Spulen selbst zu wickeln, ist nicht immer sinnvoll

Niemand entwirft und baut seine MOSFETs, Dioden, Kondensatoren, Widerstände oder Controller selbst. Bei induktiven Komponenten in Stromversorgungen allerding haben viele Ingenieure das Gefühl, selbst etwas entwickeln zu müssen. Der Grund dafür liegt in den unzähligen Möglichkeiten für den Ausgangsfilter, der aus Speicherdrossel und Kondensator besteht. Bei einer größeren Induktivität lässt sich der Kondensator kleiner dimensionieren und umgekehrt. Auch die physische Größe sowie die Kosten beeinflussen an dieser Stelle das Design der Induktivität.

Tatsächlich ist es eine Optimierungsmöglichkeit, eine individuelle Spule für eine spezielle Schaltung zu entwickeln. Aber den damit verbundenen Aufwand sollten Ingenieure nicht unterschätzen. Zunächst ist eine geeignete Simulationssoftware notwendig. Die Verwendung von 3D-Finite-Elemente-Software liefert die besten Ergebnisse, da sie Wechselstromverluste, die sich aus der Wickelgeometrie ergeben, besser berücksichtigen kann als 2D- oder rein numerische Berechnungen.

Auf jeden Fall brauchen Entwickler Zeit, um die Modelle zu erstellen oder um die verschiedenen vorgeschlagenen Induktivitätswerte in die Berechnung einzubinden und zu simulieren. Im nächsten Schritt müssen sie die notwendigen Kerne, Spulen und Drähte sowie Maschinen und Hilfsmittel für das eigentliche Aufwickeln und das Verschließen des Kerns beschaffen. Nur die einfachsten Induktivitäten lassen sich von Hand herstellen. Leistungsstärkere Komponenten verlangen im Allgemeinen Wickeltechniken und Materialien, die außerhalb maschinenbasierter Produktionsanlagen nicht realisierbar sind. Daher bleiben die selbst hergestellten Spulen meist hinter dem Stand der Technik von Standardbauteilen zurück, doch der Entwickler bekommt wenigstens genau die Lösung, die man als Optimum errechnet hat. Zumindest erhofft der Entwickler sich das.

Die eine gültige Lösung gibt es nicht

Bild 1: Einstellen der Parameter für einen Buck Converter. Würth Elektronik Eisos

Was Ingenieure beim Netzteildesign jedoch häufig unterschätzen, ist die schier unendliche Anzahl an Wahlmöglichkeiten, die für alle Komponenten zur Verfügung steht und das gilt nicht nur für die induktiven Komponenten und deren Auswirkungen auf das Design. Es gibt nicht nur je eine einzige Kombination von Widerständen und Kondensatoren, die eine effektive Kompensation des Regelkreises ermöglichen. Genauso wenig gibt es bei magnetischen Komponenten jeweils eine gültige Lösung. Dies heißt aber im Umkehrschluss, dass es möglich ist, mit verschiedenen Induktivitäten ans Ziel zu kommen, wenn die Komponenten aufeinander abgestimmt sind. Mit einer ausreichend großen Auswahl an Standardbauteilen muss sich eine Lösung finden lassen.

Auswahl statt Eigenentwicklung

Würth Elektronik kennt als Hersteller von Standardinduktivitäten die Problematik und bietet ein kostenloses Onlinetool, mit dem sich die optimal passende Induktivität für jede Anwendung ermitteln und auswählen lässt: In Redexpert gibt der Ingenieur seine Topologie mit Basisparametern ein und das Tool listet sofort alle geeigneten Induktivitäten in einer Tabelle auf.

Es bleibt dem Entwickler somit erspart, sämtliche Daten für jede Möglichkeit erneut einzugeben und die Simulation wie bei herkömmlicher Software wiederholt auszuführen. Über die Auswahl von Parametern wie Höhe, Volumen, Verluste, Temperaturanstieg und Leistung kann er die Auswahl immer weiter einschränken. Die hinterlegten Verlustdaten beinhalten alle Kern- und Wicklungsverluste, sowohl DC als auch AC; auch alle Verluste aufgrund der Wicklungsstruktur berücksichtigt das Tool. Was mit Redexpert zur Verfügung steht, wäre in einem Simulationsprogramm in der Finite-Elemente-Methode mit einer detaillierten 3D-Zeichnung und der Kenntnis der Materialeigenschaften ein zeitaufwendiger Prozess. Trotzdem wäre aus einem einfachen Grund niemals die gleiche Genauigkeit möglich: Redexpert basiert nicht auf errechneten, sondern auf gemessenen Daten des Bauteilverhaltens in einem Schaltkreis. Um für die optimale Bauteilauswahl ein Tool von hoher Präzision zu schaffen, hat Würth Elektronik jede einzelne seiner Induktivitäten unter wechselnden Bedingungen mit unterschiedlicher Frequenz (10 kHz bis 10 MHz) und Tastverhältnis (0,1 bis 0,9) durchgemessen. Anhand dieser Ergebnisdatenbank ermittelt das Tool für jedes Teil spezifische Gleichungen.

Komfortables Onlinetool

Bild 2: Redexpert-Oberfläche. Auf der linken Seite wird die Topologie ausgewählt, in der die Basisparameter eingegeben werden. Die Tabelle in der Mitte zeigt alle möglichen Optionen an, die den Kriterien entsprechen. Sie können nach jedem beliebigen Parameter sortiert werden. Die Auswahl eines einzelnen Teils zeigt dessen Leistung und Verluste auf der linken Seite und in Diagrammen am unteren Rand. Man kann mehrere Teile leicht vergleichen, indem man sie auswählt. Ein Klick auf die Schaltfläche fügt sie alle zu Ihrem Warenkorb hinzu. Würth Elektronik Eisos

Der einfache Zugang zur Verwendung dieser Gleichungen erfolgt über die Redexpert-Plattform. Hier kann der Ingenieur Induktivitäten verschiedener Größen wie in anderen Tools testen, aber auch verschiedene Bauformen und Typen. Beispielsweise ist die WE-HCI-Serie mit Rund-, Rechteck- und Litzendrahtwicklungen erhältlich. So lassen sich in einem Bruchteil der Zeit, die zur Berechnung der Drahtvariante notwendig wäre, alle Varianten in Redexpert in einem Schritt überprüfen. Schon der Aufwand, den es im Vergleich dazu braucht, Kerne und Drähte zu beschaffen, zu wickeln, zu montieren und dann jedes Teils zu testen, ist gewaltig. Ganz zu schweigen davon, dass es unmöglich ist, Rechteckdraht von Hand auf Kante zu wickeln, oder dass Lackisolierung mit einer Rasierklinge oder einem Multitool entfernt werden muss.

Litzenleitung erfordert besondere Sorgfalt beim Anschluss, um von den vielen Einzeldrähten profitieren zu können. Doch selbst wer als einziger Entwickler der Welt frei von Zeit und Kostendruck wäre, müsste einsehen, dass ihn Konstruktion und Herstellung eigener Induktivitäten mehr beschränken würde, als dass ihm das Vorgehen größere Freiheit im Design geben könnte.

Viele moderne Lösungen wären ihm verschlossen: Die schraubenförmige Flachwickelstruktur stellt eine der effizientesten und verlustärmsten dar, lässt sich aber ohne spezielle Ausrüstung nicht wickeln. Was ist mit Miniaturinduktivitäten? Was ist mit gegossenen Induktivitäten? Wie sieht es mit Sonderformen aus? Was ist mit präzisionsgewickelten, gekoppelten Induktivitäten mit stark kontrollierter Streuinduktivität? Diese können Ingenieure einfach nicht an der Werkbank produzieren, allerdings sind sie als Standardinduktivitäten in verschiedenen Varianten erhältlich. Ganz zu schweigen von der Qualitätssicherung – welche selbst gebaute Induktion wird so ausführlich hinsichtlich Temperatur, Feuchtigkeit, Schock und Vibration, Lebensdauer, Klemmenfestigkeit, Lötbarkeit etc. getestet, wie es bei Standardprodukten selbstverständlich ist?

Tatsächlich schneller

Bild 3: Redexpert stellt Diagramme (Induktivität vs. Strom, Temperaturanstieg vs. Strom) zur Verfügung, die die tatsächliche Leistung der gewählten Induktivitäten bei verschiedenen Temperaturen anzeigen. Ein verschiebbares Fadenkreuz ermöglicht es dem Benutzer, genaue Positionen auf dem Diagramm mit Messwerten in den Achsen zu bestimmen. Würth Elektronik Eisos

Bleibt das Argument, das nur eine einzelne Spule benötigt wird und diese sehr schnell für Tests und Prototypen gebraucht wird. Zumindest bei Würth Elektronik kann dieses Argument nicht gelten. Der Anbieter schickt Entwicklern postwendend Muster und Kleinstmengen von jedem Produkt in seinem Katalog zu. Entwickler können sich auch eine Auswahl an Mustern bereitlegen: in Form von Design Kits mit Wiederbefüllungsservice.

Es mag Fälle geben, in denen kundenspezifische Induktivitäten gerechtfertigt sind. Normalerweise aber dürften die Auswahl aus einem riesigen Portfolio unterschiedlicher Induktivitäten und die Unterstützung durch eine auf detaillierten Messwerten bestehenden Tools das Wickeln von Spulen in den Hobbybereich verbannen.

(prm)