Spule Kapitel 1.3.3 Fragen TC301 bis TC319 Michael Funke – DL4EAX

Der Spule an Gleichspannung Eine Spule kann in einem Gleichstrom-kreis elektrische Ladung und die damit zusammenhängende Energie in einem magnetischen Feld speichern. Bildquelle: Zureks - Eigenes Werk, Gemeinfrei https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17624128

Die Spule an Gleichspannung Wird eine Spule von einem Strom durchflossen, so entsteht um die Spule ein Magnetfeld. Jede Änderung des Stroms erzeugt in der Spule eine Selbstinduktionsspannung entgegengesetzter Richtung. Deswegen erzeugt die Induktivität beim Einschalten der Gleichspannung eine hohe Selbstinduktionsspannung, die der Gleichspannung entgegen wirkt und dadurch den Stromanstieg verzögert. Bildquelle: Michael Funke – DL4EAX

Die Spule an Wechselspannung Bei einer Spule folgt der Strom der Spannung um 90° (1/4 Schwingung) nach, weil der Strom erst mit dem Zusammenfall des Magnetfeldes entsteht. Bildquelle: Hyperstryke - Eigenes Werk, Gemeinfrei https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15604055

Jeder Leiter ist eine Spule Durch ein Auseinanderziehen der Spule kann man die Induktivität einer Spule verkleinern. Sie wird bei einem geraden Leiter aber nicht gleich Null. Leitungen stellen also immer auch Induktivitäten und Kapazitäten dar und damit Schwingkreise. So können sich auf ihnen parasitäre (unkontrollierbare) Schwingungen ausbilden. Für die Unterdrückung parasitärer Schwingungen kann eine verlustbehaftete Drosselspule verwendet werden. Dazu wird eine Spule um einen Widerstand mit niedrigem Widerstandswert gewickelt. Bildquelle: Lichtblick Klasse A von DL9HCG http://www.dl9hcg.a36.de/

Blindwiderstand Wechselstromwiderstand

Blindwiderstand 𝑋𝐿=𝜔∙𝐿 𝜔=2∙𝜋∙𝑓 Je höher die Frequenz, desto höher wird der induktive Blindwiderstand “XL“. Eine höhere Frequenz bedeutet eine schnellere Änderung des Stromes und führt zu einer größeren Selbstinduktionsspannung. Diese wirkt der anliegen-den Spannung entgegen, der Widerstand erhöht sich. 𝑋𝐿=𝜔∙𝐿 𝜔=2∙𝜋∙𝑓

Blindwiderstand 𝑋𝐿=2∙𝜋∙𝑓∙𝐿 XL=2∙π∙28∙106 Hz∙ 5∙ 10-6 H XL=880 Ω Wie groß ist der Wechselstromwiderstand einer Spule mit 5 μH Induktivität bei einer Frequenz von 28 MHz? 𝑋𝐿=2∙𝜋∙𝑓∙𝐿 XL=2∙π∙28∙106 Hz∙ 5∙ 10-6 H XL=880 Ω

Verluste

Verluste Es entstehen hauptsächlich ohmsche Verluste. Die Verluste werden durch den Verlustfaktor tan δ (Tangens Delta) angegeben, der dem Kehrwert des Gütefaktors entspricht. Die Verluste werden im Ersatzschaltbild durch einen in Reihe geschalteten Widerstand dargestellt. Bildquelle: Biezl - Eigenes Werk, Gemeinfrei https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6509222

Skin Effekt Als Skin-Effekt bezeichnet man die Erscheinung, dass sich mit steigender Frequenz der Elektronenstrom mehr und mehr zur Oberfläche eines Leiters hin verlagert. Mit sinkendem stromdurchflossenen Querschnitt steigt daher der effektive Widerstand des Leiters.

Skin Effekt Frequenzabhängige Eindringtiefe (Abfall auf ca. 37 %) in einer Kupferleitung 1,6 MHz 52,4 µm 16 MHz 16,6 µm 160 MHz 5,24 µm 1,6 GHz 1,66 µm Als Gegenmaßnahme werden Leiter mit großer Oberfläche (z.B. Litzen) genutzt die man zusätzlich auch noch versilbern kann. Bildquelle: Scott Ehardt - Eigenes Werk, Gemeinfrei https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=422790

Unerwünschte Nebeneffekte

Beeinflussung Wenn ein veränderlicher Strom durch eine magnetisch gekoppelte benachbarte Spule fließt, wird durch Gegeninduktion eine Spannung erzeugt. Abhilfe: Abschirmung, bei Luftspulen Abschirmbecher. Ringkernspulen, die bedingt durch ihre Bauform nur ein sehr geringes Magnetfeld abgeben.

Spulenkerne

Spulenkerne Spulenkerne haben in der Regel die Aufgabe die Induktivität eine Spule zu verstärken. Um bei hohen Frequenzen Verluste zu vermeiden werden sie aus Ferriten gebaut. Es gibt viele verschiedene Bauformen, oft sieht man das Spulen um Kerne gewickelt werden oder Spulen in Schalenkerne eingebaut werden. Bildquelle: Cyril BUTTAY - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0 https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=880220

Spulenkerne In der Praxis gibt der Hersteller eine Induktivitätskonstante AL (in nH) an. In diesem Wert sind bereits alle Materialkonstanten und die Geometrie des Kerns zusammengefasst. 𝐿=𝑁2 ∙𝐴𝐿 𝑁= 𝐿 𝐴𝐿 𝑁2= 𝐿 𝐴𝐿

Spulenkerne 𝐿=𝑁2 ∙𝐴𝐿 𝐿=2002 ∙1100∙10−9H 𝐿=0,44 𝐻 = 44mH Wie groß ist die Induktivität einer Spule mit 200 Windungen, die auf einen Kern mit einem AL-Wert von 1100 gewickelt ist? 𝐿=𝑁2 ∙𝐴𝐿 𝐿=2002 ∙1100∙10−9H 𝐿=0,44 𝐻 = 44mH

Spulenkerne 𝑁= 𝐿 𝐴𝐿 𝑁= 3∙10−3𝐻 200∙10 −9𝐻 𝑁=122 Mit einem Schalenkern dessen AL-Wert mit 200 angegeben ist, soll eine Spule mit einer Induktivität von 3 mH hergestellt werden. Wie groß ist die erforderliche Windungszahl? 𝑁= 𝐿 𝐴𝐿 𝑁= 3∙10−3𝐻 200∙10 −9𝐻 𝑁=122

Wer mehr wissen will, darf gerne fragen! Das war es leider schon! Wer mehr wissen will, darf gerne fragen!

Initiales Autorenteam: Michael Funke - DL4EAX Willi Kiesow – DG2EAF Änderungen durch: Hier bitte Ihren Namen eintragen, wenn Sie Änderungen vorgenommen haben. Sie dürfen: Teilen: Das Material in jedwedem Format oder Medium vervielfältigen und weiterverbreiten. Bearbeiten: Das Material verändern und darauf aufbauen. Unter folgenden Bedingungen: Namensnennung: Sie müssen angemessene Urheber- und Rechteangaben machen, einen Link zur Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Diese Angaben dürfen in jeder angemessenen Art und Weise gemacht werden, allerdings nicht so, dass der Eindruck entsteht, der Lizenzgeber unterstütze gerade Sie oder Ihre Nutzung besonders. Nicht kommerziell: Sie dürfen das Material nicht für kommerzielle Zwecke nutzen. Weitergabe unter gleichen Bedingungen: Wenn Sie das Material verändern oder anderweitig direkt darauf aufbauen, dürfen Sie Ihre Beiträge nur unter derselben Lizenz wie das Original verbreiten. Der Lizenzgeber kann diese Freiheiten nicht widerrufen solange Sie sich an die Lizenzbedingungen halten. Details: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/