In einer Welt, die zu großen Teilen von Mikroprozessoren, ASICs, MCUs, GPUs und DSPs bestimmt wird, werden passive Bauelemente wie etwa Induktivitäten häufig als etwas Geheimnisvolles angesehen. Wie sie verwendet werden, ist für viele eine Art schwarze Magie, die sich schwer nachvollziehen lässt. Dabei sind sie, was ihren Aufbau angeht, ziemlich unkompliziert. Sie bestehen im Allgemeinen aus einer einfachen Drahtspule, die um einen Metallkern gewickelt ist, und führen in Schaltkreisen zahlreiche wichtige Funktionen aus. Deshalb müssen Entwickler sich gut damit auskennen, wie sie funktionieren und in der Lage sein, die richtigen Induktivitäten für ihre jeweilige Anwendung auszuwählen.

Widerstand gegenüber Veränderungen

Einige Induktivitäten sind Luftspulen, aber die meisten verfügen über einen Eisenkern oder noch häufiger über einen Ferritkern, wodurch sich die Stärke des Magnetfeldes erhöht, das für den Induktivitätsbetrieb erforderlich ist. Mit Zunahme des Stromflusses erhöht sich auch die Stärke des Magnetfeldes und damit auch die Spannung in der Induktionsspule, wie das Faradaysche Induktionsgesetz besagt. Diese Spannung wird als „Gegen-EMK“ bezeichnet und erzeugt einen Strom, der in die entgegengesetzte Richtung fließt und damit entgegen dem ursprünglichen Stromfluss wirkt – dieser Effekt wird durch das Lenzsche Gesetz beschrieben.

Im Wesentlichen bedeutet es, dass eine Induktivität immer jeder Änderung des aktuell durch sie fließenden Stromes entgegenwirkt. Diese Eigenschaft ist sehr nützlich und wird in Schaltungen genutzt, um Signale zu glätten, etwa in der Endstufe von Stromversorgungen. Dies kommt besonders bei DC/DC-Wandlern zum Tragen, in denen Induktionsspulen aus der „abgehackten“ Schaltungswellenform einen gleichmäßigen Gleichstrom erzeugen. Induktivitäten werden auch häufig für die analoge Filterung in HF- und Audioanwendungen genutzt, oder sie dienen zum Herausfiltern oder als einfache Unterdrücker von elektromagnetischen Interferenzen in Kommunikationsbussen usw.

Diese Parameter sollten Sie kennen

Induktivitäten werden in Schaltungsbeschreibungen üblicherweise mit „L“ bezeichnet. Die Einheit der Induktivität ist Henry, gekennzeichnet mit dem Symbol „H“ (und benannt nach Joseph Henry, einem Wissenschaftler aus dem 19. Jahrhundert). Ein Henry ist die Induktivitätsmenge, die erforderlich ist, um eine Gegen-EMK von einem Volt zu induzieren, wenn die Stromänderung in einer Spule ein Ampere pro Sekunde beträgt. In der Praxis ist ein Henry ziemlich viel, sodass sich die Induktivitätswerte gemeinhin im Millihenry- (mH) oder Nanohenry-Bereich (nH) bewegen.

Die Filterreaktion einer Induktion variiert je nach Frequenz. Jede Induktivität  verfügt über eine Eigenresonanzfrequenz (SFR). Dies ist die Frequenz, bei die Filterwirkung am stärksten ausgeprägt ist. Oberhalb dieser Frequenz beginnt die Induktivität sich eher wie ein Kondensator zu verhalten, wodurch ihre Filterwirkung herabgesetzt wird. Deshalb muss eine SRF über der Betriebsfrequenz des Systems gewählt werden.

Da Induktionsspulen aus Draht geformt werden, gibt es einen endlichen Gleichstromwiderstand (DCR), der sich umgekehrt proportional zum Durchmesser und proportional zur Länge des Drahts verhält. Das bedeutet im Allgemeinen, dass der Gleichstromwiderstand in etwa proportional zum Induktivitätswert ist. Der DCR verursacht Systemverluste in direkter Beziehung zum Quadrat des Stromes, der durch die Induktivität fließt. Dies kann dazu führen, dass sich das induktive Bauelement im Betrieb erwärmt, was jedoch unerwünscht ist, insbesondere bei Stromversorgungen mit hoher Leistungsdichte, bei denen die Ableitung von überschüssiger Wärme ohnehin schwierig ist.

In engem Zusammenhang mit dem Gleichstromwiderstand steht der Nennstrom – allgemein definiert als der Strom, bei dem die nominale Induktivität um einen bestimmten Prozentsatz gefallen ist oder die Temperaturim Induktivitätskern um einen bestimmten Betrag gestiegen ist. Zwar sind beides valide Messwerte, es existiert jedoch kein allgemein anerkannter, industrieweiter Standard für die Werte der Induktivitäts- oder Temperaturänderung, wodurch ein Vergleich zwischen Bauelementen verschiedener Hersteller häufig schwierig ist.

Der letzte Parameter, der berücksichtigt werden muss, ist der sogenannte „Q-Faktor“ oder auch Gütefaktor. Mathematisch gesehen ist er das Verhältnis der Induktivität zum Widerstand bei einer bestimmten Frequenz, und viele sehen ihn als Maß für die Effizienz einer Induktivität an. Je höher der Q-Faktors, umso stärker nähert sich das jeweilige Bauelement an eine theoretisch ideale Induktivität an.

Der Formfaktor einer Induktivität ist ebenfalls eine Überlegung wert. Viele Spulen sind als oberflächenmontierte Typen verfügbar, die automatisch bestückt werden können. Größere Ausführungen, etwa für Leistungsanwendungen, verfügen möglicherweise außerdem über Anschlussdräte, wodurch ein zusätzlicher Produktionsschritt erforderlich ist. Einige Induktivitäten verfügen über eine Abschirmung (die verhindert, dass ihr elektrisches Rauschen andere Bereiche der Schaltung beeinträchtigt). Da der gesamte Magnetfluss in der Induktivität bleibt, sind sie zudem effizienter (mit einem höheren Q-Faktor).

Praktischer Einsatz von Induktivitäten

Bei den meisten Induktivitäten handelt es sich im Wesentlichen um Draht, der um einen Ferritkern gewickelt ist. Allerdings haben unterschiedliche Materialien, Drahttypen, Formfaktoren und mechanische Konstruktionen auch verschiedene Leistungswerte zur Folge. Dadurch eignen sich die jeweiligen Induktivitäten für einen ganz bestimmten Einsatzzweck. HF-Induktivitäten zum Beispiel werden in Systemen verwendet, in denen irgendeine Form der Drahtloskommunikation benötigt wird, und sind generell so gestaltet, dass sie höchste Signalintegrität aufrechterhalten. Viele HF-Induktivitäten unterscheiden sich dadurch von Mehrzweck-Induktivitäten, dass sie über einen nicht leitenden Spulenkörper aus Kunststoff verfügen. Um die für HF-Anwendungen erforderliche Leistung zu erreichen, sind die Induktivitätstoleranzen normalerweise eng (±5 %), und die Bauweise gewährleistet, dass der Wickelschritt über die Länge der Spule hinweg konstant ist. Zu den neuesten Typen zählen die HF-Festinduktivitäten der Serie 132 von Coilcraft.

HF-Induktivitäten
Abbildung 1: Beispiele für die HF-Induktivitäten der Serie 132 von Coilcraft

Bei einigen HF-Anwendungen werden Induktivitäten in abgestimmten Schwingkreisen eingesetzt und müssen einstellbar sein. Hierfür wird eine Aluminiumschraube in die Spule eingesetzt, die so justiert werden kann, dass sich die Überlappung zwischen Spule und Schraube ändert. Diese Arten von Induktivitäten können ungeschirmt sein, sind aber häufig auch mit einer Metallabschirmung verfügbar, wie etwa die Serien 164 und 165 von Coilcraft.

Elektromagnetische Interferenzen (EMI) sind für die meisten Entwickler heute ein Problem, da die Systeme häufig bestimmte regulatorische Vorgaben erfüllen müssen, sodass gewährleistet ist, dass sie das HF-Spektrum nicht störend beeinflussen oder durch Interferenzen anderer Bauteile beeinträchtigt werden. Die einfachsten Induktivitäten für diese Anwendungsbereiche bestehen aus einer Ferritperle mit einer einzigen Drahtwindung oder einer zweiteiligen Ferritperle, die um eine Leiterbahn geklemmt ist. Es gibt Induktivitäten, die speziell für die EMI-Filterung ausgelegt sind. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um kleinere oberflächenmontierte Bauteile, die durch die Frequenzbereiche gekennzeichnet sind, für die sie konzipiert wurden. Moderne Systeme benötigen Hochgeschwindigkeitskommunikation, und Geräte wie die stromkompensierten Drosseln der 1206-Serie sind für sehr schnelle USB-Signalleitungen optimiert.

Bei vielen Datenkommunikationsanwendungen müssen mehrere Leitungen gefiltert werden. Um Platz auf der Leiterplatte zu sparen, bieten einige Hersteller deshalb mehrere Induktivitäten in einem praktischen Paket an. Die CCDLF-Serie bietet bis zu 10 Windungen in einem oberflächenmontierten Paket, das nur 9,14 mm x 9,14 mm misst.

Coilcraft CCDLF Serie
Abbildung 2: Die Coilcraft CCDLF-Serie

Die Energieversorgung ist einer der Haupteinsatzbereiche von Induktivitäten/Induktionsspulen, und es gibt zahlreiche spezifische Anwendungsgebiete in diesem Bereich sowie allgemeinere Filteranwendungen, für die sie benötigt werden. Bestimmte Leistungsinduktivitäten wie die der DO1608C-Serie sind für moderne Unterhaltungselektronik optimiert, etwa Notebooks und Mobiltelefone. Sie bieten eine attraktive Kombination aus niedrigem Gleichstromwiderstand zur Reduzierung von Verlusten und gedrosselter Wärmeentwicklung. Gleichzeitig unterstützen sie eine umfangreiche Energiespeicherung, die für die Bewältigung von Rippelströmen erforderlich ist. Die Induktivitäten arbeiten in einem großen Temperaturbereich (von -40°C bis +85°C) und verfügen über eine Qualifizierung nach AEC-Q200 Grade 3, sodass sie in Schaltungen im Automobilbereich eingesetzt werden können.

Für leistungsintensivere Anwendungen bietet die SER80xx-Serie eine Reihe von Induktivitätswerten von 0,50 bis 10mH in einem kompakten oberflächenmontierten Gehäuse mit 8,80 mm x 8,80 mm. Der Nennstrom kann für diese Bauteile über 20 A liegen. Das bedeutet, sie sind für Boost-Induktivitäten in Abwärtswandlern etc. geeignet. Praktischerweise enthält das Coilcraft-Datenblatt Angaben zum Sättigungsstrom (ISAT) für einen Abfall der nominellen Induktivität von 10 %, 20 % und 30 % sowie für einen Temperaturanstieg von 20°C und 40°C, sodass der Vergleich mit Produkten anderer Hersteller vereinfacht wird.

Während man mit der theoretischen Berechnung einen Näherungswert für eine Induktivität erhält, wird der abschließende Wert häufig erst dadurch ermittelt, dass ein Prototyp gebaut und Bauteile so lange ausgetauscht werden, bis die optimale Leistung erreicht wurde. Um diese Aufgabe zu erleichtern, bietet Mouser verschiedene Induktivitätsentwickler-Kits an, die mehrere Induktivitätswerte umfassen, sodass Prototypen schnell ausgetestet werden können – eine nützliche Ergänzung in jedem Prototypen-Labor.