Was ist eine Toroidspule?
Eine Toroidspule ist eine Spule, die durch Wickeln eines Drahtes um einen kreisförmigen Magnetkern hergestellt wird.
Durch die Bildung eines geschlossenen magnetischen Kreises in Form eines Torusringes haben Toroidspulen andere Eigenschaften als normale Spulen. Bei Spulen mit kreisförmig gewickelten Drähten werden die induzierten Magnetfeldlinien durch die Spule nach außen abgestrahlt, was Auswirkungen auf die umgebenden Materialien haben kann.
Bei Toroidspulen sind die magnetischen Feldlinien geschlossen, wodurch die Auswirkungen auf die Umgebung minimiert werden.
Anwendungen von Toroidspulen
Toroidspulen werden in Anwendungen eingesetzt, die sich die Eigenschaften der geschlossenen Magnetkreisstruktur mit geringem Streufluss zunutze machen. Sie sind in der Elektronik weit verbreitet, z. B. als Drosselspulen in Stromversorgungsschaltungen, zur Beseitigung von Oberschwingungen in Hochfrequenzschaltungen und als Filter mit einer Drossel- und Kondensatoranordnung.
In Mobiltelefonen und drahtlosen LANs beispielsweise funktionieren normale Drosselspulen möglicherweise nicht richtig, da sie im Ultrahochfrequenzbereich durch die Umgebung des Schaltkreises beeinträchtigt werden. Die Verwendung von Toroidspulen kann eine Lösung bieten.
Toroidspulen werden auch als Spulen in großen Geräten wie Kernfusionsanlagen, supraleitenden Magneten oder Beschleunigern für geladene Teilchen verwendet. Sie werden auch in statorseitigen Spulen für Elektromotoren verwendet.
Funktionsweise der Toroidspulen
Eine mit elektrischem Draht gewickelte Spule erzeugt einen magnetischen Fluss im rechten Winkel zum Draht, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Eine Toroidspule besteht aus Kupferdraht, der um einen kreisförmigen Kern gewickelt ist, der die Form eines Doughnuts hat. Da der Kern kreisförmig ist, bleiben die magnetischen Flusslinien im Inneren und treten kaum nach außen aus. Wenn der Kupferdraht viele Male gewickelt wird, überlappen sich die Magnetflüsse und es entsteht ein starkes Magnetfeld.
Da es unwahrscheinlich ist, dass der erzeugte magnetische Fluss nach außen dringt, ist der Wirkungsgrad der Spule extrem hoch und der magnetische Fluss hat den Vorteil, dass er andere Elemente kaum beeinträchtigt. Die in Toroidspulen verwendeten Kerne werden aus Stahlblechen auf Eisenbasis hergestellt. Insbesondere werden FeSi-Siliziumstahlblechkerne, nanokristalline Legierungskerne, Legierungskerne auf FeSi-Basis und Fe(CO)5-Carbonylkerne verwendet. Sie haben einen geringen Streufluss und eine stabile Induktivität.
Merkmale von Toroidspulen
Toroidspulen können magnetische Feldlinien einschließen, die durch den Durchgang eines elektrischen Stroms durch eine um einen ringförmigen Magnetkörper gewickelte Spule erzeugt werden, was eine kompakte Bauweise und einen hohen Magnetismus ermöglicht und ein Austreten der magnetischen Feldlinien nach außen verhindert.
Die drei Grundbestandteile eines elektrischen Stromkreises sind der RLC, der Widerstand „R“, die Induktivität „L“ (das Gerät ist eine Induktivität) und der Leitwert „C“ (das Gerät ist ein Kondensator).
Eine Toroidspule ist eine Induktionsspule, die eine größere Induktivität als eine Luftspule aufweist und je höher die Frequenz des durch sie fließenden Stroms ist, desto größer ist die Wirkung, so dass sie zur Beseitigung von Oberwellen verwendet werden kann. Durch Hinzufügen einer weiteren Spule zum Magnetkörper der Toroidspule kann ein Hochfrequenztransformator geschaffen werden.
Durch die Kombination mit einem Kondensator C, der sich umgekehrt proportional zur Frequenz verhält – je höher die Frequenz, desto leichter kann der Strom durchfließen -, lassen sich außerdem verschiedene Filter bauen.
Weitere Informationen zu Toroidspulen
Wirkweise von Toroidspulen
1. Glättende Wirkung
Toroidspulen haben die Eigenschaft, dass, wenn ein Strom durch einen Kupferdraht fließt, die Spule versucht, den Strom am Fließen zu halten und wenn der Strom abnimmt, versucht sie, ihn weiter fließend zu halten. Dies ist als Lenz’sche Regel bekannt, die besagt, dass bei einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses durch einen geschlossenen Stromkreis eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt wird, so dass ein Magnetfeld in der Richtung entsteht, die eine Änderung des Flusses verhindert.
Aufgrund dieser Eigenschaft werden Toroidspulen zur Glättung in Stromkreisen, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln und für Hochfrequenzfilter verwendet.
2. Gegeninduktionswirkung
Unter gegenseitiger Induktion versteht man die Induktion von Energie von einer Spule in die andere, wenn zwei Spulen nahe beieinander angeordnet sind. Nach diesem Prinzip werden Toroidspulen in Leistungstransformatoren eingesetzt.
Leistungstransformatoren variieren ihre Ausgangsspannung entsprechend dem Verhältnis zwischen der Anzahl der Windungen der Primärspule und der Anzahl der Windungen der Sekundärspule; durch Zwischenanzapfungen an der Sekundärspule lassen sich mehrere Spannungen erzielen.
3. Elektromagnetische Wirkung
Die Elektromagnete in den Spulen werden von Relais zum Öffnen und Schließen von Stromkreisen verwendet. Sie werden auch in Generatoren, Elektromotoren, Glocken und Summern eingesetzt.