Warum gibt es zwei unterschiedliche Nennstromangaben bei Power-Induktivitäten?
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH
Bei Power-Induktivitäten stehen Entwickler und Ingenieure häufig vor der Frage: Warum gibt es zwei unterschiedliche Nennstromangaben? Diese Angaben, nämlich der Sättigungsstrom und der maximal zulässige Strom, spielen eine zentrale Rolle bei der Auswahl und Dimensionierung von Induktivitäten für elektronische Schaltungen. Der Sättigungsstrom beschreibt den Punkt, an dem die Induktivität aufgrund physikalischer Materialeigenschaften abnimmt. Der maximal zulässige Strom hingegen bezieht sich auf die Strombelastung, die eine Induktivität aushält, bevor sie sich über die maximal erlaubte Betriebstemperatur hinaus erwärmt. Im folgenden Beitrag schauen wir uns die physikalischen Hintergründe dieser beiden Werte an und ihre Bedeutung für die Praxis.
Sättigungsstrom: Was passiert, wenn die Induktivität sinkt?
Der Kern einer Induktivität besteht aus einem magnetischen Material, das Energie in Form eines Magnetfelds speichert. Der Fluss Φ des Magnetfeldes wird über das Magnetfeld des Leiters erzeugt und im Kern gebündelt. Bei steigender Stromstärke wird dieses Magnetfeld stärker, bis die Magnetisierung des Materials ihr Maximum erreicht. Für den Wert der Induktivität gilt:
L =Φ/I (in Henry)
Ist die Sättigung erreicht bleibt der magnetische Fluss konstant. Mit einem höheren Strom I sinkt somit die Induktivität. Die Wahl des Kernmaterials spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Materialien mit hoher Sättigungsflussdichte, wie Ferrite oder Pulverkerne, erlauben in der Regel höhere Sättigungsströme und bieten somit mehr Spielraum in der Dimensionierung.
Wenn die Induktivität sinkt, kann das System ernsthaft beeinträchtigt werden. Zum Beispiel können in Schaltnetzteilen die Stromwellenformen verzerrt werden und es können Spannungsspitzen entstehen, was zu ineffizientem Betrieb oder sogar zu Schäden führt. Um dies zu vermeiden, wird der Sättigungsstrom in Datenblättern häufig als Grenzwert angegeben, den Entwickler nicht überschreiten sollten.
Definition des maximalen Betriebsstroms
Der maximal zulässige Strom einer Induktivität beschreibt die Stromstärke, die das Bauteil aushalten kann, ohne seine maximale Betriebstemperatur zu überschreiten. Dieser Wert berücksichtigt die Eigenerwärmung der Induktivität durch die im Betrieb entstehenden Verluste. Wird der Strom überschritten, können thermische Schäden auftreten, die die Lebensdauer des Bauteils oder sogar die Funktion des gesamten Systems beeinträchtigen. Die Betriebstemperaturgrenzen hängen von der Materialwahl ab. Während Kupferwicklungen und magnetische Kerne thermisch robust sind, kann die Isolierung empfindlicher auf hohe Temperaturen reagieren.
Die Erwärmung der Induktivität wird durch zwei Hauptverluste verursacht: Kupferverluste (Leiterverluste): Diese entstehen durch den elektrischen Widerstand der Wicklungen, der mit dem Quadrat des Stroms zunimmt. Je höher der Strom, desto größer ist die Wärmeentwicklung in der Spule. Kernverluste: Diese Verluste treten im magnetischen Material des Kerns auf, vor allem durch Wirbelströme und magnetische Hysterese. Sie hängen von der Frequenz und der Flussdichte im Kern ab. Beide Mechanismen zusammen führen zu einer Eigenerwärmung, die den Betrieb der Induktivität begrenzt.
Wird die maximale Betriebstemperatur überschritten kann das zu dauerhaften Schäden im gesamten System führen. Mit einer zu starken Erwärmung des Leiters erhöht sich dessen Widerstand, was sich wiederum in erhöhte Leistungsverluste niederschlägt. Um dies zu verhindern, sollten Entwickler stets die Kühlung und die thermischen Bedingungen des Systems berücksichtigen.
Warum gibt es zwei Nennstromangaben?
Unterschiedliche Anforderungen je nach Anwendung
Die zwei Nennstromangaben – Sättigungsstrom und maximal zulässiger Strom – erfüllen unterschiedliche Anforderungen in der Praxis:
Sättigungsstrom: Relevanter Parameter, wenn die magnetischen Eigenschaften des Kerns entscheidend für die Funktion des Systems sind, etwa in hochdynamischen Anwendungen wie Schaltnetzteilen. Wird dieser Wert überschritten, nimmt die Induktivität ab, was zu Fehlfunktionen führen kann.
Maximal zulässiger Strom: Wird in Anwendungen priorisiert, bei denen die thermische Belastung des Bauteils im Vordergrund steht, etwa bei Dauerlasten. Überschreitungen führen zu Überhitzung und Materialschäden. Beide Werte sind essenziell, da sie sicherstellen, dass die Induktivität sowohl magnetisch als auch thermisch stabil arbeitet. Entwickler müssen je nach Einsatzgebiet entscheiden, welcher Wert für ihre Anwendung ausschlaggebend ist.
Messmethoden für Sättigungsstrom und maximalen Strom: Die zwei Nennstromangaben werden in der Regel durch standardisierte Tests bestimmt:
Sättigungsstrom: Dieser wird durch Messung der Induktivität in Abhängigkeit vom Strom ermittelt. Der Sättigungsstrom ist erreicht, wenn die Induktivität auf einen definierten Prozentsatz des Anfangswerts (meist 70–90 %) absinkt.
Maximal zulässiger Strom: Hier wird die Temperaturerhöhung bei steigendem Stromfluss gemessen. Der maximale Strom entspricht dem Wert, bei dem die Induktivität ihre spezifizierte Höchsttemperatur erreicht, z. B. 125 °C. Datenblätter geben häufig diese beiden Werte getrennt an, so dass Entwickler sie je nach Anforderung berücksichtigen können.
Beispielhafte Anwendung in der Praxis: Ein typisches Beispiel für die Bedeutung der zwei Nennstromangaben ist ein Schaltnetzteil. Bei hoher Schaltfrequenz ist der Sättigungsstrom wichtig, um sicherzustellen, dass die Induktivität stabil bleibt und der Schaltregler zuverlässig arbeitet. Bei Anwendungen mit dauerhafter hoher Strombelastung, z. B. in Motorsteuerungen, ist die maximale Betriebstemperatur entscheidend, um eine Überhitzung zu vermeiden. Die richtige Auswahl einer Induktivität erfordert also ein Verständnis der spezifischen Anforderungen der Schaltung.
Beispiel (Quelle: NIC Components) für die Nennstromangabe bei max. +40°C Temperaturanstieg (DC Current Irms) und bei Sättigung mit Minderung der Induktivät um 20% (DC Current Isat).
Was sollte man bei der Auswahl der Induktivität beachten?
Zuerst ist zu prüfen, ob der Sättigungsstrom oder die thermische Belastung die größere Rolle spielt. Dynamische Anwendungen erfordern oft einen Fokus auf den Sättigungsstrom, während bei Dauerbelastungen die maximale Betriebstemperatur entscheidend ist.
Sicherheitsmargen einplanen: Idealerweise wählt man eine Induktivität, deren Nennströme ca. 20–30 % über den maximalen Betriebsanforderungen liegen, um Schwankungen und Toleranzen auszugleichen. Betriebsbedingungen berücksichtigen: Auf die Umgebungstemperatur, Luftzirkulation und Kühlmöglichkeiten achten. Diese Faktoren beeinflussen die Erwärmung des Bauteils.
In manchen Fällen bieten die Datenblätter nicht alle gewünschten Informationen. Hier ist es hilfreich beim Hersteller bzw. Lieferanten nachzufragen. Oft können zusätzliche Testdaten oder spezialisierte Diagramme bereitgestellt werden. Muster werden in der Regel gerne bereitgestellt. So können eigene Messungen durchgeführt werden, um die Eignung für die spezifische Anwendung sicherzustellen.
Zusammenarbeit mit Herstellern und Lieferanten: Eine enge Zusammenarbeit mit Herstellern kann Entwicklungszeit sparen und bessere Ergebnisse liefern. Wichtig: Den technischen Support nutzen. Hersteller verfügen über fundiertes Wissen zu ihren Produkten und können wertvolle Tipps zur Integration in die Schaltung geben.
Applikationsoptimierte Lösungen anfragen: Falls Standardbauteile nicht ausreichen, bieten viele Hersteller maßgeschneiderte Lösungen an, die genau auf die Anforderungen zugeschnitten sind.
Nach Alternativen fragen: Manchmal können ähnliche Produkte mit leicht abweichenden Spezifikationen besser geeignet sein. Diese Ansätze helfen dabei, die richtige Induktivität auszuwählen und langfristig ein zuverlässiges System zu gewährleisten.
Wenn Sie Unterstützung bei der Auswahl oder Optimierung von Induktivitäten benötigen, stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.
