Drossel in der Elektronik: Aufbau, Funktion und Einsatzgebiete einfach erklärt

Drossel in der Elektronik ist ein induktives Bauelement, das plötzlichen Änderungen des elektrischen Stroms entgegenwirkt. Drosseln werden eingesetzt, um Stromwelligkeiten zu glätten, elektromagnetische Störungen zu unterdrücken und die Stabilität elektronischer Schaltungen zu verbessern.

Äußerlich ähnelt eine Drossel einer gewöhnlichen Induktivitätsspule, da beide auf dem Prinzip des Magnetfelds arbeiten. Allerdings unterscheiden sie sich in ihrer Funktion und im Aufbau. Im Folgenden erfahren Sie, wie eine Drossel aufgebaut ist, wofür sie gebraucht wird und in welchen Bereichen sie Anwendung findet.

Was ist eine Drossel und wofür wird sie benötigt?

Eine Drossel ist eine spezielle Form der Induktivitätsspule, die dazu dient, Änderungen des Stroms in einem Stromkreis zu steuern. Ihr wesentliches Merkmal ist die Fähigkeit, Energie im Magnetfeld zu speichern und plötzliche Stromschwankungen zu verhindern.

Im Gegensatz zu einem Widerstand, der den Stromfluss durch elektrischen Widerstand begrenzt und dabei Energie in Wärme umwandelt, nutzt eine Drossel das Prinzip der Selbstinduktion. Dadurch kann sie Stromschwankungen mit vergleichsweise geringen Energieverlusten glätten.

Hauptfunktionen einer Drossel:

• Glättung von Welligkeiten: Drosseln reduzieren Stromschwankungen nach der Gleichrichtung von Wechselspannung.
• Störungsunterdrückung: Sie dämpfen hochfrequente Signalanteile, die den Betrieb der Elektronik stören können.
• Energiespeicherung: Drosseln speichern temporär Energie im Magnetfeld, beispielsweise in Schaltnetzteilen.
• Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit: Sie verhindern plötzliche Stromspitzen beim Umschalten elektronischer Komponenten.

In Gleichstromkreisen verursacht eine ideale Drossel nach dem Einschwingen praktisch keinen Spannungsabfall. Ein realer Drossel hat einen Wicklungswiderstand, der zu Erwärmung und Energieverlusten führt.

Bei Wechselstrom tritt ein induktiver Widerstand auf, der mit steigender Frequenz zunimmt. Daher kann eine Drossel den Gleichstromanteil durchlassen und gleichzeitig hochfrequente Störungen unterdrücken.

Aufbau und Funktionsweise einer Drossel

Die Funktionsweise einer Drossel basiert auf elektromagnetischer Induktion. Fließt Strom durch die Wicklung, entsteht ein Magnetfeld um den Leiter. Änderungen des Stroms verändern den magnetischen Fluss und rufen eine Selbstinduktionsspannung hervor, die der Stromänderung entgegenwirkt.

Wie ist eine Drossel aufgebaut?

Der Aufbau einer Drossel ist relativ einfach und umfasst mehrere Hauptelemente:

• Wicklung: Ein meist aus Kupfer bestehender Draht, der zu Windungen aufgewickelt ist.
• Kern: Besteht aus Ferrit, Trafoblechen oder pulverförmigem Magnetmaterial und ermöglicht hohe Induktivität bei kompakter Bauweise. Es gibt auch luftkernige Drosseln ohne Magnetkern.
• Isolation: Verhindert Kurzschlüsse zwischen den Windungen und anderen Bauteilen.
• Gehäuse oder Halterung: Dient dem mechanischen Schutz und der Befestigung auf der Leiterplatte.

Die wichtigste Kenngröße einer Drossel ist die Induktivität, gemessen in Henry (H). Je höher die Induktivität, desto stärker bremst das Bauteil Stromänderungen aus.

Bei der Auswahl sind ebenso der zulässige Strom, der Wicklungswiderstand und der Sättigungsstrom des Kerns zu berücksichtigen. Wird der Strom zu hoch, kann der Magnetkern in Sättigung geraten, was die Induktivität deutlich verringert.

Wie funktioniert eine Drossel?

Das Prinzip lässt sich am Beispiel eines Gleichstromkreises erklären:

Beim Einschalten des Stroms steigt der Strom durch die Drossel allmählich an. Das entstehende Magnetfeld erzeugt eine Selbstinduktionsspannung, die den schnellen Anstieg des Stroms bremst.

Sinkt der Strom, gibt das Magnetfeld die gespeicherte Energie zurück in den Stromkreis und hält den Stromfluss aufrecht.

Diese Abhängigkeit wird durch folgende Formel beschrieben:

U_L = L · dI/dt

• U_L - Spannung an der idealen Drossel
• L - Induktivität
• dI/dt - Änderungsrate des Stroms

Bei Wechselstrom erzeugt die Drossel einen frequenzabhängigen induktiven Widerstand:

X_L = 2πfL

Je höher die Frequenz, desto größer der induktive Widerstand. Dieses Verhalten macht Drosseln ideal zur Störungsunterdrückung und Signalfilterung.

Mehr zu den physikalischen Grundlagen finden Sie im Beitrag "Induktivität und Selbstinduktion: Einfach erklärt".

Welche Drosselarten gibt es?

Drosseln unterscheiden sich in Bauform, Verwendungszweck und Einsatzbedingungen. Die wichtigsten Typen werden zur Stromglättung, Energiespeicherung und Unterdrückung elektrischer Störungen genutzt.

• Gleichstromdrosseln werden in Stromversorgungen eingesetzt, um Welligkeiten zu reduzieren und rasche Stromänderungen zu begrenzen - z. B. in Gleichrichtern, Spannungswandlern und Netzteilen. Sie müssen den Gleichstromanteil ohne Kernsättigung verkraften.
• Wechselstromdrosseln erzeugen einen frequenzabhängigen Widerstand und werden in Filtern oder Leistungselektronik genutzt, wo der Wechselstromanteil begrenzt werden soll. Konstruktion und Material müssen Kernverluste und Wicklungserwärmung berücksichtigen.
• Störschutzdrosseln sind für die Dämpfung unerwünschter hochfrequenter Signale konzipiert. Sie finden sich in Netzfiltern, Netzteilen und elektronischen Geräten. Zu dieser Gruppe gehören auch Gleichtaktdrosseln mit mehreren Wicklungen, die Störungen auf beiden Leitungen gleichzeitig unterdrücken.

Neben dem Verwendungszweck unterscheiden sich Drosseln auch durch den Kern-Typ. Ferritkerne werden oft für Hochfrequenzfilter eingesetzt, pulverförmige Magnetkerne in der Leistungselektronik und Luftkerne dort, wo Magnetfeldsättigung vermieden werden soll.

Unterschied zwischen Drossel und Induktivitätsspule

Drossel und Induktivitätsspule arbeiten beide nach dem Prinzip der Selbstinduktion. Genauer gesagt ist die Drossel eine spezielle Form der Induktivität, sodass kein grundsätzlicher physikalischer Unterschied besteht. Die Unterschiede liegen vor allem im Einsatzzweck und in den geforderten Eigenschaften.

Die Induktivitätsspule ist ein allgemeines Bauelement, das Energie im Magnetfeld speichert und beispielsweise in Schwingkreisen, Filtern oder Hochfrequenzschaltungen eingesetzt wird.

Als Drossel bezeichnet man meist eine Spule, die speziell zur Begrenzung von Stromänderungen, Glättung von Welligkeiten oder Störungsunterdrückung dient.

Diese Unterschiede sind jedoch nicht strikt. Beispielsweise kann eine Spule in einem Schaltnetzteil gleichzeitig als Drossel fungieren.

Der Name des Bauteils allein bestimmt nicht seine Eigenschaften. Für die Auswahl sind Induktivität, zulässiger Strom, Arbeitsfrequenz und Energieverluste entscheidend.

Einsatzgebiete von Drosseln in der Elektronik

Drosseln sind in nahezu allen Geräten zu finden, wo Strom geglättet, Störungen unterdrückt oder Energie gespeichert werden muss. Besonders wichtig sind sie in Stromversorgungssystemen.

• Schaltnetzteile: Drosseln speichern Energie beim Umschalten von Leistungstransistoren und geben sie an die Last weiter. In Kombination mit Kondensatoren helfen sie, Ausgangswelligkeiten zu reduzieren. Ohne die richtige Drossel arbeitet ein Schaltnetzteil instabil.
• Mainboards und Grafikkarten: In den Stromkreisen von Prozessoren und Grafikchips sind Drosseln Teil der VRM-Spannungswandler. Sie glätten den Strom nach dem Schalten der Transistoren und sorgen für stabile Versorgung bei Lastwechseln.
• Netzfilter: Störschutzdrosseln verhindern die Ausbreitung hochfrequenter Störungen über Stromleitungen. Das verringert gegenseitige Beeinflussung elektronischer Geräte und hilft, EMV-Richtlinien einzuhalten.
• Industrieelektronik: Drosseln kommen in Frequenzumrichtern, Antrieben und Motorsteuerungen zum Einsatz. Sie begrenzen Stromwelligkeiten, reduzieren Störungen und schützen Anlagen vor unerwünschten elektrischen Einflüssen.

Die Wirkung von Drosseln zeigt sich besonders deutlich in Schaltnetzteilen, wo Energie vielfach pro Sekunde gespeichert und übertragen wird. Ausführliche Informationen zu diesen Schaltungen finden Sie im Beitrag "SMPS: Was ist ein Schaltnetzteil und wie funktioniert es?".

Fazit

Eine Drossel ist eine Induktivitätsspule, die vor allem zur Stromglättung, Energiespeicherung und Unterdrückung elektrischer Störungen eingesetzt wird. Ihre Funktion beruht auf Selbstinduktion: Das Magnetfeld verhindert schnelle Stromänderungen und ermöglicht die temporäre Speicherung von Energie.

Der Hauptunterschied zwischen Drossel und normaler Spule liegt weniger im Aufbau als im Verwendungszweck. Für die Auswahl sind Induktivität, zulässiger Strom, Kernsättigung und Arbeitsfrequenz entscheidend. Diese Parameter bestimmen, wie effizient eine Drossel in einer bestimmten Schaltung arbeitet.