Spule (Induktivität) als Bauteil

Neben dem Schaltregler-IC auf einem Mainboard sitzt ein grauer Würfel, im Netzteil steckt ein Kupferring auf einem gelben Kern, im Funkmodul liegt ein winziger Chip, kaum größer als ein Sandkorn. Alle drei sind Spulen. Sie speichern Energie im Magnetfeld, glätten Ströme, sperren hochfrequente Störungen und bestimmen zusammen mit einem Kondensator Frequenzen. Wie sich eine Spule beim Ein- und Ausschalten verhält, steht unter Spule im Gleichstromkreis. Hier geht es um das Bauteil: Bauformen, Kernmaterialien und die Kennwerte, nach denen du auswählst.

Aufbau und Funktionsweise

Eine Spule besteht aus Draht, der in Windungen gewickelt ist – frei tragend, auf einem Spulenkörper oder auf einem Kern. Fließt Strom, baut sich ein Magnetfeld auf (siehe Elektromagnetismus). Jede Stromänderung ändert das Feld, und das Feld induziert eine Spannung, die der Änderung entgegenwirkt. Diese Selbstinduktion ist die Eigenschaft, die man nutzt; ihr Maß ist die Induktivität L in Henry (H). In der Elektronik sind Werte von wenigen Nanohenry bis zu einigen Millihenry üblich.

Wie groß die Induktivität wird, hängt von der Windungszahl N und vom Kern ab. Hersteller fassen Kerngeometrie und Material im AL-Wert zusammen, der Induktivität pro Windung zum Quadrat:

Die Windungszahl geht also quadratisch ein: Doppelt so viele Windungen ergeben die vierfache Induktivität. Woher das kommt, zeigen magnetische Größen mit Fluss, Permeabilität und Durchflutung.

Der Kern bestimmt fast alles Weitere. Ein Material mit hoher Permeabilität bündelt das Feld, sodass für dieselbe Induktivität weniger Windungen und damit weniger Draht nötig sind. Dafür kann der Kern nur eine begrenzte Flussdichte aufnehmen. Ist sie erreicht, ist der Kern gesättigt: Zusätzlicher Strom verstärkt das Feld kaum noch, die Induktivität bricht ein.

Ferrite sind keramische Oxide und leiten kaum, deshalb fließen in ihnen fast keine Wirbelströme. Pulverkerne bestehen aus winzigen, isolierten Metallkörnern; zwischen den Körnern liegt ein „verteilter Luftspalt“. Das senkt die Permeabilität, macht die Sättigung aber sanft statt schlagartig. Ferritkernen gibt man für Leistungsanwendungen oft einen echten Luftspalt mit demselben Ziel.

Schaltzeichen

Nach IEC 60617 zeichnest du eine Spule als Reihe von Halbkreisbögen. Ein durchgezogener Strich parallel zur Wicklung kennzeichnet einen Magnetkern. Ältere deutsche Pläne zeigen die Spule als schwarz gefülltes Rechteck – dieses Symbol ist veraltet, begegnet dir aber in Altunterlagen. Das Kurzzeichen ist L (L1, L2 …), der Wert steht daneben, etwa „10µ“ oder „4µ7“. Weitere Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Wichtige Kennwerte

Im Datenblatt einer Spule stehen neben der Induktivität vier Größen, die über die Eignung entscheiden:

• Induktivität und Toleranz: gemessen bei kleinem Strom und einer bestimmten Frequenz, oft 100 kHz. Leistungsinduktivitäten haben meist ±20 %, HF-Spulen ±2 % oder ±5 %.
• Sättigungsstrom I_sat: der Strom, bei dem die Induktivität um einen festgelegten Anteil gesunken ist – je nach Hersteller 10 %, 20 % oder 30 %. Vergleiche nur Werte mit derselben Definition.
• Nennstrom I_rms: der Dauerstrom, bei dem sich die Spule durch die Kupferverluste um eine bestimmte Temperatur erwärmt, meist 40 K. Er hat mit der Sättigung nichts zu tun.
• Gleichstromwiderstand DCR: der ohmsche Widerstand des Drahts. Er bestimmt die Verluste P = I² · R und damit I_rms.
• Güte Q und Eigenresonanz SRF: wichtig in HF und Filtern, siehe unten.

Die echte Spule ist kein reines L. Ihr Draht hat Widerstand, und benachbarte Windungen bilden kleine Kondensatoren. Das Ersatzschaltbild zeigt beides:

Die Güte vergleicht den induktiven Blindwiderstand mit den Verlusten:

Bei höheren Frequenzen ist R deutlich größer als der DCR, weil der Strom durch den Skineffekt an die Drahtoberfläche gedrängt wird und der Kern Verluste beiträgt. Bei der Eigenresonanzfrequenz bildet die Wicklungskapazität mit L einen Parallel-Schwingkreis. Darüber verhält sich die Spule wie ein Kondensator. Sinnvoll einsetzen kannst du sie nur deutlich unterhalb der SRF.

Bauformen

• Luftspulen sind frei gewickelte Kupferdrahtspulen ohne Kern: linear, verlustarm, aber groß für ihre Induktivität. Du findest sie in HF-Endstufen und Frequenzweichen von Lautsprechern.
• Ringkernspulen wickelt man auf einen geschlossenen Ring aus Ferrit oder Eisenpulver. Das Feld bleibt fast vollständig im Ring, die Spule streut wenig. Typisch sind Netzfilter und große Drosseln.
• Trommelkern- und Stabkernspulen tragen die Wicklung auf einem Ferritkörper mit offenem Feldweg. Ohne Abschirmung strahlen sie ein Streufeld ab; geschirmte Varianten haben eine Ferrithülse oder sind in magnetisches Material eingepresst.
• SMD-Leistungsinduktivitäten sitzen an jedem Schaltregler, von 2 × 2 mm bis über 12 × 12 mm, mit 0,1 µH bis einige 100 µH. Die Bauart beschreibt der Artikel Speicherdrossel.
• Chip-Induktivitäten in 0402 oder 0603 gibt es als Vielschichtbauteil (gedruckte Leiterschleifen in Keramik oder Ferrit) oder als gewickelte Ausführung mit höherer Güte. Sie liegen im Nanohenry-Bereich und arbeiten in Funk- und Hochfrequenzschaltungen.

Bedrahtete Festinduktivitäten im Widerstandsgehäuse tragen oft einen Farbcode wie Widerstände, mit dem Wert in µH. SMD-Typen haben einen Zahlencode wie „100“ (10 · 10⁰ µH = 10 µH) oder „4R7“ (4,7 µH) – oder gar keine Beschriftung.

Wo Spulen eingesetzt werden

• Energiespeicher im Schaltregler: Die Spule nimmt in jedem Takt Energie auf und gibt sie an den Ausgang ab, siehe Speicherdrossel.
• Filter und Entstörung: Mit einem Kondensator bildet sie ein LC-Tiefpass, der die Welligkeit einer Versorgung dämpft. Für Störungen im MHz-Bereich nimmt man meist eine Ferritperle, für Gleichtaktstörungen auf Leitungen eine stromkompensierte Drossel. Hintergründe stehen unter EMV.
• Schwingkreise und Anpassnetzwerke: in Oszillatoren, Antennenanpassung und Funkfiltern, mit HF-Spulen hoher Güte.
• Kopplung und Übertragung: Zwei Wicklungen auf einem Kern ergeben einen Übertrager.

Windungszahl berechnen

Für eine selbst gewickelte Spule auf einem Ringkern brauchst du nur den AL-Wert aus dem Datenblatt des Kerns.

Für die Gesamtinduktivität mehrerer Spulen gilt dasselbe wie bei Widerständen, solange sie sich nicht magnetisch koppeln, siehe Reihen- und Parallelschaltung von Spulen.

Auswahl und Praxistipps

Gehe bei der Auswahl in dieser Reihenfolge vor: Induktivität und Frequenzbereich festlegen, dann den höchsten Spitzenstrom bestimmen und mit I_sat vergleichen, danach den Effektivstrom mit I_rms, zuletzt Bauform, Abschirmung und Preis.

Häufige Fehler:

• I_sat und I_rms verwechselt: Eine Spule kann thermisch 3 A aushalten und schon bei 2 A sättigen – oder umgekehrt. Beide Grenzen gelten gleichzeitig.
• Sättigung durch Spitzenstrom: Maßgeblich ist der höchste Momentanwert, nicht der Mittelwert. In einem gesättigten Schaltregler steigt der Strom in Mikrosekunden steil an, bis der Schalttransistor ausfällt.
• Ungeschirmte Spule neben empfindlichen Leitungen: Das Streufeld koppelt in Analogsignale oder Antennen ein. Nimm geschirmte Typen und führe keine Signalleitungen unter der Spule durch.
• Zu nah an der SRF betrieben: Eine 10-µH-Spule mit 20 MHz SRF filtert bei 50 MHz nicht mehr, sie wirkt kapazitiv.
• Unterschiedliche I_sat-Definitionen verglichen: 30 % Abfall klingt nach mehr Strom als 10 %, ist aber kein besseres Bauteil.

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