Spulen Der Schein vom hohen Nennstrom

Bild 4: Wärmebilder beider Spulen
Bild 4: Wärmebilder beider Spulen

Für seine Datenblätter ermittelt ein Spulenhersteller Parameter wie Induktivität, Nenn- und Sättigungsstrom sowie der Kupferwiderstand. Vergleicht man nun den Nennstrom baugleicher Spulen unterschiedlicher Hersteller, stellt man oftmals fest, dass sich diese Werte wesentlich unterscheiden. Woher kommt das?

Um den Nennstrom einer Spule zu ermitteln, spielt die zulässige Betriebstemperatur eines Bauteils eine wichtige Rolle. Wird diese überschritten besteht Gefahr, dass das Bauteil zerstört wird beziehungsweise sich seine Lebensdauer deutlich verringert. Die Betriebstemperatur TOp setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: der Umgebungstemperatur TAmb und der Eigenerwärmung ΔT des Bauteils.

Die Eigenerwärmung resultiert aus den abfallenden Verlustleistungen PLoss bezogen auf das Wärmeabfuhrvermögen eines Bauteils. Das Wärmeabfuhrvermögen ist ein Produkt aus der Bauteiloberfläche AComp und einer produktabhängigen Konstante kComp, die unter anderem das Oberflächenmaterial wiederspiegelt, wie Gleichung 3 zeigt:

left parenthesis 3 right parenthesis space ΔT equals open parentheses fraction numerator P subscript L o s s end subscript over denominator A subscript C o m p end subscript times k subscript C o m p end subscript end fraction close parentheses to the power of 0 comma 833 end exponent

Ursache für die Eigenerwärmung der Spule ist der Gleichstromverlust, verursacht durch den Kupferwiderstand (RDC) des Drahtes. Er wird im Betrieb ermittelt. Der RDC wird in einem Vierpolverfahren mit einem LCR-Meter gemessen und kann sich von Bauteil zu Bauteil deutlich unterscheiden. Bei gegebener Materialkonstante ρ ist der Widerstand eines Kupferdrahtes umso höher, je länger dessen Länge l und desto kleiner dessen Querschnitt A, was in Gleichung 2 deutlich wird:

left parenthesis 2 right parenthesis space R subscript D C end subscript equals p times l over A

Um zu verhindern, dass die Spule beschädigt oder gar zerstört wird, sollte darauf geachtet werden, dass der zulässige Nennstrom der Spule nicht überschritten wird. Der Nennstrom IR führt aufgrund des Kupferwiderstands der Drahtwicklung zur Verlustleistung PDC,Loss, wie Gleichung 1 zeigt:

left parenthesis 1 right parenthesis space P subscript D C comma L o s s end subscript equals I squared times R subscript D C end subscript

Die DC-Verlustleistung der Spule nimmt mit dem Quadrat des Stroms durch das Bauteil zu und führt zur unerwünschten Erwärmung. Üblicherweise nimmt man die Eigenerwärmung des Bauteils in das Datenblatt auf. Der Nennstrom wird bei einer definierten Eigenerwärmung spezifiziert. Viele Bauteilhersteller spezifizieren bei Spulen und vielen anderen passiven Bauelementen den Nennstrom folgendermaßen: Sie lassen einen Gleichstrom durch das Bauteil fließen und steigern ihn solange, bis er im thermisch eingeschwungenen Zustand eine Temperaturerhöhung von 40 K hervorruft. Allerdings kommt es von Hersteller zu Hersteller zu Abweichungen, weil es weltweit keine Norm gibt, welche eine Temperaturerhöhung definiert, bei welcher der Nennstrom ermittelt wird.

Einfluss des Messaufbaus

Es bedarf eines definierten Prüfraums, sodass das Messergebnis nicht durch Luftkonvektion verfälscht wird. Der Prüfraum von Würth Elektronik eiSos, wie er in Bild 1 gezeigt wird, ist in Anlehnung an die EN 60512-5-2 aus einem nichtwärmereflektierenden Material gefertigt. Die EN 60512 beschreibt den Test von Steckverbindern für elektronische Einrichtungen. Sie wird als Referenz genutzt, da für Spulen keine derartige Definition vorhanden ist. Ein Thermoelement kontaktiert mittels Wärmeleitpaste die Oberfläche der Spule, wodurch sich die Bauteiltemperatur sehr exakt messen lässt. Dieses Messsystem ist automatisiert und die Stromquelle wird mittels einer speziell hierfür entwickelten Software gesteuert.

Der Nennstrom wird ermittelt, indem ein Strom in die Spule eingeprägt wird. Nachdem das System bestehend aus Spule und Messeinrichtung eingeschwungen ist, messen Sensoren sowohl die Temperaturerhöhung des Bauteils als auch die Umgebungstemperatur. Ist die Temperaturerhöhung kleiner als 40 K, wird der eingeprägte Strom schrittweise erhöht, bis eine Erwärmung von 40 K erreicht ist. Ist dieser Wert erreicht, so wird der eingeprägte Strom durch die Spule als Nennstrom abgelesen und deklariert.

Selbst innerhalb des Prüfraums bestehen Einflüsse, die das Messergebnis deutlich verfälschen können. Kritisch ist während der Messung die Anbindung der Spule an die Stromquelle, da eine unerwünschte Wärmeabfuhr die Messergebnisse verfälschen würde. Aus diesem Grund achtet man bei Würth darauf, dass während der Messung die Wärmekopplung des Bauteils zur Umgebung möglichst gering ist.

Bild 2 zeigt eine Vergleichsmessung mit verschiedenen Kontaktierungsmöglichkeiten einer Spule.

Für diese Vergleichsmessung wird die Spule »74437346220« der Serie »WE-LHMI« von Würth in der Bauform 7030 verwendet und ein Strom von 9 A eingeprägt. Die Art der Kontaktierung beeinflusst das Messergebnis deutlich. Je mehr Masse die Kontakte aufweisen, umso mehr Wärme kann über die Kontakte abgegeben werden und desto geringer ist die relative Temperaturänderung der Spule. Das erste Beispiel aus der Vergleichsmessung zeigt, dass beispielsweise eine WE-LHMI der Baugröße 7030 sich nur um 30,9 K erwärmt, wenn die Spule zur Kontaktierung an Drähte gelötet und über große Prüfklemmen kontaktiert wird. Bei kleineren Klemmen (Bild 2, Mitte) steigt bei gleichem Strom die Temperatur um 35,8 K an. Diese Art der Kontaktierung ist jedoch nicht praxisnah.

Würth empfiehlt in seinen Datenblättern für jede Spule ein Pad-Design, das als Grundlage für solche Messungen dient (Bild 2, unten). Um während der Messung den Standard in der Industrie nachzubilden, wird als Trägermaterials FR4 mit 1,5 mm Stärke und 35 µm Kupfer, chemisch vergoldet, verwendet. Es wird die Vierpolmessung angewendet, um die Anbindung der Stromversorgung möglichst niederohmig zu halten. Zusätzlich wird so eine hohe Erwärmung der Messleitungen verhindert. In diesem Fall erwärmt sich die Spule bereits bei einem Strom von 9 A um 40 K. Diese Vergleichsmessung zeigt, dass der Temperaturunterschied bis zu 9,1 K betragen kann.

In der Regel treffen viele Hersteller von Spulen keine Aussage über das Kontaktierungsverfahren, sodass ihr Messverfahren nicht reproduziert werden kann. Werden jedoch zwei baugleiche Spulen unterschiedlicher Hersteller mit demselben Mess- und Kontaktierungsverfahren gemessen und verglichen, so sollten gleiche Ergebnisse erzielt werden.

Spulen im Vergleich

Im Folgenden wird eine Spule der Produktfamilie WE-LHMI mit einer baugleichen Spule eines Marktbegleiters verglichen. Beide Spulen werden aus Runddraht gefertigt und in einem Kern aus Eisenpulvermischung verpresst. In Tabelle 1 sind die Eigenschaften gegenüber gestellt.

Artikelnummer Bauform IR RDC (typ.) 
744373460082 7030 0,82 µH 9 A 6,7 mΩ 
Marktbegleiter 7030 0,82 µH 13 A 6,7 mΩ
Tabelle 1: Parameter zweier baugleicher Spulen mit gleichem Kupferwiderstand

Interessanterweise unterscheidet sich der Nennstrom zwischen den beiden Spulen um 4 A. Theoretisch sollte bei gleicher Bauform und gleichem RDC keine Differenz im Nennstrom vorliegen. Versuchsweise 
werden beide Spulen gemäß obigem Aufbau einer Messung des Nennstroms unterzogen. Bei beiden Messungen kommt derselbe Messaufbau, dasselbe Kontaktierungsverfahren und dieselbe Messplatine zum Einsatz.

In Bild 3 ist deutlich zu sehen, dass die Kennlinie der Spule des Mitbewerbers (blau) nahezu identisch mit der Kennlinie des Bauteils von Würth (rot gestrichelt) ist.

Bild 4 zeigt die Temperatur beider Spulen, gemessen mit einer Wärmebildkamera. Der Temperaturunterschied zwischen beiden Bauteilen beträgt gerade einmal 0,6 K und ist auf Bauteiltoleranzen zurückzuführen. Beide Kennlinien zeigen bei einer Eigenerwärmung von 40 K einen Nennstrom von 9 A. Zusätzlich liegt bei beiden Spulen und gleicher Bauform der gleiche Widerstandswert von 6,7 mΩ zugrunde. Resultierend stellt sich bei beiden Spulen die gleiche Verlustleistung PDC,Loss von 542,7 mW ein.

All diese Tatsachen weisen darauf hin, dass der Mitbewerber den Nennstrom seines Bauteils mit einem Messverfahren ermittelt hat, bei dem eine große Wärmeabfuhr vorliegen muss. Die geringen Abweichungen in der Kennlinie werden durch Bauteiltoleranzen hervorgerufen. Sie treten selbst beim Vergleich von baugleichen Spulen auf, die aus derselben Serie, desselben Herstellers stammen.

Über den Autor:

Stefan Klein ist als Applikationsingenieur im technischen Marketing bei Würth Elektronik eiSos tätig.