Induktive Bauelemente
Herausforderungen bei der Produktion optimal meistern
Die Herstellung induktiver Bauelemente ist nicht trivial. Innovation, Präzision und stetige Optimierung der Produktionsprozesse sowie kontinuierliche Forschung und Entwicklung sind der Schlüssel für bestmögliche Ergebnisse – für immer effizientere und zuverlässigere Komponenten.
Der Einsatz induktiver Bauelemente wie Spulen, Übertrager, Drosseln und Transformatoren hat sich mit der Verbreitung von Hochfrequenzumrichtern und Stromversorgungen wie zum Beispiel Schaltnetzteilen weiterentwickelt. Sie werden als Filterelemente, zur Speicherung und Übertragung von Energie und/oder zur galvanischen Trennung eingesetzt.
Im Allgemeinen bestehen Induktivitäten aus einer oder mehreren Spulen, die mit einem emaillierten Kupferleiter um einen Magnetkern gewickelt sind. Dieser Magnetkern kann aus Ferrit, Eisenpulver oder Magnetstahl bestehen. Das Funktionsprinzip beruht auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion (Faradaysches Gesetz), das die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft durch einen elektrischen Leiter in einem veränderlichen Magnetfeld beschreibt.
Ein Hochfrequenztransformator ist wesentlich effizienter und kompakter als ein herkömmlicher Transformator, da sowohl der magnetische Fluss als auch die Anzahl der Windungen einer Wicklung umgekehrt proportional zur Frequenz sind. Bei höheren Frequenzen verringern sich der magnetische Kernquerschnitt und die Anzahl der Windungen einer Wicklung drastisch, was zu kleineren und effizienteren Bauteilen führt als bei herkömmlichen 50-Hz-Bauteilen.
Die ständige Erhöhung der Frequenzen zur Miniaturisierung der Bauelemente bringt jedoch Herausforderungen mit sich, da die Erhöhung der Frequenz zu einer Zunahme kritischer Probleme bei den induktiven Bauelementen führt, zum Beispiel Verlusten im Magnetkern, Verlusten im Kupfer und der Zunahme parasitärer Komponenten, die durch die Struktur der Wicklungen verursacht werden.
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Verluste im Magnetkern
Die wichtigsten Parameter des Kerns sind:
➔ Verluste, die hauptsächlich aufgrund der magnetischen Hysterese und der Wirbelströme verursacht werden
➔ Maximale Sättigungsinduktion
➔ Stabilität der Parameter in Abhängigkeit von der Temperatur
Bei den in Hochfrequenztransformatoren am häufigsten verwendeten Kernen handelt es sich in der Regel um Ferrite, die auf dem Markt in zahlreichen Formen und Größen und je nach Verwendungszweck in verschiedenen Materialien erhältlich sind.
Die Eigenschaften der Kerne bei Drosseln hingegen hängen von ihrer Verwendung ab. So werden für Gleichtaktdrosseln beispielsweise Ferrite mit hoher Permeabilität verwendet, während für Speicherspulen typischerweise Kerne mit verteilten Luftspalten und geringer Permeabilität zum Einsatz kommen, ganz zu schweigen von den unzähligen Materialien und Geometrien für Kerne mit verteilten Luftspalten.
Verluste in den Leitern
Bei den für die Wicklungen verwendeten Leitern handelt es sich um emaillierte, also isolierte, Kupferdrähte mit kreisförmigem Querschnitt (Bild 1), die bei hochfrequenten Strömen hohe Verluste erzeugen, die durch verschiedene Phänomene verursacht werden. Diese sind: Skin-Effekt, Näherungseffekt und Wirbelströme.
Alle drei Effekte hängen stark von der Betriebsfrequenz, der Art des Leiters und der Anzahl der Schichten einer Wicklung ab. Diese Phänomene werden durch das zwischen den Spulen der Wicklung erzeugte Magnetfeld verursacht, das umso stärker ist, je höher die Frequenz ist. Grundsätzlich betrachtet führt dieses Magnetfeld dazu, dass der Strom nur über einen Teil des Leiters fließt, ohne dessen Querschnitt auszunutzen, wodurch der Widerstandswert effektiv erhöht wird.
Eine Vergrößerung des Drahtdurchmessers, um den Widerstand zu verringern, ist nutzlos. Stattdessen müssen spezielle Leiter wie Litzendrähte verwendet werden (Bild 2). Dies sind Geflechte aus einzelnen lackierten Kapillardrähten, die parallel gehalten und nach vorher festgelegten Kriterien verdrillt werden, um die Phänomene aufzuheben oder zumindest zu verringern.
Die Art und Weise, wie die Drähte miteinander verflochten sind, zielt darauf ab, die Wirkung des Magnetfeldes aufzuheben. Für die Herstellung von Gleichtaktdrosseln und verteilte Luftspaltkerne ist es unerlässlich, in enger Zusammenarbeit mit den Herstellern dieser Spezialleiter die verschiedenen Typen zu erforschen und zu erproben.
Parasitäre Kapazität und Streuinduktivität
Die Anordnung der Wicklungen ist nicht zufällig, sondern spielt eine wichtige Rolle, um die parasitäre Kapazität zwischen den einzelnen Windungen und zwischen den verschiedenen Wickelebenen unter Kontrolle zu halten. Die stromführenden Wicklungen wirken wie eine Panzerung, und die dielektrischen Isolatoren erzeugen eine parasitäre Kapazität.
Das ist aber noch nicht alles. Die Struktur der Wicklungen spielt auch eine wichtige Rolle für einen anderen, oft unerwünschten Parameter, nämlich die Streuinduktivität. Diese wird durch den Streufluss verursacht – ein Fluss, der ebenso unerwünscht wie unvermeidlich ist. Die gute Nachricht ist jedoch, dass das Streufeld kontrollierbar ist. Es lässt sich reduzieren, was die Anordnung der Wicklungen optimiert und ihre Kopplung verbessert.
Es ist immer wichtig, diese Parameter unter Kontrolle zu halten – die in verschiedenen Anwendungen auch von der Schaltung ausgenutzt werden –, sodass die Wiederholbarkeit der Produktion gewährleistet ist, die in einigen Fällen nur durch einen hohen Automatisierungsgrad möglich ist.
Die Anordnung der Wicklungen unterliegt jedoch in vielen Fällen Zwängen, die sich aus der Einhaltung von Sicherheitsvorschriften ergeben, insbesondere bei Transformatoren, die eine galvanische Trennung zwischen dem Primärkreis der Netzspannung und dem Sekundärkreis der Schutzkleinspannung (<50 V) gewährleisten müssen. Die Vorschriften verlangen die Einhaltung der sogenannten Luft- und Kriechstrecken, die in den für die Gewährleistung der Sicherheit wichtigen Normen festgelegt sind.
Die Einhaltung dieser Abstände wirft kritische Fragen auf, da sie dazu zwingt, die Wicklungen in einem bestimmten Abstand voneinander zu halten oder bestimmte Leiter zu verwenden, die als dreifach isoliert zertifiziert sind. In beiden Fällen haben wir es mit einer starken Beeinflussung der parasitären Kapazitäten und der Streuinduktivität zu tun.
Es ist die Aufgabe des Wicklungsherstellers, den richtigen Kompromiss zwischen der Einhaltung der Normen und der Kontrolle der parasitären Parameter zu finden. Entscheidend ist die Tätigkeit des Forschungs- und Entwicklungsteams, die die am Markt vorhandene Trends und Lösungen verfolgt, mit neuen Wicklungslösungen experimentiert und durch eine automatisierte Massenproduktion eine maximale Wiederholbarkeit garantiert.
Der Autor
Ciriaco Petruzziello
ist Vertriebsleiter bei Powercoils.
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