Luftspulen

1. Übersicht

Bei den Luftspulen handelt es sich um Spulen, bei denen der Spulenkörper ganz fehlt oder aber aus nichtmagnetischem Material besteht. Da Luftspulen im Gegensatz zu den Kernspulen keinen weichmagnetischen Kern besitzen,haben sie nur relativ kleine Induktivitäten.
Eine Luftspule ohne Spulenkörper wird als freitragende Luftspule bezeichnet. Verfügt die Luftspule über einen Isolationskörper, so dient dieser lediglich zur mechanischen Stabilisierung des Drahtes. Luftspulen werden meist aus Kupferlackdraht oder Hochfrequenzlitze gefertigt. Zur Herstellung von freitragenden Luftspulen wird oft sogenannter Backlackdraht verwendet. Er verfügt über eine Außenschicht, deren Schmelzpunkt niedriger ist als der Schmelzpunkt der Isolation. Nach dem Wickeln der Luftspule werden die Windungen der Spule durch Erhitzen, meist durch erhöhten Stromfluss durch sie hindurch, miteinander "verbacken" (verklebt).

Die Induktivität und Güte der Luftspulen wird durch die Anordnung und Form der Windungen, den Drahtdurchmesser, das Wickelmaterial sowie die Geometrie der Spule festgelegt. Der Vorteil von Luftspulen liegt in ihrer Linearität, d. h. ihre Induktivität ist völlig unabhängig vom Strom. Nachteilig wirkt sich aus, dass zur Erreichung höherer Induktivitätswerte sehr viele Windungen benötigt werden, wodurch eine große Drahtlänge erforderlich ist. Außerdem kann der magnetische Fluss nicht gezielt geführt werden, wodurch der magnetische Streufluss hoch ist.

Dünne Luftspulen haben eine höhere Induktivität als ansonsten baugleiche dicke Spulen mit gleicher Windungsanzahl. Zusätzlich besitzen kurze, mehrlagige Spulen bei gleicher Windungszahl eine höhere Induktivität als einlagige, lange Spulen. Begründet werden kann das damit, dass sich bei einer langen Spule aus räumlichen Gründen die Feldlinien zwischen benachbarten Windungen eine Abkürzung nehmen können. Bei einer kurzen, mehrlagigen Spule befinden sich die einzelnen Windungen hingegen in unmittelbarer Nachbarschaft, so daß dieser Effekt minimiert wird.

Bei Hochfrequenzanwendungen müssen sehr oft Luftspulen mit einer bestimmten Induktivität hergestellt werden.

2. Bauformen von Luftspulen:

Luftspulen gibt es in verschiedensten Bauformen und Abmessungen, wobei die Form der Spule größtenteils durch die Anwendung vorgegeben wird:

Zylinderspulen:

Bei dieser häufigsten Form der Luftspule wird ein isolierter Draht schraubenförmig um einen zylindrischen Körper gewickelt. Im Verhältnis zum Zylindermantel ist die Drahtwicklung also dünn. Sie ist im Idealfall gekennzeichnet durch einen im Verhältnis zum Durchmesser sehr kleinen Abstand der Drahtwindungen voneinander und damit einer sehr hohen Anzahl von Windungen. Bei Verwendung von steifem Draht können kleinere Luftspulen auch freitragend, d. h. ohne Isolationskörper ausgeführt werden.

Flachspulen (Planarspulen):

Bei den Planarspulen handelt es sich um einlagige, spiralförmige Luftspulen.Hiermit lassen sich jedoch nur relativ kleine Induktivitäten herstellen. Planarspulen können als Feld- oder Empfangsspulen dienen und finden Einsatz in der RFID-Transpondertechnik. Häufig werden sie auch in Leiterplatten geätzt. Planarspulen gibt es in Rechteck- oder Spiralform. Der Nachteil von Flachspulen liegt darin, dass sie sehr stark mit ihrer Umgebung koppeln, d. h. benachbarte Bauteile beeinflussen und auch von diesen beeinflusst werden.

3. Anwendungen

Aufgrund ihrer kleinen Induktivitätswerte haben Luftspulen ihren Einsatzbereich größtenteils im Hochfrequenzbereich, z. B. als Drosselspule, in Schwingkreisen oder Filtern.

Sensortechnik - Näherungsschalter:

Induktive Sensoren dienen zur Erfassung von Bewegungszuständen an Maschinen, sie werden zur Auf-/Zu-Detektion an Greifern und Zangen sowie zur Teilekontrolle in Produktionsvorgängen benutzt. Mit Hilfe eines Schwingkreises (bestehend aus Spule und Kondensator) wird ein hochfrequentes, magnetisches Wechselfeld erzeugt. Gelangt ein elektrisch leitfähiges Material in das Feld, so entstehen Wirbelströme, die dem Schwingkreis Energie entziehen. Dadurch verkleinert sich die Amplitude des Schwingkreises – der Sensor wird "bedämpft". Wird das elektrisch leitende Material aus dem Wechselfeld entfernt, so vergrößert sich die Schwingungsamplitude wieder. Über die nachgeschaltete Elektronik wird dieAmplitudenänderung in ein eindeutiges elektrisches Signal umgesetzt, der Sensor schaltet. Mit diesem Funktionsprinzip können somit sämtliche Metalle erfasst werden.

Medizintechnik – Herzschrittmacher:

In einem Herzschrittmacher dienen implantierbare Luftspulen als Antennen und ermöglichen so dessen Kontrolle und Steuerung von außen. Die Spulen und Transformatoren im Inneren des Herzschrittmachers erzeugen elektrische Impulse, die das Herz stimulieren.
Programminformationen und auch Daten, die der Herzschrittmacher gesammelt hat, werden mit Hilfe von Radiowellen übertragen. Diese werden von einer Luftspule in einem Programmierkopf erzeugt, der auf die Haut des Patienten über dem Schrittmacher gesetzt wird. Die Spule im Herzschrittmacher dient als Empfänger. Somit lässt sich für jeden Patienten die optimale Herzfrequenz einstellen, damit eine ausreichende Sauerstoffversorgung der Organe sichergestellt ist.

Bei den neueren Herzschrittmachern können auch Informationen vom Herzschrittmacher wie z. B. der Ladezustand der Batterien oder EKG-Aufzeichnungen in umgekehrter Richtung vom Herzschrittmacher zum externen Steuercomputer mittels Radiowellen übertragen werden.

RFID-Transpondertechnik:

RFID-Transponder ("Radio Frequency Identification) werden zur kontaktlosen Identifikation und Lokalisierung von Waren, Teilen oder Lebewesen eingesetzt. Zu ihrer Herstellung werden hauptsächlich Luftspulen verwendet. RFID-Systeme bestehen aus einem Transponder, der sich am oder im Lebewesen befindet und einen Kennzeichnungs-Code enthält, sowie einem Lesegerät zum Auslesen der Codierung. Das Lesegerät erzeugt magnetische Wechselfelder geringer Reichweite oder hochfrequente Radiowellen, mit dem Daten übertragen werden sowie der Transponder mit Energie versorgt wird.

Frequenzweichen für Mehrweglautsprecher:

Luftspulen werden häufig als passive Frequenzweichen in Mehrweglautsprechern eingesetzt. Da es hierbei um sehr niedrige Frequenzen geht, werden Spulen mit linearem Verhalten benötigt, die zum Einen eine relativ hohe Induktivität besitzen und zum Anderen für hohe Ströme geeignet sind. Die Induktivitäten der verwendeten Luftspulen belaufen sich auf ca. 0,10 – 6,8 mH. Die Aufgabe von Frequenzweichen besteht darin, bestimmte Frequenzen, aus denen der wahrgenommene Klang besteht, herauszufiltern und an die entsprechenden Bauteile des Lautsprechers weiterzuleiten. So werden tiefe Frequenzen zum Basslautsprecher und hohe Frequenzen an den Hochtöner geleitet. Die Frequenzweichen in Lautsprechern arbeiten mit Kondensatoren und Luftspulen. Während Kondensatoren nur hohe Frequenzen weiterleiten (Hochpass), wirken Luftspulen dämpfend auf hohe Frequenzen, d. h. sie lassen nur tiefe Frequenzen passieren (Tiefpass). Die Filterung und Aufteilung der Frequenzen hängt dabei von der Kombination der Bauteile ab. Die passiven Frequenzweichen werden immer an die verschiedenen Lautsprechermodelle angepasst.