Spule (Elektrotechnik)

Grundaufbau und Bedeutung

Eine Spule ist in der Elektrotechnik eine Wicklung aus einem elektrischen Leiter, die ein Magnetfeld erzeugen oder erfassen kann. Sie ist entweder ein eigenständiges passives Bauelement mit definierter Induktivität oder Teil eines Geräts, etwa eines Transformators, Relais, Elektromotors, Lautsprechers oder Elektromagneten. Die Induktivität wird in Henry (H) gemessen.

Meist besteht eine Spule aus isoliertem Draht, Kupferlackdraht, versilbertem Kupferdraht oder Hochfrequenzlitze. Eine Windung ist ein vollständiger Umlauf einschließlich der Zuleitungen; die Windungszahl ist daher ganzzahlig. Häufig liegt der Draht auf einem Spulenkörper, der ihn mechanisch stabilisiert. Ein magnetischer Spulenkern kann zusätzlich die Induktivität beeinflussen. Fehlt ein Kern oder besteht der Träger aus nichtmagnetischem Material, handelt es sich elektrisch um eine Luftspule.

Spulen können zylindrisch, rechteckig oder als flache Spirale ausgeführt sein. Auch spiralförmige Leiterbahnen auf einer Leiterplatte wirken als Spulen. Die Windungen müssen gegeneinander und gegen einen eventuell leitenden Kern isoliert sein, damit kein Windungsschluss entsteht. Bei mehreren Wicklungslagen oder Wicklungen werden ab Spannungsdifferenzen von etwa 50 V häufig zusätzliche Zwischenisolationen, beispielsweise aus Lackpapier, eingesetzt.

Induktivität und Spulengüte hängen unter anderem von Windungszahl und -anordnung, Abmessungen, Drahtdurchmesser, Wickelmaterial und Kernmaterial ab. Die Induktivität kann der eigentliche Zweck sein, etwa bei Drossel- und Filterspulen, oder nur eine notwendige Eigenschaft, etwa bei Transformatoren und Relaisspulen.

Induktivität und Magnetfeld

Fließt Strom durch eine Spule, entsteht ein Magnetfeld. Aufgrund der magnetischen Verkettung der nahe beieinanderliegenden Windungen wächst die Induktivität theoretisch mit dem Quadrat der Windungszahl. Bei unveränderter Geometrie führt eine Verdoppelung der Windungszahl somit zu einer Vervierfachung der Induktivität.

Eine Spule widersetzt sich Änderungen des Stroms durch Selbstinduktion. Bei einer idealen Spule mit L = 1 H, an der 1 V anliegt, steigt der Strom innerhalb von 1 s auf 1 A. Ein sich ändernder magnetischer Fluss erzeugt eine Induktionsspannung. Nach der Lenzschen Regel ist sie so gerichtet, dass sie der verursachenden Änderung entgegenwirkt. Die Induktivität L ist der Proportionalitätsfaktor zwischen der zeitlichen Stromänderung und der Selbstinduktionsspannung.

Für eine schlanke Spule, deren Länge l viel größer als ihr Durchmesser ist, gilt bei n Windungen und Strom I für die magnetische Feldstärke: H = I · n/l.

Mit der relativen Permeabilität μᵣ des Kernmaterials und der magnetischen Feldkonstanten μ₀ ergibt sich die magnetische Flussdichte: B = μᵣ · μ₀ · H = μᵣ · μ₀ · I · n/l.

Zur Bestimmung der Pole gilt bei technischer Stromrichtung von Plus nach Minus: Blickt man auf ein Spulenende und fließt der Strom dort im Uhrzeigersinn, ist dieses Ende der magnetische Südpol; gegen den Uhrzeigersinn ist es der Nordpol. Bei der Rechte-Hand-Regel umfassen die Finger die Spule in Stromrichtung, während der Daumen zum Nordpol zeigt. Im Inneren einer langen Spule mit vielen Windungen ist das Feld annähernd homogen; außerhalb ähnelt es dem Feld eines Stabmagneten.

Verhalten bei Wechsel- und Gleichspannung

Für eine ideale lineare Spule gilt die Spulengleichung: u(t) = L · di(t)/dt.

Sie setzt lineares Kernverhalten mit B = μ₀μᵣH, eine vernachlässigbar kleine elektrische Feldstärke im Wickeldraht sowie eine zeitlich konstante Induktivität voraus. Bei Wechselspannung folgt der Strom der Spannung verzögert. Bei einer idealen Spule eilt die Spannung dem Strom um 90° voraus. Für einen sinusförmigen Strom i(t) = I₀ · sin(ωt) gilt: u(t) = ωL · I₀ · cos(ωt), U₀/I₀ = ωL, Z = jωL, X = 2πfL = ωL und ω = 2πf.

X ist der induktive Blindwiderstand. Er steigt mit der Frequenz, während der ohmsche Drahtwiderstand grundsätzlich bestehen bleibt. Eine ideale Spule setzt im Blindwiderstand keine Energie dauerhaft in Wärme um, sondern nimmt sie während einer Viertelperiode auf und gibt sie in der nächsten wieder ab. Im Magnetfeld ist die Energie Eₘₐg = ½LI² gespeichert.

Bei Gleichspannung kann sich der Strom ebenfalls nicht sprunghaft ändern. Für eine reale Spule mit Drahtwiderstand Rᴸ gilt die Zeitkonstante τ = L/Rᴸ und der Endstrom I₀ = U₀/Rᴸ. Beim Einschalten gilt: iᴸ(t) = I₀(1 − e^(−t/τ)), uᴸ(t) = U₀e^(−t/τ). Beim Ausschalten gilt: iᴸ(t) = I₀e^(−t/τ), uᴸ(t) = −U₀e^(−t/τ). Bei t = τ erreicht der Einschaltstrom ungefähr 0,6321 · I₀.

Eine abrupte Unterbrechung erzeugt eine Spannungsspitze umgekehrter Polarität, die Bauteile beschädigen kann. Eine parallelgeschaltete Freilaufdiode ermöglicht das Weiterfließen des Stroms und wandelt die gespeicherte Energie überwiegend im Spulendraht in Wärme um; der Strom klingt dadurch langsamer ab. Die speicherbare Energie ist praktisch begrenzt: Der Kern kann in magnetische Sättigung geraten, und am Drahtwiderstand wird zunehmend die Leistung I²Rᴸ in Wärme umgesetzt.

Kerne, Verluste und Hochfrequenzverhalten

Magnetische Kerne erhöhen die Induktivität. Dadurch sind für einen gewünschten Wert weniger Windungen und weniger Leiterlänge nötig, was den Drahtwiderstand verringert. Leitende Kerne aus Kupfer oder Aluminium können dagegen durch Feldverdrängung die Induktivität senken und werden beispielsweise zur Abstimmung von Hochfrequenzspulen eingesetzt.

Ein Eisenkern erhöht durch seine ferromagnetischen Eigenschaften Permeabilität und Flussdichte, kann aber ab einer materialabhängigen Flussdichte in Sättigung geraten. In leitendem Eisen entstehen außerdem erwärmende Wirbelströme. Deshalb werden niederfrequente Kerne häufig aus gegeneinander isolierten Eisenblechen aufgebaut. Bei hohen Frequenzen verwendet man elektrisch nichtleitende Pulverkerne oder Ferrit. Hysterese, also die verzögerte Ummagnetisierung mit verbleibender Remanenz, verursacht zusammen mit Wirbelströmen die Eisenverluste und kann den Stromverlauf verzerren. Bei Transformatoren und Drosseln kann Magnetostriktion, eine geringe mechanische Größenänderung des Kerns, hörbares Netzbrummen erzeugen.

Reale Spulen besitzen zusätzlich zur Induktivität einen ohmschen Widerstand und parasitäre Kapazitäten. Der äquivalente Serienwiderstand ESR erscheint bei Wechselstrom durch Skineffekt, Proximity-Effekt sowie Wirbelstrom-, Hysterese- und Nachwirkungsverluste größer als der mit Gleichstrom gemessene Kupferwiderstand. Die Kapazitäten zwischen Windungen und Anschlüssen werden als Wicklungskapazität Cᴾ zusammengefasst. An der Eigenresonanz erreicht der Scheinwiderstand sein Maximum; oberhalb davon verhält sich die Spule zunehmend kapazitiv. Einlagige, langgestreckte, kreuzlagige oder auf mehrere Kammern verteilte Wicklungen können die parasitäre Kapazität vermindern.

Mit steigender Frequenz verdrängt der Skineffekt den Strom an die Leiteroberfläche. Ab etwa 100 kHz wird deshalb häufig Hochfrequenzlitze aus vielen gegeneinander isolierten feinen Drähten verwendet. Ab etwa 50 MHz sind Spulen meist freitragend aus dickerem Draht aufgebaut; versilberte Oberflächen können Verluste weiter senken. Waben-, Korbboden- und Kreuzwicklungen reduzieren bei vielen Windungen parasitäre Kapazitäten. Oszillatorspulen müssen ihre Induktivität besonders genau einhalten; Temperaturänderungen des Kerns können durch passend gewählte Schwingkreiskondensatoren kompensiert werden.

Bauformen und Anwendungen

Spulen werden in LC-Schwingkreisen, Tief-, Hoch- und Bandpässen, zur Phasengangkorrektur und Störungsunterdrückung, zur Stromglättung sowie als Energiespeicher in Schaltnetzteilen eingesetzt. Als Drosseln begrenzen sie Ströme oder dämpfen unerwünschte Frequenzen. Weitere Anwendungen finden sich in Transformatoren, Relais, Elektromagneten, Elektromotoren, Lautsprechern, dynamischen Mikrofonen, Gitarrentonabnehmern, Messwerken, Stromwandlern, Zündspulen und Quarzuhren. Periodisch geschaltete Spulen können hohe Spannungen aus kleinen Spannungen erzeugen, etwa in Aufwärtswandlern; in Abwärtswandlern dienen sie der verlustarmen Spannungsherabsetzung.

Spulen werden seltener als Widerstände und Kondensatoren verwendet, weil sie häufig teurer, schwieriger herzustellen und schlechter in Halbleiterschaltungen integrierbar sind. Wo möglich, bildet man ihre Wirkung daher mit Kondensatoren, Widerständen und aktiven Bauelementen nach, beispielsweise durch eine Gyrator-Schaltung.

Zu wichtigen Bauformen gehören Luftspulen, zylindrische Solenoide, planare Leiterplattenspulen, SMD-Chipinduktivitäten und Bifilarspulen mit zwei gleichzeitig parallel gewickelten Wicklungen und besonders hoher magnetischer Kopplung. Schwingspulen und Tauchspulen sind bewegliche Antriebseinheiten, die durch die Lorentzkraft ausgelenkt werden.

Bei veränderlichen Induktivitäten verändert ein Variometer die magnetische Kopplung zwischen zwei Spulen oder verschiebt einen magnetischen beziehungsweise leitenden Kern. Abgleichspulen werden einmalig eingestellt, etwa um Resonanzfrequenz oder Bandbreite festzulegen. Ein weiter hineingedrehter Ferritkern erhöht, ein leitender Aluminiumkern verringert die Induktivität. Rollspulen verändern durch eine Rolle oder einen Schleifer die wirksame Windungszahl und dienen besonders bei Senderleistungen von einigen 10 W bis zu einigen 100 kW der Anpassung an Antennen. Transduktoren oder Magnetverstärker steuern die Induktivität durch einen Gleichstrom in einer zweiten Wicklung, der den Kern vormagnetisiert und seiner Sättigung näherbringt.

Kennzeichnung und Herstellung

Induktivitäten können durch Farbringe gekennzeichnet werden. Beim Farbcode nach IEC 62–1974 geben die ersten beiden Ringe Ziffern, der dritte den Multiplikator und der vierte die Toleranz an. Keine Toleranzmarkierung bedeutet ±20 %, Silber ±10 % und Gold ±5 %. Der MIL-C-15305-Code verwendet einen breiten silbernen Anfangsring, bis zu drei Ziffernringe, einen Multiplikator und einen Toleranzring; die dritte Ziffer ist optional.

Nach IEC 61605-2017 kann die Induktivität durch eine dreistellige Zahl angegeben werden: Die ersten beiden Ziffern bezeichnen den Wert in µH, die dritte die Zahl der angehängten Nullen. Der Aufdruck „472“ bedeutet daher 4700 µH = 4,7 mH.

Zu den wichtigsten industriellen Wickelverfahren zählen Linear-, Flyer- und Nadelwickeltechnik. Einfache Wickelmaschinen kosten etwa 150.000 Euro; Anlagen für die Großserienproduktion können bis zu 4 Millionen Euro kosten.