Induktor-Macken

Im Idealfall fungiert eine Induktivität als rein reaktives Gerät. Das heißt, sein Gegensatz zum Wechselstrom basiert ausschließlich auf der induktiven Reaktion auf Stromänderungen und nicht auf der Elektronenreibung, wie dies bei Widerstandskomponenten der Fall ist.

Allerdings sind Induktivitäten in ihrem reaktiven Verhalten nicht ganz so rein. Zunächst einmal bestehen sie aus Draht, und wir wissen, dass jeder Draht einen messbaren Widerstand besitzt (es sei denn, es handelt sich um supraleitenden Draht).

Dieser eingebaute Widerstand verhält sich, als ob er mit der perfekten Induktivität der Spule in Reihe geschaltet wäre, wie folgt:

Induktor Ersatzschaltbild eines echten Induktors.

Folglich ist die Impedanz jeder realen Induktivität immer eine komplexe Kombination aus Widerstand und induktiver Reaktanz.

Verstärkt wird dieses Problem durch den sogenannten Hauteffekt , das ist die Tendenz von Wechselstrom, durch die äußeren Bereiche des Leiterquerschnitts zu fließen, anstatt durch die Mitte. Wenn Elektronen in eine einzige Richtung (DC) fließen, nutzen sie die gesamte Querschnittsfläche des Leiters, um sich zu bewegen.

Andererseits neigen Elektronen, die die Flussrichtung wechseln, dazu, eine Bewegung durch die Mitte eines Leiters zu vermeiden, was die verfügbare wirksame Querschnittsfläche begrenzt. Der Skin-Effekt wird mit zunehmender Frequenz stärker.

Außerdem kann das magnetische Wechselfeld einer mit Wechselstrom gespeisten Induktivität als Teil einer elektromagnetischen Welle in den Weltraum abgestrahlt werden, insbesondere wenn der Wechselstrom eine hohe Frequenz hat. Diese abgestrahlte Energie kehrt nicht zum Induktor zurück und manifestiert sich daher als Widerstand (Verlustleistung) im Stromkreis.

Wirbelströme in Induktivitäten

Neben den ohmschen Verlusten von Draht und Strahlung wirken bei eisenbehafteten Induktivitäten noch weitere Effekte, die sich als zusätzlicher Widerstand zwischen den Leitungen äußern. Wenn ein Induktor mit Wechselstrom gespeist wird, neigen die erzeugten magnetischen Wechselfelder dazu, im Eisenkern zirkulierende Ströme zu induzieren, die als Wirbelströme bekannt sind .

Diese elektrischen Ströme im Eisenkern müssen den elektrischen Widerstand des Eisens überwinden, das nicht so gut leitet wie Kupfer. Wirbelstromverlusten wird in erster Linie dadurch entgegengewirkt, dass der Eisenkern in viele dünne Bleche (Lamellen) aufgeteilt wird, die jeweils durch eine dünne Schicht elektrisch isolierenden Lacks voneinander getrennt sind.

Da der Querschnitt des Kerns in viele elektrisch isolierte Abschnitte unterteilt ist, kann kein Strom innerhalb dieser Querschnittsfläche zirkulieren und es entstehen keine (oder nur sehr geringe) Widerstandsverluste durch diesen Effekt.

Wie Sie vielleicht erwartet haben, manifestieren sich Wirbelstromverluste in metallischen Induktorkernen in Form von Wärme.

Der Effekt ist bei höheren Frequenzen ausgeprägter und kann so extrem sein, dass er manchmal in Herstellungsprozessen zum Erhitzen von Metallgegenständen ausgenutzt wird!

Tatsächlich wird dieses Verfahren der „induktiven Erwärmung“ häufig in Reinstmetallgießereien eingesetzt, wo metallische Elemente und Legierungen in einer Vakuumumgebung erhitzt werden müssen, um eine Kontamination durch Luft zu vermeiden, und wo herkömmliche Verbrennungsheiztechnologie nutzlos wäre.

Es handelt sich um eine „berührungslose“ Technologie, bei der die erhitzte Substanz die das Magnetfeld erzeugende(n) Spule(n) nicht berühren muss.

Im Hochfrequenzbetrieb können sogar im Drahtquerschnitt Wirbelströme entstehen, die zu zusätzlichen Widerstandseffekten beitragen. Um dieser Tendenz entgegenzuwirken, werden Spezialdrähte aus sehr feinen, einzeln isolierten Litzen, genannt Litze (kurz für Litzendraht ) verwendet werden.

Die Isolierung, die die Litzen voneinander trennt, verhindert, dass Wirbelströme durch die gesamte Querschnittsfläche des Drahtes zirkulieren.

Darüber hinaus stellt jede magnetische Hysterese, die bei jeder Umkehr des Magnetfelds der Induktivität überwunden werden muss, einen Energieaufwand dar, der sich als Widerstand im Stromkreis manifestiert.

Einige Kernmaterialien (wie Ferrit) sind besonders für ihren Hystereseeffekt berüchtigt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird am besten durch die richtige Auswahl des Kernmaterials und die Begrenzung der bei jedem Zyklus erzeugten maximalen Magnetfeldstärke erreicht.

Insgesamt werden die Streuwiderstandseigenschaften einer realen Induktivität (Drahtwiderstand, Strahlungsverluste, Wirbelströme und Hystereseverluste) unter dem einzigen Begriff „effektiver Widerstand“ ausgedrückt:

Ersatzschaltung einer realen Induktivität mit Skineffekt-, Strahlungs-, Wirbelstrom- und Hystereseverlusten.

Es ist erwähnenswert, dass der Skin-Effekt und die Strahlungsverluste für gerade Kabel in einem Wechselstromkreis genauso gelten wie für einen gewendelten Draht. Normalerweise ist ihre kombinierte Wirkung zu gering, um sie zu bemerken, aber bei Funkfrequenzen können sie ziemlich groß sein.

Eine Funksendeantenne zum Beispiel wurde mit dem ausdrücklichen Zweck entwickelt, die größte Energiemenge in Form von elektromagnetischer Strahlung abzuleiten.

Qualitätsfaktor (Q-Faktor)

Der effektive Widerstand in einem Induktor kann für den Entwickler von Wechselstromkreisen eine ernsthafte Überlegung sein. Um den relativen Betrag des effektiven Widerstands in einem Induktor zu quantifizieren, gibt es einen anderen Wert namens Q-Faktor , oder „Qualitätsfaktor“, der wie folgt berechnet wird:

Das Symbol „Q“ hat nichts mit einer elektrischen Ladung (Coulomb) zu tun, die eher verwirrend ist. Aus irgendeinem Grund haben die Machthaber beschlossen, denselben Buchstaben des Alphabets zu verwenden, um eine völlig andere Menge zu bezeichnen.

Je höher der Wert für „Q“ ist, desto „reiner“ ist der Induktor. Da es so einfach ist, bei Bedarf zusätzlichen Widerstand hinzuzufügen, ist eine Induktivität mit hohem Q-Wert für Designzwecke besser als eine Induktivität mit niedrigem Q-Wert. Ein idealer Induktor hätte einen Q von Unendlich mit einem effektiven Widerstand von null.

Da sich die induktive Reaktanz (X) mit der Frequenz ändert, ändert sich auch Q. Da jedoch die Widerstandseffekte von Induktoren (Drahthauteffekt, Strahlungsverluste, Wirbelstrom und Hysterese) auch mit der Frequenz variieren, ändert sich Q nicht proportional zur Reaktanz. Damit ein Q-Wert eine genaue Bedeutung hat, muss er bei einer bestimmten Testfrequenz angegeben werden.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Induktoren-Arbeitsblatt