schalttransistors (T) fließt der Strom über das Relais (R) und den Transistor (T). Das Relais zieht an, der Schaltkontakt ist geschlossen. Über die Diode (D) fließt in diesem Moment kein Strom (linkes Schaltbild). Im Ausschaltmoment, wenn der Transistor (T) gesperrt wird, schließt die Diode (D) den entstehenden Induktionsstrom kurz (rechtes Schaltbild). Der Schalttransistor (T) wird somit vor den schädlichen Spannungsspitzen geschützt.
In der Elektronik und Elektrotechnik erfüllt eine Drossel, die auch als Induktor oder Drosselspule bezeichnet wird, je nach ihrer spezifischen Anwendung verschiedene Funktionen. In der Elektronik ist eine Drossel eine Induktionsspule. Sie dient dazu, höherfrequente Wechselströme zu blockieren und gleichzeitig Gleichstrom und niederfrequente Wechselströme in einem Stromkreis durchzulassen.
Eine Drossel besteht in der Regel aus einer Spule aus isoliertem Draht, die oft auf einen Magnetkern gewickelt ist. Manche Drosseln bestehen jedoch auch aus einer donutförmigen Perle aus Ferrit, die auf einen Draht aufgezogen ist. Der Widerstand der Drossel nimmt mit der Frequenz zu. Durch ihren niedrigen ohmschen Widerstand lässt sie sowohl niederfrequenten Wechsel- als auch Gleichstrom mit geringem Leistungsverlust durch, aber ihre Reaktanz begrenzt die Menge des durchgelassenen Wechselstroms.
Tonfrequenzdrosseln verfügen in der Regel ferromagnetische Kerne, um ihre Induktivität zu erhöhen. Sie sind oft ähnlich wie Transformatoren aufgebaut, mit laminierten Eisenkernen und einem Luftspalt. Der Eisenkern erhöht die Induktivität für ein bestimmtes Volumen des Kerns. Hochfrequenzdrosseln sind oft in komplexen Mustern gewickelt, um die Eigenkapazität und Verluste zu verringern. Drosseln für noch höhere Frequenzen besitzen nicht-magnetische Kerne und eine niedrige Induktivität.