Ein elektronisches Gerät mit Spulen wird als Spulenplatine bezeichnet. Diese Spulen sind wichtige Komponenten in zahlreichen Anwendungen, darunter Transformatoren, Induktoren, Motoren, drahtlose Ladesysteme und HF-Schaltungen (Hochfrequenzschaltungen). In der modernen Elektronik können Spulen direkt in Leiterplatten integriert werden, indem Kupferbahnen auf Substraten wie FR4, Polyimid oder Keramik spiral- oder schraubenförmig angeordnet werden.
Aber was genau ist eine Spule?
Was ist eine Spule?
In der Elektronik ist eine Spule – auch Induktor genannt – ein passives Bauteil, das durch das Wickeln eines leitfähigen Drahtes (normalerweise Kupfer) in mehreren Schleifen oder Windungen hergestellt wird. Diese Spulenform ermöglicht es, Energie in Form eines Magnetfelds zu speichern, wenn elektrischer Strom durch sie fließt.
Es ist erwähnenswert, dass der Begriff „Spule“ manchmal allgemeiner verwendet wird. Beispielsweise wird eine mechanische Schraubenfeder auch als „Schraubenfeder“ bezeichnet, obwohl sie keine elektrische Funktion hat. In der Elektronik hingegen bezeichnet eine Spule speziell einen gewickelten Leiter, der Induktivität aufweisen soll.
Wenn Strom durch einen Leiter fließt, entsteht um ihn herum ein Magnetfeld in konzentrischen Kreisen. Die Richtung dieses Feldes folgt der Rechte-Hand-Regel: Wenn Sie Ihren Daumen in Richtung des Stromflusses richten, krümmen sich Ihre Finger in Richtung des Magnetfelds.
Diese magnetische Eigenschaft ist die Grundlage für die Funktionsweise von Induktoren (Spulen) in elektronischen Schaltkreisen.
Wie funktioniert eine Spule (Induktivität)?
Eine Spule oder Induktivität spielt in elektronischen Schaltkreisen zwei entscheidende Rollen:
Energiespeicherung: Es speichert elektrische Energie in Form eines Magnetfelds.
Widerstand gegen Stromänderungen: Es widersteht Stromänderungen, insbesondere in Wechselstromkreisen
Magnetischer Fluss und Induktivität
Wird Spannung an eine Spule angelegt, beginnt Strom zu fließen und erzeugt einen magnetischen Fluss – ein Maß für das gesamte Magnetfeld, das durch die Spule fließt. Dieser magnetische Fluss ähnelt dem eines Permanentmagneten und bleibt auch nach dem Abschalten der Stromversorgung noch kurze Zeit bestehen.
Mit anderen Worten: Die Spule magnetisiert sich vorübergehend selbst, wandelt elektrische Energie in magnetische Energie um und speichert sie intern. Die Fähigkeit einer Spule, diese Energie zu speichern, wird als Induktivität bezeichnet und in Henry (H), häufig in Millihenry (mH) oder Mikrohenry (µH) gemessen.
Für Gleichstrom (DC): Sobald sich der Strom stabilisiert, verhält sich die Spule wie ein einfacher Draht mit sehr geringem Widerstand.
Bei Wechselstrom (AC): Der ständig wechselnde Strom führt dazu, dass sich das Magnetfeld kontinuierlich ausdehnt und wieder zusammenfällt, wodurch eine Spannung induziert wird, die der Stromänderung entgegenwirkt – dies wird als Selbstinduktivität bezeichnet.
Dieser Widerstand nimmt mit der Frequenz zu, was bedeutet, dass Spulen hochfrequente Wechselströme effektiver blockieren als niederfrequente oder Gleichströme. Diese Eigenschaft macht sie ideal für den Einsatz in Filtern, zur Rauschunterdrückung und in Leistungsregelungsschaltungen.
In der Elektronik verwendete Spulentypen
Spulen können nach ihrer Konstruktion und Integrationsmethode klassifiziert werden. Die drei Haupttypen sind:
1. Gewickelte Spulen
Hergestellt durch Wickeln von isoliertem Kupferdraht um einen Ferritkern, eine Kunststoffspule oder einen Luftkern
Häufig in Leistungsinduktoren, Transformatoren und Anwendungen mit hoher Induktivität.
Bietet hohe Leistung, aber größere Größe.
2. Laminierte Spulen (gedruckt oder geschichtet)
Hergestellt durch Stapeln mehrerer Schichten gemusterter Leiterbahnen auf einer Leiterplatte oder einem Substrat.
Kompakt und für Hochfrequenzanwendungen geeignet.
Wird häufig in HF-Modulen und miniaturisierten Geräten verwendet.
3. Dünnschichtspulen
Hergestellt mit fortschrittlichen Verfahren wie Sputtern oder Aufdampfen, um ultradünne, präzise Spulenmuster zu erzeugen.
Extrem genau und stabil, ideal für ICs mit hoher Dichte und medizinische Geräte.
Teurer, bietet aber überlegene Leistung in kleinen Formfaktoren.
Rolle von Spulenleiterplatten in elektronischen Geräten
Spulenplatinen sind nicht nur Zusatzkomponenten, sondern wichtige Komponenten, die den effizienten und zuverlässigen Betrieb moderner Elektronik ermöglichen. Ob direkt in die Platine eingebettet oder als oberflächenmontierte Induktivitäten eingesetzt, erfüllen sie mehrere wichtige Funktionen:
Stabilisieren Sie die Spannung in DC-DC-Wandlern und Stromversorgungen.
Filtern Sie elektromagnetische Störungen (EMI) und hochfrequentes Rauschen heraus.
Aktivieren Sie die drahtlose Energieübertragung (z. B. in Qi-Ladegeräten).
Unterstützt HF-Kommunikation (z. B. NFC, Bluetooth und RFID-Antennen).
Speichern und Freigeben von Energie bei schnellen Lastwechseln
Von Smartphones und Laptops bis hin zu IoT-Geräten und Automobilsystemen sorgen Spulen-Leiterplatten für einen stabilen, effizienten und kompakten Schaltungsbetrieb.
Während die genaue Anzahl der Komponenten variiert, machen Induktoren typischerweise 5 bis 15 % aller oberflächenmontierten Komponenten auf einer typischen Leiterplatte aus – weit weniger als die manchmal behaupteten 30–40 % (wobei Kondensatoren wahrscheinlich eingeschlossen sind).
Spulenstruktur und Energiespeichermechanismus
Eine Spule besteht aus einem leitfähigen Draht, der in mehreren Windungen um einen magnetischen Kern (z. B. Ferrit) gewickelt ist, um die Induktivität zu erhöhen. Das Kernmaterial erhöht die magnetische Flussdichte, wodurch mehr Energie auf kleinerem Raum gespeichert werden kann.
Wenn Strom fließt:
Um die Spule herum baut sich ein Magnetfeld auf.
In diesem Magnetfeld ist Energie gespeichert.
Wird der Strom unterbrochen, induziert das zusammenbrechende Feld eine Spannung, die versucht, den Stromfluss aufrechtzuerhalten – deshalb können Induktivitäten in Schaltkreisen Spannungsspitzen verursachen.
Der Induktivitätswert hängt ab von:
Diese Fähigkeit, plötzlichen Stromänderungen standzuhalten, macht Spulen in Schaltnetzteilen, Filtern und Resonanzkreisen unverzichtbar.
Gängige Induktortypen auf Leiterplatten
1. Gedruckte Spiralspulen (auf Leiterplatte)
Hierbei handelt es sich um planare Spulen, die mithilfe von Kupferbahnen direkt auf die Leiterplatte geätzt werden. Häufige Verwendung in:
Mithilfe von Kupferspuren direkt auf die Leiterplatte geätzt.
Wird in NFC-Antennen, kabellosen Ladegeräten und HF-Filtern verwendet.
Kostengünstig und voll integrierbar, jedoch mit geringerer Induktivität.
2. SMD-Induktivitäten (Surface Mount Device)
Vorgefertigte Induktoren, die auf der Leiterplatte montiert sind. Zu den Typen gehören:
Drahtgewickelte SMD-Induktivitäten: Hohe Induktivität, wird in Stromversorgungen verwendet.
Mehrschichtige Keramikinduktoren: Kompakt, werden in Hochfrequenzschaltungen verwendet.
Dünnschichtinduktoren: Hohe Präzision, Verwendung in HF- und Kommunikationsmodulen.
3. Transformatoren auf der Leiterplatte
Bestehen aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Spulen.
Wird zur Spannungsumwandlung, Isolierung und Signalkopplung verwendet.
Häufig in Stromversorgungen und Ethernet-Schnittstellen.
Vorsichtsmaßnahmen beim Montieren von Spulen auf einer Leiterplatte
Wenn die Platine beim Löten der Spule auf die Leiterplatte oder nach dem Löten verbogen wird, kann es zu Rissen in der Spule kommen.
Daher ist es notwendig, die Spulen so zu platzieren, dass durch die Biegung der Leiterplatte möglichst keine Spannungen entstehen.
Die Anordnung einer Spule parallel zur Spannungsrichtung, wie oben gezeigt, führt zu einer direkten Biegung. Platzieren Sie die Spule daher senkrecht zur Richtung, in die die Spannung wirkt.
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Fazit
Spulenleiterplatten sind mehr als nur passive Komponenten – sie ermöglichen moderne Technologien. Von der Stromversorgung Ihres Smartphones über kontaktloses Bezahlen bis hin zum kabellosen Laden – integrierte Spulen sind das Herzstück der Innovation.
Da elektronische Geräte immer kleiner werden und eine höhere Effizienz erfordern, treiben Fortschritte bei eingebetteten Spulen, Dünnschichttechnologie und 3D-PCB-Wicklung die nächste Generation kompakter Hochleistungsschaltungen voran.
Unabhängig davon, ob Sie ein tragbares Gerät, einen IoT-Sensor oder ein Leistungsmodul entwickeln, kann die Wahl der richtigen Spulenintegrationsmethode einen erheblichen Unterschied hinsichtlich Leistung, Größe und Kosten ausmachen.
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