Spulentypen erklärt: Umfassender Leitfaden zu Induktivitäten

Spulen (Induktivitäten) haben den Ruf, groß und träge zu sein – weshalb sie Einsteiger oft meiden. Dabei sind sie kritische passive Bauelemente und es lohnt sich, sie zu verstehen. Nicht alle Induktivitäten sind unflexibel und sperrig; sie können zu den wichtigsten elektronischen Komponenten Ihrer Platine gehören. Zunächst müssen Sie jedoch wissen, welcher Spulentyp für Ihr Projekt am besten geeignet ist.

Arten von Induktivitäten

Induktivitäten gibt es in verschiedenen Formen und Größen. In diesem Abschnitt untersuchen wir alle verfügbaren Typen und besprechen Eigenschaften, Anwendungen und Aufbau.

Gekoppelte Induktivität (Coupled Inductor)

Aufbau

Gekoppelte Induktivitäten bestehen aus einem ideellen Transformator und einer Induktivität mit Magnetisierungsinduktivität – diese beiden Komponenten bilden zusammen die gekoppelte Induktivität. Wie bei den meisten Spulen speichert der magnetisierte Induktor Energie, während der Transformator sie überträgt. Beide Spulen erhöhen die gesamte elektromagnetische Permeabilität durch den Effekt der gegenseitigen Induktion (Mutual Inductance).

Anwendungen

Gekoppelte Induktivitäten kommen typischerweise in Buck-Boost-DC-DC-Wandlern zum Einsatz, beispielsweise in:

• Single-Ended Primary Inductor Convertern (SEPIC)
• Flyback-Wandlern
• Ćuk-Wandlern

Beispielspezifikationen

• Kernvolumen: 0,121 Liter
• Luftspaltlänge: Seite: 0 mm, Mitte: 26,6 mm
• Gesamtgewicht: 910 g

Schaltbild

Luftspulen-Induktivität (Air Core Inductor)

Aufbau

Die Luftspulen-Induktivität ist einer der häufigsten Typen. Sie nutzt oft einen Keramikkern und wird daher auch Keramikkern-Induktivität genannt. Luftspulen können auch kernlos sein. Keramische, nicht-magnetische Kerne sind jedoch vorzuziehen: Der Keramikkern gibt der Spule Form und Halt. Keramik hat einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und bietet hohe Stabilität im Betrieb. Es ist eines der gängigsten Kernmaterialien.

Da Keramik keine magnetischen Eigenschaften besitzt, hat es eine Permeabilität von null und speichert keine Restenergie – die Induktivität bleibt unbeeinflusst. In der Produktion wird die Spule oft in Wachs oder Lack getaucht, um sie weiter zu stabilisieren – besonders wichtig bei kernlosen Luftspulen.

Anwendungen

Luftspulen eignen sich für Hochfrequenzanwendungen wie Fernsehgeräte. Weitere Einsatzgebiete:

• Stufenkopplung (Interstage Coupling)
• Niederfrequenzanwendungen zwischen 20 Hz und 1 MHz
• RF- und IF-Abstimmspulen
• Filterschaltungen

Beispielspezifikationen

• Betriebstemperatur: -40 °C bis +125 °C
• Toleranz: ± 2 %, 5 % und 10 %
• Induktivitätsbereich: 1,65 nH bis 538 nH
• Gleichstromwiderstand: 0,4 Ω
• Drahtstärke: 18 AWG

Symbol

Blechpaket-Induktivität (Laminated Core Inductor)

Aufbau

Der Kern besteht aus einem Stapel von Blechpaketen (Laminierungen), die übereinander angeordnet sind. Die Materialien hängen von Spezifikationen und Verwendungszweck ab – es können verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Dicken zum Einsatz kommen. Meist sind die Laminierungen stahlbasiert mit Isolierschicht dazwischen. Der Hersteller muss sie parallel zum Magnetfeld ausrichten, um Wirbelstromverluste zu vermeiden. Ein weiterer kritischer Bestandteil ist die um einen Spulenkörper (Spulenkörper) gewickelte Spule.

Anwendungen

Blechpaket-Induktivitäten finden sich 주로 in Transformatoren. Weitere Anwendungen:

• Netzfilter (Line Filters)
• Störfilter (Noise Filters)
• Filterdrosseln (Filter Chokes)
• Ladegeräte/Wandler für Elektrofahrzeuge

Beispielspezifikationen

• Gleichstrombereich: 1,0 ADC bis 200 ADC
• Induktivitätsbereich: 0,12 mH bis 100 mH
• Betriebstemperatur: bis 130 °C

Diagramm

Ferritkern-Induktivität (Ferrite Core Inductor)

Aufbau

Ferrit sieht keramikähnlich aus, ist aber ein ferrimagnetisches Material (ferromagnetisch). Es magnetisiert sich in einem Magnetfeld und behält diesen Magnetismus bei, wenn das Feld entfernt wird. Daher besitzt es hohe elektromagnetische Permeabilität und einen niedrigen Widerstand für den magnetischen Fluss. Da das Kernmaterial aus Eisenoxid besteht, spricht man auch von Eisenkern-Induktivitäten.

Es gibt zwei Ferritkerntypen:

• Weichferrit: Trägt Magnetismus nur temporär. Wenn das Magnetfeld abnimmt, verliert der Ferrit seinen Magnetismus – die Polarität kann umgekehrt werden. Man nennt ihn auch transienten oder temporären Magneten.
• Hartferrit: Dichtes, robustes Material, einsetzbar bis 180 °C. Im Gegensatz zu Weichferrit behält er seinen Magnetismus nach Entfernen des Feldes – ein Permanentmagnet.

Anwendungen

Ferritkern-Induktivitäten eignen sich für:

• Pi-Filter
• Schaltkreise
• Verschiedene Frequenzbereiche

Beispielspezifikationen

• Induktivität: 1400 ± 25 % nH
• Betriebsfrequenzbereich: ≥ 150 kHz
• Betriebstemperatur: -25 °C bis ±180 °C
• Gewicht: 1,4 g bis 27,6 g

Diagramm

Ringkern-Induktivitäten (Toroidal Core Inductors)

Ringkern-Induktivitäten nutzen Toroide als Kern. Der Name bezieht sich auf die Form (donutförmig – kreisförmig mit Loch in der Mitte) mehr als auf das Material. Toroide gibt es in verschiedenen Größen und Materialien: Ferrit oder Pulverkerne wie Kool Mµ.

Verschiedene Materialien verhalten sich bei unterschiedlichen Frequenzen und Induktivitätswerten anders. Der größte Vorteil von Ringkern-Induktivitäten gegenüber anderen Typen ist die geringere elektromagnetische Störung (EMI).

Sie können Ringkern-Induktivitäten zu Hause wickeln, benötigen jedoch beim Herstellungsprozess eine spezielle Wickeltechnik.

Anwendungen

• Netzteile
• Elektronische Schaltungen
• Analogschaltungen
• Kommunikationssysteme
• Medizinische Geräte

Beispielspezifikationen

• Materialtypen: Molypermalloy-Pulver, High Flux (Nickel-Eisen-Legierung), Kool Mµ (Eisen-Aluminium-Silizium-Legierung), XFlux (Silizium-Eisen-Legierung), Kool Mµ Max
• Permeabilität: 14 – 300 H/m
• Sättigung: 0,7 bis 1,6 T

AC-Kernverluste: Gering bis hoch

Diagramm

Spulenkörper-Induktivitäten (Bobbin Inductor)

Ein Spulenkörper (Bobbin) ist ein zylindrisches Element, um das Draht, Band oder Kupferwicklung gelegt wird. Der Name beschreibt die Form, nicht das Material – daher auch Trommelkern-Induktivität. Nach dem Wickeln wird die Spule mit einem Schrumpfschlauch am Körper fixiert. Der Spulenkörper kann verschiedene Formen und Materialien haben: ferromagnetisch, Pulvereisen, Nickel-Eisen-Legierungen oder Ferrit.

Anwendungen

Primär auf bestückten Leiterplatten (PCBs). Weitere Anwendungen:

• Netzteiladapter
• Pi-Filter
• Filterschaltungen
• Schaltnetzteil-Schaltungen (SMPS)

Beispielspezifikationen

• Materialtypen: Nickel-Eisen-Legierung, Kobalt-Legierung, Pulvereisen und Nickel, Ferrit
• Standard-Induktivität: ± 10 %
• Bauformen: Vertikal und horizontal

Diagramm

Axiale Festinduktivitäten (Axial Fixed Inductors)

Aufbau

Axiale Induktivitäten sehen Widerständen ähnlich – daher auch Farbring-Induktivitäten. Sie weisen eine dünne Spule um einen miniaturisierten, gekrümmten, bobbinartigen Ferritkern auf. Nach dem Wickeln werden Anschlüsse an beide Enden verbunden. Anschließend wird das Bauteil mit grüner Keramik oder Kunststoffisolierung ummantelt. Farbringe kennzeichnen den Induktivitätswert gemäß EIA-Standards (Electronic Industries Association). Meist als 4- oder 5-Ring-Ausführung. Zur Berechnung des Werts nutzen Sie die EIA-Farbtabelle.

Anwendungen

Axiale Induktivitäten sind generell Hochfrequenz-Induktivitäten. Aufgrund ihrer Größe und Robustheit eignen sie sich für:

• Leiterplatten
• RF-Anwendungen
• Resonanzschaltungen
• Buck-Boost-Wandler
• Stromnormalisierung in elektrischen Schaltungen
• Filterschaltungen und andere Designs

Beispielspezifikationen

• Betriebstemperatur: -55 °C bis ±105 °C
• Produkttypen: General Purpose, RF-Induktivitäten, Power-Induktivitäten
• Spulen- und Materialtypen: Drossel (Power, RF, Hash, HF), Vergossen, Drahtgewickelt, RFI-Spule
• Induktivitätsbereiche: 1 nH bis 680 mH
• Toleranz: 1 % bis 20 %
• Max. Gleichstrombereich: 2 mA bis 188 A
• Gleichstromwiderstandsbereich: 35 µΩ bis 1,2 kΩ

Diagramm

Mehrschicht-Chip-Induktivitäten (Multilayer Chip Inductors)

Aufbau

Wie der Name sagt, bestehen Mehrschicht-Chip-Induktivitäten (MLCI) aus mehreren Lagen: ferromagnetisches Material auf keramischen Dielektrika. Der Hersteller druckt die Induktionsspule mit metallischer Paste auf die ferromagnetischen Schichten. Korrekt übereinandergelegt bilden die Muster eine einzige Spule. Das Gesamtpaket wird vergossen und beschichtet. Auf jeder Seite des MLCI-Gehäuses befinden sich Anschlusskontakte. Man spricht auch einfach von Mehrschicht-Induktivitäten.

Anwendungen

Ihre Kompaktheit ermöglicht den Einsatz in:

• Wearables
• Bluetooth-Geräten
• Mobilgeräten
• Session Border Controllern (SBC)
• Computer-Mainboards
• Netzwerkadaptern
• Kommunikationstechnik

Beispielspezifikationen

• Induktivitätsbereich: 0,3 nH bis 470 nH
• Betriebstemperaturbereich: -55 °C bis +125 °C
• Frequenzbereich: 12 MHz bis +65 MHz

Diagramm

Weitere nennenswerte Induktivitätstypen

• Kabellose Ladespulen: Kupferdrahtstränge um einen Ferritkern – für kabelloses Laden mobiler Geräte.
• Pulvereisenkern-Induktivitäten: Ferromagnetische Kerne mit Luftspalten – fördern hohe elektromagnetische Permeabilität.
• Dünnschicht-Induktivitäten (Film Inductor): Dünnschichtbasiertes Material als Spule – extrem klein und leicht. Einsatz in DC-DC-Wandlern in Mobiltelefonen und tragbaren Geräten, auch für Resonanzschaltungen.
• Variable Induktivitäten: Einstellbare Induktivitäten mit verschiebbarem Magnetkern. Der Kern bewegt sich in und aus der Spule, wodurch sich die Induktivität ändert (typisch 10 µH bis 100 mH). Auch als variable Ferritkern-Induktivitäten bezeichnet.

Fazit

In diesem Leitfaden haben wir die gängigsten Induktivitätstypen untersucht. Der entscheidende Faktor für den Typ ist der Kern. Wenn Sie hier angekommen sind, sollten Sie ein grundlegendes Verständnis aller Typen und ihrer Eignung für Ihr nächstes Projekt haben. Wir hoffen, dieser Leitfaden war hilfreich. Vielen Dank fürs Lesen!