Leitfaden für Ringkernspulen: Funktionsweise, Typen und Anwendungen

Die Ringkernspule ist ein unverzichtbares Bauteil in der Elektronik. Man erkennt sie leicht an ihrer ringförmigen Gestalt. Diese Spulen spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung und Regelung elektrischer Energie, sei es in Computern oder medizinischen Geräten. Dieser Leitfaden bietet Ihnen umfassende Informationen darüber, was eine Ringkernspule ist, wie sie funktioniert, welche verschiedenen Arten von Ringkernspulen es gibt und wie Sie die optimale Spule für Ihr Projekt auswählen.

Eine Toroidspule ist ein elektronisches Bauteil in Form eines Torus, der von einem ringförmigen Draht umgeben ist. Diese geschlossene Schleife unterscheidet die Toroidspule von einer Magnetspule. Man erkennt die Toroidspule leicht an ihrer ringförmigen Gestalt, da sie aus einem einzigen Stück Draht besteht.

Das wichtigste Bauteil einer Ringkernspule ist ihr Kern. Die Spule ist um den Kern gewickelt und hält das Magnetfeld aufrecht. Die Hauptaufgabe der Ringkernspule besteht darin, Energie im Magnetfeld zu speichern, den Strom konstant zu halten und die Induktivität des Stromkreises zu erhöhen.

Hauptbestandteile einer Ringkernspule

Eine Ringkernspule besteht aus drei Hauptteilen, nämlich:

Der Kern: Damit ist der Ring im Zentrum der Spule gemeint, um den der Draht gewickelt ist. Die Leistung einer Spule hängt von den im Kern verwendeten Materialien ab. Als Kernmaterialien einer Toroidspule können Ferrit, Eisenpulver, amorphe Metalle oder sogar Luft verwendet werden.

Die Wicklung: Damit ist der Kupferdraht gemeint, der in der Spule verwendet und um den Spulenkern gewickelt wird. Die Wicklung einer Ringkernspule hängt von der Windungszahl, dem Drahtdurchmesser und den Windungen selbst ab.

Beschichtung oder Verkapselung: Viele Ringkernspulen sind mit Lack, Epoxidharz oder Silikonharz beschichtet. Dies schützt die empfindlichen Wicklungen der Spule vor Feuchtigkeit, Staub, mechanischer Belastung und Temperaturschocks und gewährleistet so eine lange Lebensdauer.

Eine Toroidspule funktioniert nach dem Prinzip der Elektromagnetik. Sobald Strom durch den Draht der Spule fließt, entsteht ein Magnetfeld. Die ringförmige Struktur der Toroidspule sorgt dafür, dass dieses Magnetfeld im Spulenkern eingeschlossen bleibt.

Magnetfeldeinschluss: Die Magnetfeldlinien verlaufen kreisförmig und bilden konzentrische Kreise innerhalb der Toroidspule. Dies ist ein großer Vorteil, da dadurch elektromagnetische Störungen anderer Teile eines Stromkreises minimiert werden.

Ampèresches Gesetz: Die Stromstärke, die Windungszahl und der Radius beeinflussen die Stärke des Magnetfelds im Inneren des Toroids. Laut Ampèreschem Gesetz ist das Magnetfeld im Querschnitt nicht konstant; es ändert sich entgegengesetzt zum Abstand vom Mittelpunkt. Das Magnetfeld außerhalb eines idealen Toroids ist nahezu null. Auch im Inneren des Toroids ist das Magnetfeld null.

Das im Spulenkern verwendete Material ist der Hauptfaktor für die Bestimmung der Verwendung und Leistung der Spule.

Ringkernspulen mit Ferritkern

Diese Spulen sind am weitesten verbreitet und bestehen aus Ferritkeramiken wie MnZn und NiZn. Sie sind hochpermeabel und weisen bei hohen Frequenzen nur sehr geringe Wirbelstromverluste auf. Sie werden üblicherweise in Schaltnetzteilen (SMPS), EMV-Filtern und HF-Transformatoren eingesetzt.

Ringkernspulen aus Eisenpulver

Diese Spulen zeichnen sich durch einen hohen Sättigungsstrom aus und bestehen aus Kernen aus verpresstem Eisenpulver. Sie sind in der Regel günstiger als Spulen mit Ferritkern und werden häufig dort eingesetzt, wo eine Gleichstromvorspannung anliegt, beispielsweise in Ausgangsdrosseln und Netzfiltern.

Legierungspulverkerne

Diese Gruppe umfasst Spezialkerne wie Sendust (FS-Serie), High Flux (FH-Serie) und amorphes Legierungspulver (FA-Serie). Sie sind so konstruiert, dass sie spezifische Leistungseigenschaften wie sehr geringe Kernverluste (amorph) erreichen und sind im Allgemeinen teurer.

Luftkern-Ringkernspulen

Diese Bauelemente werden ohne Magnetkern gefertigt. Sie sind nicht sättigbar und daher stark nichtlinear, was sie ideal für Hochfrequenzanwendungen macht, bei denen die Signalqualität von höchster Bedeutung ist. Sie zeichnen sich zudem durch eine sehr geringe Induktivität aus.

Supraleitende Ringspulen

Es handelt sich hierbei um hochmoderne Spulen, die üblicherweise beim Bau von Geräten wie Fusionsreaktoren und MRT-Geräten eingesetzt werden. Sie bestehen aus Supraleitern, also Materialien, die bei Abkühlung auf nahezu den absoluten Nullpunkt keinen elektrischen Widerstand mehr aufweisen.

Wenn Sie sich eine Ringkernspule ansehen, finden Sie ein Datenblatt mit wichtigen Informationen des Herstellers:

Die Induktivität wird üblicherweise in Henry (H) gemessen, oft auch in Mikrohenry (µH) oder Millihenry (mH). Sie gibt an, wie viel Energie in der Spule gespeichert ist. Beispielsweise könnte dort 100 µH stehen.

Gleichstromwiderstand (DCR): Dieser Wert gibt an, wie viel Widerstand ein Draht gegenüber Gleichstrom hat und wird üblicherweise in Ohm (Ω) gemessen. Je niedriger der DCR-Wert, desto effizienter ist der Draht und desto geringer ist die Wärmeentwicklung.

Maximaler Gleichstrom (I sat): Dies ist die Stromstärke, die die Spule im Gleichstrombetrieb verkraften kann, bevor es zur Sättigung des Kerns und damit zum Verlust der induktiven Eigenschaften kommt.

Kernmaterial und Permeabilität: Dies gibt Auskunft darüber, woraus der Kern besteht (z. B. Sendust oder Fe-Legierung) und wie durchlässig er für Magnetfelder ist, was sich auf die Leistung bei verschiedenen Frequenzen auswirkt.

Betriebstemperaturbereich: Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -30 °C und +130 °C.

Wer die Vor- und Nachteile von Ringkernspulen kennt, bekommt eine Vorstellung davon, wie und wann sie eingesetzt werden.

Vorteile

Effizienz und geringe elektromagnetische Störungen: Sie sind sehr effizient und weisen geringe elektromagnetische Störungen auf, da das Magnetfeld in einer Schleife eingeschlossen ist und sich nicht nach außen ausbreitet, wodurch viel Energie gespart wird.

Kompakte Größe: Sie ist in der Regel kleiner und leichter als eine herkömmliche Magnetspule mit der gleichen Induktivität, da sie das Kernmaterial effizienter nutzt.

Geringes Brummen und Rauschen: Im Gegensatz zu Spulen mit laminiertem Eisenkern erzeugen sie normalerweise kein hörbares Brummgeräusch.

Nachteile

Erhöhte Herstellungskosten: Das Aufwickeln des Drahtes auf den ringförmigen Kern ist schwierig und nicht so einfach zu automatisieren wie das Aufwickeln des Drahtes auf die gerade Spule.

Schlechte Wärmeableitung: Die Konstruktion ist so dicht, dass die von der Drahtwicklung erzeugte Wärme nur schwer entweichen kann.

Sättigung: Bei Ferrit- und Eisenpulverleitern kann ein zu hoher Stromfluss zu einer Sättigung führen, wodurch die Induktivität plötzlich abfällt.

Thermisches Durchgehen: Bei einigen HF-Filterschaltungen, die viel Leistung benötigen, kann es bei zu starker Erhitzung des Ringkerns zu Leistungsverlusten kommen, was eine weitere Überhitzung und sogar den Tod des Ringkerns zur Folge haben kann.

Die wachsende Beliebtheit von Ringkernspulen ist auf den Wunsch nach kleinerer, schnellerer und effizienterer Elektronik zurückzuführen. Da Geräte immer kleiner und leistungsfähiger werden, ist es wichtiger denn je, Bauteile zu verwenden, die elektromagnetische Störungen und Signalverluste minimieren. Sie sind der Schlüssel zu modernen Schaltungen, da sie sich hervorragend für die Stromwandlung eignen – beispielsweise in Ladegeräten für unsere Smartphones und LEDs für unsere Wohnräume – und elektrische Störungen effektiv filtern.

Hauptanwendungen

Die besonderen Eigenschaften von Ringkernspulen machen sie für viele verschiedene Anwendungen geeignet und nützlich.

Netzteile: Diese Spulen werden als Transformatoren und als Ausgangsdrosseln in Schaltnetzteilen (SMPS) verwendet, die in Computern, Fernsehern und vielen industriellen Geräten zum Einsatz kommen.

Gleichtakt-Drosseln mit Ringkernen bilden die erste Verteidigungslinie gegen elektromagnetische Störungen, die in das Gerät hinein- und/oder aus ihm heraus gelangen.

Audiogeräte: Hochwertige Audioverstärker verwenden Ringkerntransformatoren, da diese wenig Rauschen erzeugen und nicht brummen.

HF-Schaltungen: Diese werden in Hochfrequenzschaltungen zur Abstimmung der Schaltung verwendet.

Industrie und Automobil: Sie werden in Motorantrieben, Wechselrichtern und Bordladegeräten für Elektroautos eingesetzt.

Medizintechnik: Diese werden in MRT-Geräten verwendet, da sie ein wesentlicher Bestandteil des Geräts sind.

Wissenschaftliche Forschung: Sie werden in Tokamaks, experimentellen Fusionsreaktoren und Teilchenbeschleunigern eingesetzt.

Das Wickeln einer Ringkernspule ist ein besonderer Schritt bei der Spulenherstellung. Es unterscheidet sich vom Wickeln einer herkömmlichen Spule.

Diese Wickelmethode ist die gebräuchlichste Methode zum Herstellen einer Ringkernspule.

Ein kreisförmiger Spulenwechsler führt den Draht durch die Mitte der Spule und wickelt ihn anschließend um deren Außenseite. Die Spule wird dann so gedreht, dass der Draht gleichmäßig verteilt ist.

Nadelwicklung: Bei dieser Methode wird eine Nadel durch die Mitte der Spule geführt; sie dient zur Herstellung feinerer Drahtspulen.

Umwickeln oder Beschichten: Die Spule wird anschließend mit Lack überzogen, um den Draht zu fixieren, Vibrationen zu reduzieren und Feuchtigkeit fernzuhalten.

Für die einwandfreie Funktion des Stromkreises ist die Wahl der richtigen Ringkernspule unerlässlich. Die folgenden Schritte helfen Ihnen bei der Auswahl der passenden Ringkernspule (siehe Abbildung oben).

Um die richtige Ringkernspule auszuwählen, muss man die Betriebsfrequenz kennen.

Niedrige Frequenz (50/60 Hz):

Laminiertes Eisen oder Ferrit mit hoher Durchlässigkeit.

Für hohe Frequenzen werden Ferritkerne verwendet, wobei MnZn-Ferritkerne zum Einsatz kommen, wenn die Frequenz unter 2 MHz liegt, und NiZn-Ferritkerne, wenn die Frequenz über 2 MHz liegt.

Sehr hohe Frequenzen (MHz bis GHz): Ein Luftkern ist hierfür am besten geeignet, da die Kernverluste minimal sind.

Ermitteln Sie die erforderliche Induktivität (L): Bestimmen Sie anhand des Designs Ihrer Schaltung den Wert der Henry-Zahl.

Strom prüfen (I):

Wechselstrom: Dieser liefert uns die Informationen über Wärmemenge und Wärmeverluste im Inneren des Kerns.

Gleichstrom: Dieser Wert gibt uns Aufschluss über den Sättigungsgrad. Sie benötigen ein Kernmaterial wie Eisenpulver oder Hochflussmaterial, das die Gleichstromvorspannung verträgt.

Physikalische Einschränkungen: Wie viel Platz ist auf der Leiterplatte vorhanden? Welche Höhenbeschränkungen gelten? Wählen Sie einen Ringkern mit der passenden Größe und dem passenden Montagetyp: Durchsteckmontage oder SMD.

Umgebungsbedingungen erfüllen: Wird die Anwendung im Freien oder im Motorraum eines Fahrzeugs eingesetzt, wo es extrem heiß wird? Ist die Beschichtung der Spule für die Umgebungsbedingungen geeignet?

Selbst die besten Komponenten können versagen. Hier finden Sie eine Liste der häufigsten Probleme und ihrer wahrscheinlichsten Ursachen.

Überhitzung: Diese wird höchstwahrscheinlich durch einen zu hohen Stromfluss durch den Kern verursacht, der möglicherweise zu einer Sättigung führt, oder durch eine falsche Frequenzwahl, die zu Kernverlusten führen kann. Wird der Ringkern zu heiß, gerät er in ein „thermisches Durchgehen“, eine Situation, in der die Verluste mit steigender Temperatur zunehmen.

Pfeifen/Geräusche: Diese werden höchstwahrscheinlich durch Vibrationen der Wicklungen oder des Kerns verursacht. Häufige Ursachen hierfür sind Konstruktionsmängel oder Magnetostriktion aufgrund des hohen Stromflusses im Kern.

Eine geringere Induktivität ist ein typisches Anzeichen für Kernsättigung. Wenn zu viel Strom durch einen Magnetkern fließt, kann dieser keinen weiteren magnetischen Fluss mehr aufnehmen. Dadurch verhält er sich wie ein Luftkern und verliert seine Induktivität.

Kurzschlüsse: Wenn der Isolierlack eines Drahtes durch Überhitzung oder andere Beschädigungen versagt, kann der Draht den benachbarten Draht in einer Spule berühren.

Die Ringkernspule ist ein Paradebeispiel für die Konstruktion eines Elektromagneten. Dank ihrer ringförmigen Struktur ist sie äußerst effizient und ermöglicht eine hohe Induktivität auf kleinstem Raum. Dadurch eignet sie sich ideal für den Einsatz in der Elektronik, da sie keine Störungen verursacht. Jedes Bauteil der Ringkernspule erfüllt eine bestimmte Funktion. Dies macht sie so wertvoll, denn die Elektronik wird immer kleiner und gleichzeitig leistungsfähiger. Daher wird diese Spule in naher Zukunft sicherlich noch viel häufiger zum Einsatz kommen. Vor der Auswahl dieser Spule sollten unbedingt die Frequenz-, Strom- und Größenbeschränkungen beachtet werden, um ihre hohe Effektivität zu gewährleisten.