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Drosselspule

Eine Drosselspule (oder einfach Drossel) ist ein in der Elektrotechnik und Elektronik häufig verwendetes Betriebsmittel, welches eine Spule enthält, d. h. einen meist elektrisch isolierten Leiter, der mit einer gewissen Zahl von Windungen aufgewickelt ist. Für das Funktionsprinzip, welches unten detailliert erklärt wird, ist die Erzeugung eines Magnetfelds und dessen Rückwirkung auf die elektrische Spannung von entscheidender Bedeutung.

In vielen Fällen umschließt die Wicklung der Spule einen ferromagnetischen Kern, beispielsweise aus Eisenblechen oder aus Ferrit; die Funktion dieses Kerns ist es, das auftretende Magnetfeld (siehe unten) massiv zu verstärken. Dies ermöglicht die Konstruktion von Drossel mit hoher Induktivität trotz geringer Baugröße. Je nach Beschaffenheit und geometrischer Form des Kerns unterscheidet man unterschiedliche Arten von Drosseln:

• Ringkerndrosseln (Toroidspulen) enthalten einen ringförmigen magnetischen Kern, der häufig aus Ferritmaterial besteht. Dies führt für eine gewisse Baugröße zu einer relativ hohen Induktivität, und das Magnetfeld verläuft zum allergrößten Teil nur innerhalb der Spule; es gibt also nur schwache Streufelder, die sich in der Umgebung auswirken könnten.
• Stabkerndrosseln haben einen stabförmigen (in der Regel zylindrischen) Magnetkern, der also nicht geschlossen ist. Dies führt bei gleicher Spule zu einem wesentlich schwächeren Magnetfeld und damit zu einer schwächeren Induktion, auch zur magnetischen Sättigung (siehe unten) erst bei entsprechend höheren Stromstärken. Es treten wesentlich stärkere Streufelder auf.
• Eine Zwischenform sind Drosseln mit im Wesentlichen geschlossenen Kern, der aber einen gewissen Luftspalt aufweist.
• Eine Luftdrossel hat gar keinen magnetischen Kern.

Eine Vielzahl weiterer Bezeichnungen ergibt sich außerdem nach den Anwendungen, siehe unten.

Die Bezeichnung Drosselspule stammt von der häufig genutzten Funktion eines solchen Geräts, einen Betriebsstrom zu drosseln (reduzieren). Jedoch spielt dieser Aspekt bei vielen Anwendungen (z. B. bei der Blindstromkompensation) keine Rolle.

Im Gegensatz zu einem Transformator enthält eine Drosselspule in der Regel nur eine einzige Wicklung. Eine Ausnahme sind stromkompensierte Drosseln oder Gleichtaktdrosseln, bei denen beispielsweise zwei Wicklungen von normalerweise gegensinnigen Arbeitsströmen (z. B. in einer Phase und dem Neutralleiter) durchflossen werden, sodass sich die erzeugten Magnetfelder gegenseitig aufheben und entsprechend auch die induktiven Effekte verschwinden. Jedoch treten solche induktiven Effekte wieder auf, sobald die Arbeitsströme nicht mehr genau gegensinnig sind. Dies kann zur Unterdrückung sogenannter Gleichtakt-Störungen verwendet werden.

Physikalische Aspekte

Induktionsspannung und elektrischer Widerstand

Das elektrische Verhalten und damit das Funktionsprinzip einer Drosselspule wird entscheidend dadurch geprägt, dass ein durch die Spule fließender elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches dann wiederum eine Spannung in derselben Spule induziert (Selbstinduktion), solange sich seine Stärke ändert. Der gesamte Spannungsabfall entsteht in der Regel hauptsächlich in Form dieser Induktionsspannung, die proportional zu der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit der Stromstärke ist, und weniger durch den ohmschen Widerstand des Leitermaterials.

Die Stärke der Induktionsspannung ergibt sich als das Produkt der Induktivität <$L$> der Drossel und der Änderungsgeschwindigkeit (zeitlichen Ableitung) der Stromstärke. Dazu kommt noch der Spannungsabfall durch den Widerstand <$R$>; für die gesamte Spannung <$U$> gilt der folgende Zusammenhang mit dem Verlauf der Stromstärke <$I$>:

$$U = L \frac{\partial I}{\partial t} + R I$$

Die Induktivität <$L$> ist die entscheidende Größe einer Drosselspule. Sie ist proportional zum Quadrat der Windungszahl der Spule, da eine Vergrößerung dieser Zahl einerseits bei gleicher Stromstärke das Magnetfeld verstärkt und andererseits eine höhere Induktionsspannung bei gegebenem Anstieg des magnetischen Flusses ermöglicht.

Der elektrische Widerstand <$R$> einer Spule ist meist unerwünscht; man hält ihn also möglichst niedrig, beispielsweise durch Verwendung ausreichend hoher Leiterquerschnitte – was allerdings die mögliche Windungszahl und damit auch die Induktivität begrenzt. Indirekt kann die Verwendung eines Kernmaterials mit hoher magnetischer Permeabilität oder einer optimierten Geometrie den elektrischen Widerstand reduzieren, da man dann mit einer geringeren Windungszahl auskommt.

Die Induktionsspannung ist immer so gerichtet, dass sie der Änderung der Stromstärke entgegenwirkt:

• Wird an eine anfangs stromlose Spule plötzlich eine elektrische Spannung angelegt, so führt die Induktionsspannung, die der angelegten Spannung entgegenwirkt, zu einem nur allmählichen Anstieg der elektrischen Stromstärke.
• Bei einer Reduktion der Stromstärke ist die Induktionsspannung anders herum gepolt; sie "versucht" nun, die Stromstärke möglichst beizubehalten. Dies kann beispielsweise beim Versuch, den Stromfluss durch eine Drosselspule mit einem Schalter schnell zu unterbinden, zu einem Lichtbogen am Schalter führen, womöglich sogar zu dessen Zerstörung, und außerdem zur Gefahr eines Stromschlags durch die hohe Rückschlagspannung.
• Wenn eine sinusförmige Wechselspannung an eine Drosselspule angelegt wird, entsteht ein ebenfalls sinusförmiger Verlauf der Stromstärke, der aber gegenüber dem der Spannung um bis zu 90° nacheilt (siehe Abbildung 1). Hier tritt also das Phänomen eines (induktiven) Blindstroms auf.

Im Magnetfeld der Spule ist eine gewisse Menge magnetischer Energie gespeichert, die proportional zum magnetischen Fluss ist. Dieser wiederum ist normalerweise (solange keine magnetische Sättigung auftritt, siehe unten) proportional zur Stromstärke. Drosselspulen sind nur als Kurzzeit-Energiespeicher geeignet, da der Stromfluss durch den ohmschen Widerstand der Wicklung zu ständigen Energieverlusten führt. Allenfalls bei Verwendung einer supraleitenden Spule wäre dies vermeidbar, was aber bei Drosselspulen praktisch nie vorkommt.

Magnetische Sättigung

Bei hohen Stromstärken und entsprechend starken Magnetfeldern kann es unter Umständen zu einer magnetischen Sättigung des Kerns der Drossel kommen. Dies bedeutet, dass eine weitere Erhöhung der Stromstärke nur noch zu einer geringen Erhöhung des magnetischen Flusses führt. Die Induktionsspannung fällt in diesem Betriebsbereich dann entsprechend geringer aus.

Meistens sind Drosselspulen so konzipiert, dass bei der maximal vorgesehenen elektrischen Stromstärke noch keine starke magnetische Sättigung des Kerns eintritt. Bei Überlastung einer Drossel (also bei Betrieb mit zu hohen Stromstärken) kann die genannte magnetische Sättigung erhebliche zusätzliche Probleme verursachen, beispielsweise einen weiteren massiven Anstieg der Stromstärke. Im Falle von Wechselströmen tritt dann auch bei sinusförmiger Spannung ein nicht sinusförmiger Verlauf der Stromstärke auf. Die Sättigung zumindest im Überlastbetrieb muss also bei der Auslegung elektrischer Anlagen mit Drosseln ggf. berücksichtigt werden.

Es gibt aber auch sogenannte Sättigungsdrosseln, die gezielt so ausgelegt sind, dass sie innerhalb des vorgesehenen Bereichs von Betriebsströmen in den Bereich der magnetische Sättigung geraten. Dies wird in bestimmten elektrischen Schaltungen ausgenutzt.

Streufelder

Streufelder sind Magnetfelder, die in der näheren Umgebung einer Drossel auftreten, allerdings in ihrer Stärke mit zunehmender Entfernung meist schnell abnehmen.

Bei den meisten Anwendungen ist es gewünscht, dass eine Drossel möglichst geringe magnetische Streufelder verursacht, die nämlich sonst andere Bauteile (vor allem andere Drosseln) unerwünscht beeinflussen könnten. Dies ist ein Aspekt der elektromagnetischen Verträglichkeit.

Umgekehrt neigen Drosseln mit starken Streufeldern auch stärker dazu, von externen Magnetfeldern beeinflusst zu werden.

Magnetische Verluste

Gewisse Energieverluste können in einer Drossel nicht nur durch den elektrischen Widerstand der Spule entstehen, sondern auch durch magnetisch verursachte Effekte. Eine Möglichkeit sind Wirbelstromverluste, wenn Wirbelströme in benachbarten leitenden Materialien (insbesondere in einem leitenden Magnetkern, z. B. aus Eisen) induziert werden. Bei Eisenkernen können Wirbelstromverluste reduziert werden, indem man sie nicht massiv ausführt, sondern mit Schichten gegeneinander elektrisch isolierter Bleche.

Außerdem zeigen ferromagnetische Materialien eine gewisse Hysterese (nicht vollständig weichmagnetisches Verhalten): Der magnetische Fluss ist nicht allein durch die Stromstärke bestimmt, sondern auch dadurch, ob die Stromstärke vorher geringer oder höher war.

Wirbelstrom- und Hystereseverluste werden beide als Eisenverluste bezeichnet. Sie äußern sich natürlich ebenfalls in Details der elektrischen Charakteristik einer Drossel. Außerdem führen sie zu einer Erwärmung im Betrieb.

Parasitäre Kapazitäten

Besonders bei mehrlagig gewickelten Spulen treten gewisse parasitäre Kapazitäten auf, die insbesondere beim Betrieb mit hohen Frequenzen schädliche Auswirkungen haben können. Deswegen sind manche Arten von Drosseln für gewisse Anwendungen nicht einsetzbar.

Schallemissionen

In manchen Fällen arbeiten Drosselspulen (ähnlich wie Transformatoren) nicht völlig lautlos, sondern erzeugen gewisse Schallemissionen. Dies liegt daran, dass das erzeugte Magnetfeld über seine Kraftwirkung eine kleine Deformation oder Verschiebung des Magnetkerns bewirken kann, was beispielsweise beim Betrieb mit Wechselstrom zur Abstrahlung eines Brummtons führt. Wo der Stromverlauf auch Oberwellen aufweist, können auch diese unter Umständen hörbar werden – sogar besonders stark, da die Schallabstrahlung bei höheren Frequenzen effektiver und dort das Gehör auch sensitiver ist. In manchen Fällen, beispielsweise bei manchen Beleuchtungsanlagen mit Leuchtstofflampen und bei manchen Schaltnetzteilen, sind durch Drosseln verursachte Geräusche lästig. Die damit verbundenen Energieverluste sind dagegen vernachlässigbar klein, da bereits minimale Leistungen des Schalls recht lästig werden können, lange bevor sie energetisch relevant werden.

Anwendungen von Drosselspulen

Teils recht große Drosselspulen werden in der Energietechnik eingesetzt; jedoch gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen für Drosseln mit sehr unterschiedlichen Charakteristiken, von denen im Folgenden nur die wichtigsten erläutert werden:

Vorschaltdrosseln und Starterdrosseln

Viele Drosselspulen dienen der Begrenzung bzw. Reduktion von Betriebsströmen. Beispielsweise weisen Gasentladungslampen meistens eine elektrische Charakteristik auf, die bei direktem Anschluss an eine feste elektrische Spannung keinen zuverlässig stabilen Betriebsstrom ergeben würde. Im Prinzip könnte man eine Strombegrenzung mit einem Vorschaltwiderstand vornehmen, jedoch wäre dies mit hohen Energieverlusten und einer entsprechenden Aufheizung des Widerstands verbunden. Diese Funktion kann also besser von einer Drosselspule übernommen werden, die wegen der vorwiegend induktiven Charakteristik viel geringere Energieverluste erzeugt. Allerdings sind auch diese Energieverluste oft durchaus nicht vernachlässigbar, vor allem wenn die billige Produktion einer Drossel bei ihrem Design im Vordergrund stand.

Die meisten Leuchtstofflampen enthalten eine solche Drossel, die zusätzlich auch beim Start der Lampe eine wichtige Rolle spielt – nämlich zur Erzeugung der nötigen Zündspannung, die meist deutlich oberhalb der Netzspannung liegt.

Die obigen Anmerkungen gelten für Lampen mit konventionellen Vorschaltgeräten (KVG). Jedoch erhalten auch moderne elektronische Vorschaltgeräte meistens mindestens eine Drossel, die dann allerdings eine etwas andere Funktion hat und häufig deutlich kleiner ausgeführt werden kann.

Drosseln für die Betriebserdung

Bei manchen Drehstromanlagen, z. B. Transformatorenstation, wird der Sternpunkt nicht direkt niederohmig geerdet, sondern über eine Drosselspule. Auf diese Weise werden Ausgleichsströme und auch Kurzschlussströme bei einem Erdschluss reduziert.

Speicherdrosseln

Bei manchen Anwendungen ist der Aspekt der magnetischen Energiespeicherung in einer Drossel von Bedeutung; man spricht dann von Speicherdrosseln. Dies ist insbesondere häufig der Fall in Schaltnetzteilen. Hier wird häufig zuerst eine gewisse Menge Energie in einer Drossel gespeichert und dann auf der Verbraucherseite abgegeben – häufig auf einem anderen Spannungsniveau.

Drosseln für die Blindstromkompensation

Wo kapazitive Blindströme ein Problem sind, können diese durch Drosseln kompensiert werden, die in diesem Falle als Querkompensationsdrosseln geschaltet sind. In manchen Fällen verwendet man regelbare Drosseln, bei denen durch Anzapfungen der Wicklung die verwendete Zahl der Windungen variiert werden kann. Siehe auch den Artikel über Blindleistungskompensation.

Auch in Schaltnetzteilen verwendet man sogenannte PFC-Drosseln auf verschiedene Weisen für die power factor correction, also die Korrektur (Optimierung) des Leistungsfaktors.

Hoch- und Tiefpässe

Die frequenzabhängige Impedanz von Drosseln wird häufig für Hoch- und Tiefpässe verwendet. Beispielsweise findet man sie in Frequenzweichen von Lautsprechern, die hochfrequente Signale vorwiegend einem Hochtöner zuführen, niederfrequente Signale dagegen einem Tieftöner, und evtl. mittlere Frequenzen einem Mitteltöner.

Drosseln zur Entstörung

Viele Drosselspulen werden zum Zwecke der Vermeidung hochfrequenter elektromagnetischer Störungen eingesetzt. Meist beruht ihre Funktion darauf, dass ihre Induktivität bei der Netzfrequenz eine nur geringe Wirkung hat, während sie für hohe Störfrequenzen eine hohe Impedanz und somit blockieren die Wirkung aufweisen. Beispielsweise können sie die Erzeugung von Oberwellen im Stromverlauf bei einem Schaltnetzteil oder einer Phasenanschnittsteuerung stark vermindern.

Für Entstördrosseln werden jedoch auch andere Funktionsprinzipien verwendet. Beispielsweise verwendet man die oben bereits erwähnten Gleichtaktdrosseln häufig zur Abschwächung von Gleichtakt-Störungen. Ein anderer Fall sind Kommutierungsdrosseln bei Gleichrichtern.

Siehe auch: Transformator, Blindleistungskompensation, Vorschaltgerät