Drossel (Elektrotechnik)

Drosseln sind induktive Bauteile in der Elektrotechnik und Elektronik. Die Begriffe "Drossel" und "Spule" sind nicht klar getrennt. Meist nennt man Induktivitäten in der Leistungselektronik Drosseln. In der Nachrichtentechnik eingesetzte Bauteile, z.B. in Schwingkreisen, werden als Spule bezeichnet.

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Formen und Anwendungen

  Drosseln werden unter anderem zur Unterdrückung von Störimpulsen und höheren Wechselstromanteilen in Gleichstrom und Netzspannungsversorgungen eingesetzt. Solche Filterdrosseln werden auch zur Trennung von Wechselströmen verschiedener Frequenz eingesetzt. Sie sind hierzu kombiniert mit Kondensatoren z. B. in Netzfiltern und Lautsprecherweichen untergebracht (siehe auch Frequenzweiche, Tiefpass, Hochpass).

Bei Gasentladungslampen müssen Drosseln (Vorschaltdrosseln, siehe Vorschaltgerät) vorgeschaltet werden, um zum einen durch ihren Blindwiderstand verlustarm den Strom zu begrenzen und zu stabilisieren und zum anderen bei Leuchtstofflampen mit Hilfe eines zusätzlichen Starters die notwendige hohe Zündspannung zu erzeugen. Vorschaltdrosseln konventioneller Vorschaltgeräte (KVG) haben einen geblechten Eisenkern mit einem Luftspalt. Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) verwenden eine Ferritkerndrossel. In großen Gleichrichtern werden Kommutierungsdrosseln eingesetzt, um den Stromflusswinkel zu vergrößern und Netz-Oberwellen zu verringern.

In Schaltnetzteilen werden zur Speicherung magnetischer Energie Speicherdrosseln benötigt. Bei diesen Drosseln ist der magnetische Kreis des Ferritkernes häufig durch einen Luftspalt unterbrochen. Die in der Drossel gespeicherte Energie steckt dann fast vollständig in diesem Luftspalt. Der Kern dient nur zur Führung des Magnetfeldes. Der Luftspalt dient der Verringerung der magnetischen Flussdichte. Das vermeidet die Sättigung des Kernmaterials und gewährleistet einen lineareren Induktivitätsverlauf auch bei hoher Magnetisierung. Der Kern von Speicherdrosseln besteht häufig auch aus Sintermetall (Pulverkern) oder nanokristallinem bzw. amorphem gewickelten Metallband (Ringbandkern). Als Pulver werden meist Eisen oder Eisenlegierungen (z. B. Sendust, High Flux, MPP) verwendet. Merkmale dieser Pulverkerne sind das gegenüber massiven Kernen höhere Energiespeichervermögen sowie der zum Magnetfeld linearere Induktivitätsverlauf ohne scharfe Sättigung. Man spricht auch von einem verteilten Luftspalt. Pulverkerndrosseln werden als kompakte Speicherdrosseln in Schaltnetzteilen, Schaltreglern und PFC-Stufen (PFC: Power Factor Compensation, Leistungsfaktorkorrektur) sowie als Entstördrosseln bei Gegentaktstörungen (z. B. in Dimmern) verwendet.   Die stromkompensierte Drossel (CMC, engl. common mode choke) hat mehrere gleiche Wicklungen, die gegensinnig vom Arbeitsstrom durchflossen werden, so dass sich dessen magnetische Felder im Kern der Drossel aufheben. CMCs werden häufig zur Dämpfung von Störemissionen eingesetzt. Solche Störströme treten meist gleichsinnig in Hin und Rückleitung auf (common mode, deutsch: Gleichtakt). Für diese Gleichtakt-Störungen bildet die stromkompensierte Drossel eine sehr hohe Induktivität, da sich diese Störströme in ihr nicht kompensieren. Stromkompensierte Drosseln sind oft an Ein- und Ausgängen von Schaltnetzteilen sowie in Netzfiltern zu finden. Eine besonders einfache Form stromkompensierter Drosseln sind auf Kabel aufgeschobene Ringkerne; sie wirken jedoch erst bei sehr hohen Frequenzen (UKW-Bereich) störunterdrückend.

Drosseln zur Funkentstörung (Entstördrosseln) sollen in einem möglichst breiten Frequenzspektrum eine hohe Impedanz aufweisen. Sie müssen hierzu eine hohe Induktivität und eine geringe parasitäre Eigenkapazität haben. Diese Forderungen sind häufig nicht mit einer einzigen Bauform zu erreichen, sondern nur durch die Kombination mehrerer Drosseln mit unterschiedlichen Eigenschaften.

Eine sogenannte Luftdrossel hat keinen Kern bzw. ist frei von ferromagnetischen Materialien. Luftdrosseln haben den Vorteil, dass keine Sättigungserscheinungen auftreten können, die zur Verzerrung des Stromes führen können. Auch treten keine Wirbelstromverluste und Hystereseverluste auf. Allerdings benötigen Luftdrosseln mehr Windungen als Eisen- bzw Ferritkerndrosseln, was zu einem erhöhten ohmschen Widerstand der Spulenwicklung führen kann. Luftdrosseln bzw. Luftspulen verwendet man in Frequenzweichen von Lautsprecherboxen und für sehr hohe Frequenzen, bei denen Ferrite versagen.

Anmerkung: In der Klimatechnik ist die Luftdrossel eine Vorrichtung zur Regulierung der Luftein- oder austrittsmenge. Über bewegliche Elemente der Luftdrossel wird die Größe von Ein- oder Austrittsöffnungen verändert.

  Die meisten Drosseln besitzen jedoch einen ferromagnetischen Kern. Diese Drosseln benötigen wesentlich weniger Windungen für die gleiche Induktivität als Luftdrosseln, allerdings kann der Kern bei starken Strömen in die Sättigung geraten, was zur Verzerrung des Stromverlaufes und zur starken Verringerung der Induktivität führt. Ein weiteres Problem ist das Auftreten von Wirbelströmen im Spulenkern, wenn Wechselspannungen an der Drossel anliegen. Um Wirbelströme zu unterdrücken, müssen leitfähige Kernmaterialien voneinander isoliert werden - der Kern besteht dann zum Beispiel wie bei Transformatoren aus mehreren längs zum magnetischen Feld liegenden voneinander isolierten Blechen oder aus einem ferromagnetischen Pulver (Pulverkern).

Zur Vermeidung der Kernsättigung werden massive Eisen- oder Ferritkerne von Drosseln häufig mit einem Luftspalt versehen. Der Luftspalt ist eine spaltförmige Unterbrechung des Magnetkerns und wird oft zur mechanischen Stabilisierung mit nichtmagnetischem Material wie Papier, Plastik oder Harz ausgefüllt. Eisendrosseln werden als Vorschaltdrossel von Gasentladungslampen oder in Netzfiltern eingesetzt.

Ringkerndrosseln werden aus Ferrit- oder als Pulver-Ringkernen hergestellt. Ringkerne können auch aus kristallinen oder amorphen Metallbändern bestehen. Ringkerne bilden einen geschlossenen magnetischen Kreis und weisen daher nur geringe magnetische Streufelder auf. Das trägt zur besseren elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bei.

Stabkerndrosseln haben dagegen einen offenen magnetischen Kreis. Sie vertragen jedoch höhere Magnetisierungsfeldstärken und haben – wenn sie einlagig gewickelt sind – eine geringe Eigenkapazität, was sie auch für sehr hohe Frequenzen geeignet macht (UKW-Drosseln). Stabkerne bestehen bei HF-Anwendungen aus Ferrit und für Netzspannungsanwendungen aus Elektroblech.

Da Ferritmaterialien ferromagnetisch, aber nicht elektrisch leitend sind, zeigen Ferritkerndrosseln keine Wirbelstromverluste und können – je nach Werkstoff – auch für sehr hohe Frequenzen eingesetzt werden. Ferritkerndrosseln zeigen bei hohen Strömen jedoch eher Sättigungserscheinungen im Kern als andere Werkstoffe, da Ferrit eine geringer Sättigungsinduktion hat. Man vermeidet die Sättigung, indem man die Kerne mit einem Luftspalt versieht oder einen offenen Magnetkreis gestaltet (Stabkern, Bobbinkern).

Sättigungsdrosseln und Transduktordrosseln nutzen den Effekt der Sättigung des Kernmaterials aus:
Sättigungsdrosseln begrenzen die Stromanstiegsgeschwindigkeit in Thyristor-Schaltungen zu Beginn des Stromflusses und verlieren später durch Eintreten der Sättigung ihre Induktivität fast vollständig.
Transduktordrosseln gestatten die Steuerung deren Induktivität bzw. des Blindwiderstandes mittels einer Gleichstrom-Vormagnetisierung. Die Vormagnetisierung verschiebt den Sättigungseinsatz, dadurch können Wechselspannungen und -ströme mittels Gleichstrom gesteuert werden.

PFC-Drosseln arbeiten in Reihe zur speisenden Netzspannung in Schaltnetzteilen. Sie arbeiten entweder bei Netzfrequenz als "passive PFC" auf Trafoblechkern oder als Speicherdrossel in einer speziellen "aktiven" PFC-Schaltung bei ca. 10...100 kHz. Sie verringern die Oberwellenbelastung des speisenden Netzes.