Das dritte passive Bauelemenet in der Funktechnik ist die Hochfrequenzspule. Sie besitzt eine Induktivität L, die in Henry angegeben wird. Der Formelbuchstabe L wurde zu Ehren des Professors Emil Lenz aus St. Petersburg (1804 – 1864) gewählt. Die Benennung einer Induktivität ist zu Ehren des amerikanischen Physikers Joseph Henry (1797 – 1878) nach ihm benannt. 1 Henry ist die Induktivität, die bei einer Stromänderung von 1A in einer Sekunde eine Selbstinduktionsspannung von
In der Praxis wird die Induktivität im Bereich von Millihenry (mH), Mikrohenry (µH) oder Nanohenry (nH) liegen.
Siehe Abbildung 63.
Die einfachste Bauform einer Spule nennt man „gerade Zylinderspule“.
Verschiedene Spulenarten sieht man in Abbildung 58, 59 und 60.
Betrachtet man den Aufbau einr Spule, dann findet man folgende Größen:
Aus diesen Abmessungen läßt sich die Induktivität L nach folgender Formel berechnen:
$L = \dfrac{\mu_0 \cdot \mu_r \cdot N^2 \cdot A_S}{l}$
(siehe Formelsammlung Seite 236 oben rechts – Stichwort: Induktivität einer langen Zylinderspule)
Der Formelbuchstabe L wurde zu Ehren von Professor Emil Lenz aus St. Petersburg, der die Lenzsche Regel formuliert hat, gewählt.
Merke:
Wenn die Windungszahl verringert wird, dann sinkt die Induktivität, aber selbst bei einer halben oder Viertelwindung ist noch eine Induktivität vorhanden, sodass man sagen kann, jedes Stück Draht besitzt eine Induktivität.
Sobald ein elektrischer Strom durch die Spule fließ wird in der Spule ein Magnetfeld erzeugt. Die Stärke des Magnetfeldes hängt von der Stromstärke, der Windungszahl und der Länge der Spule ab. Daraus ergibt sich folgende Formel für die magnetische Feldstärke H:
$H = \frac {l * N}{l_m}$ (Die Formel gilt auch für eine Zylinderspule.)
N = Windungszahl
$l_m$ = mittlere Feldlinienlänge einer Ringkernspule oder Länge einer geraden Zylinderspule
(siehe Formelsammlung Seite 236 oben rechts – Stichwort: Magnetische Feldstärke einer Ringspule)
Praktische Anwendungen:
Schwingkreisspulen mit hoher Güte: siehe Abschnitt Schwingkreise
Drosselspulen in Verstärkern zur Abschwächung von unerwünschen Hochfrequenzströmen: siehe Abschnitt parasitaere Schwingungen
Transformatorspulen: siehe Abschnitt Transformator
Spulen als kurzzeitiger Energiespeicher in Schaltnetzteilen oder Step-Up/Step-Down Wandlern
Ringkernspulen für HF-Übertrager
Anwendungsbeispiele: |
Spule ohne Kern = Luftspule |
Spule mit Eisenkern = Drosselspule zur Spannungsglättung nach einem Gleichrichter |
Spule mit drehbarem Ferritkern = Abgleichspule in einem Hochfrequenzschwingkreis |
Veränderliche Spule = Rollspule in einem Antennenanpassgerät (Antennen-Tuner) |
Bei elektromechanischen Schaltern, sogenannten Relais, wird zur Betätigung der Kontakte ein Elektromagnet mit einem Hebelarm verwendet. Im Amateurfunk werden Koaxial-Relais zur Umschaltung von Empfang auf Sendung genutzt. Die Relaisspule wird meistens an
Es gibt dazu ein anschauliches Experiment.
Professors Emil Lenz aus St. Petersburg (1804 – 1864) hat die Lenzsche Regel verfasst.
Sie lautet für den Einschaltstrom durch eine Spule, die an einer Gleichspannung angeschlossen ist:
Die Spule erzeugt eine Selbstinduktionsspannung, die der Ursache, also dass ein Strom fließen soll, entgegenwirkt, deshalb wird der Einschaltstrom nur langsam ansteigen. Die Spule wird über einen Vorwiderstand an eine rechteckförmige Gleichspannung angeschlossen, dann wird im Einschaltmoment der Stromfluss „behindert“ und steigt deshalb nur langsam bis zu einem Maximalwert an. Im Ausschaltmoment will die Selbstinduktionsspannung den Stromfluss aufrecht erhalten. Die Spule wirkt dann als Generator, dessen Induktionsspanung entgegengesetzt zur vorherigen Polarität entsteht. Diese Vorgänge kann man gut mit Hilfe eines Oszilloskops beobachten,
Hinweis: Der Stromfluss durch Lampe 2 steigt langsamer an, als durch Lampe 1, da eine Spule vorgeschaltet ist, deren Selbstinduktionsspannung den Einschaltstrom nur langsam ansteigen lässt.
Zur Erinnerung:
Vorsatz | Abkürzung | Wert |
Pico | p | 10-12 = 0,000000000001 |
Nano | n | 10-9 = 0,000000001 |
Mikro | µ | 10-6 = 0,000001 |
Milli | m | 10-3 = 0,001 |
100 = 1 | ||
Kilo | k | 103 = 1000 |
Mega | M | 106 = 1000000 |
Giga | G | 109 = 1000000000 |
Ähnlich wie beim Kondensator verhält sich eine Spule unterschiedlich, wenn sie an Gleichspannung oder an Wechselspnnung angeschlossen wird.
In der Funktechnik ist vor allem das Verhalten an Wechselspannung wichtig.
Die Spule zeigt, ähnlich wie ein Kondensator, einen „Wechselstromwiderstand $X_{\textrm{L}}$“, dass heißt, obwohl der Spulendraht nur einen sehr kleinen ohmschen Widerstand (Leiterwiderstand) besitzt, fließt ein Strom, der aber mit steigender Frequenz der Wechselspannung kleiner wird. Der Wechselstromwiderstand (induktiver Blindwiderstand $X_{\textrm{L}}$) steigt an.
(siehe Formelsammlung Seite 236 oben links – Stichwort: Induktiver Blindwiderstand)
$X_{\textrm{L}}$" links oben.
In den Fragen zur Klasse A werden wir näher darauf eingehen.
Mit einem vektoriellen Network Analyzer (VNA) läßt sich die Abhängigkeit des induktiven Blindwiderstandes von der Frequenz leicht darstellen. Wir sprechen auch hier von einem Blindwiderstand, da eine verlustfreie Spule keine Wirkenergie aufnimmt. Sollte eine Spule bei Hochfrequenzanwendungen warm werden, dann besitzt sie Verluste, die diese Erwärmung bewirken. Die Verluste entstehen durch den ohmschen Widerstand des Drahtes und zusätzlich wirkt auch noch der Skin-Effekt, der den Drahtquerschnitt scheinbar verkleinert.
Die richtige Lösung kann man in Abbildung an der roten Linie erkennen.
Lösungshinweise:
EC306 : 12 µH : 2
EC307 : 12 µH x 4
EC305 : Länge l verringern