Toroidspule

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Eine Toroidspule, auch Kreisringspule, Ringspule oder Ringkernspule genannt, ist in der Elektrotechnik eine speziell geformte Spule, die aus einem Kern in Form eines Kreisringes besteht (sogenannter Ringkern), um den herum der elektrische Leiter gewickelt wird. Die Besonderheit dieser Bauform liegt darin, dass sich der magnetische Fluss fast ausschließlich im kreisförmigen Kern ausbreitet und das meist störende Streufeld im Außenraum der Kreisringspule vergleichsweise schwach ist.

Ausführungsformen und Anwendungen

Toroidspule mit zwei Wicklungen.

Kreisringspulen werden vor allem in passiven elektrischen Filtern zur Unterdrückung unerwünschter hochfrequenter Störungen eingesetzt. Die Ausführung kann dabei als klassische Spule mit nur einem Leiter erfolgen; aber auch zwei oder mehr Leiter auf dem Spulenkörper sind möglich. Um eine magnetische Sättigung des Kerns zu vermeiden, sind entweder entsprechende Werkstoffe als Kernmaterial notwendig oder es wird in den Kreisring künstlich ein Luftspalt eingebaut.

Wird eine Drossel mit mehreren Wicklungen so betrieben, dass die Summe aller Ströme Null ist, heben sich die einzelnen Magnetfelder auf, man spricht dann von einer stromkompensierten Drossel. Da die Ringkerndrosseln ohne Luftspalt (Pulverkern-Drosseln zählen nicht dazu!) im normalen Betrieb schon bei kleinen Strömen in Sättigung gehen, kann man mit einer strom-kompensierten Verschaltung trotzdem hohe Induktivitäten zur EMV-Filterung nutzen (Gegen Gleichtaktstörungen). Im Nutzsignal bzw. Schaltungsstromkreis ist nur die Streuinduktivität der Drossel sichtbar, die aber nur einen Bruchteil der Nenninduktivität beträgt.[1]

Toroidspulen mit zwei oder mehr Wicklungen werden als wesentliches Bauelement auch in Fehlerstromschutzschaltern zur Erkennung eines Fehlerstromes eingesetzt.

Ein besonderer Einsatzbereich ist die Verwendung als Transformator. Dabei wird die Spannung von einer Wicklung, der Primärseite, auf die zweite Wicklung, die Sekundärseite, übertragen. In dieser Anwendung darf der Kern keinen Luftspalt aufweisen, und das Bauteil wird dann als Ringkerntransformator bezeichnet.

Berechnung der Induktivität

Die Induktivität L einer Toroidspule mit einer Wicklung mit N Windungen und einem rechteckförmigen Kern der Breite b, dem Innenradius r und dem Außenradius R lässt sich näherungsweise bei dünnem Draht mit der Formel

$ L = N^2 \cdot \frac{\mu_0\mu_r b}{2 \pi} \cdot \ln \frac{R}{r} $

berechnen. Dabei ist μ0 die magnetische Feldkonstante und μr die Permeabilitätszahl des Kernmaterials. Statt der Radien können auch die entsprechenden Durchmesser eingesetzt werden.

Wenn der relative Unterschied zwischen äußerem und innerem Radius des Ringes gering ist, der mittlere Radius mit $ r_\mathrm{m} = (R+r)/2 $ und die Querschnittsfläche des Ringes mit A bezeichnet wird, so kann man die Induktivität der Ringspule näherungsweise zu

$ L = N^2 \cdot \frac{\mu_0\mu_r A}{2 \pi\, r_\mathrm{m}} $

berechnen.[2][3][4]

Siehe auch

Quellen

  1. EPCOS AG, "Power line chokes: Current-compensated ring core chokes", Data Book "Inductors" 2008 (englisch)
  2. Karl Küpfmüller: Einführung in die theoretische Elektrotechnik. 13. Auflage, 1990, Springer-Verlag.
  3. N. Fliege, Universität Mannheim: Vorlesung Elektrotechnik I, Kapitel 2: Elektrische Bauelemente und Netzwerke (PDF, 1,5 MB).
  4. P. Weiß, Universität Kaiserslautern: Skript zur Vorlesung Grundlagen der Elektrotechnik (PDF, 4,9 MB).

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