Speicherdrossel und Leistungsinduktivität

Jeder USB-Ladeadapter, jedes Mainboard und fast jedes Mikrocontroller-Board mit Akku hat einen Schaltregler – und neben dessen IC sitzt ein dunkler Würfel, der größer ist als alles andere auf der Platine. Das ist die Speicherdrossel, auch Leistungsinduktivität oder englisch Power Inductor genannt. Sie ist eine Spule, die für einen Zweck optimiert ist: in jedem Schalttakt Energie im Magnetfeld aufzunehmen und wieder abzugeben, und das bei großem Gleichstrom, hoher Frequenz und möglichst kleinen Verlusten.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Schaltregler wandelt Spannung nicht, indem er die Differenz verheizt wie ein Linearregler, sondern indem er sehr schnell ein- und ausschaltet. Die Drossel ist der Zwischenspeicher, der aus diesen Rechteckpulsen einen gleichmäßigen Strom macht. Am Beispiel des Abwärtswandlers (Buck):

• Schalter ein: Am Eingang der Drossel liegt die Eingangsspannung, am Ausgang die kleinere Ausgangsspannung. Die Differenz treibt einen linear ansteigenden Strom durch die Drossel; die Energie W = ½ · L · I² im Magnetfeld wächst (siehe Spule im Gleichstromkreis).
• Schalter aus: Die Drossel will den Strom weitertreiben – das ist die Selbstinduktion. Der Strom fließt nun über eine Freilaufdiode oder einen zweiten Transistor weiter zum Ausgang und fällt dabei linear ab.

Der Strom durch die Drossel ist also ein Dreieck, das um den Ausgangsstrom pendelt. Die Spitze-Spitze-Schwankung heißt Rippelstrom ΔI.

Damit das funktioniert, muss die Drossel einen großen Gleichstrom tragen, ohne dass ihr Kern sättigt. Ein Ferritkern mit hoher Permeabilität wäre schon bei wenigen hundert Milliampere gesättigt. Speicherdrosseln haben deshalb entweder einen Ferritkern mit Luftspalt oder einen Kern aus gepresstem Metallpulver, dessen isolierte Körner wie ein verteilter Luftspalt wirken. Im Luftspalt wird der Großteil der Energie gespeichert – mehr dazu unter magnetische Größen.

Das Schaltzeichen ist das der Spule mit Magnetkern: Halbkreisbögen nach IEC mit einem Strich parallel zur Wicklung, Kurzzeichen L.

Strom in der Drossel

Für den Abwärtswandler im kontinuierlichen Betrieb gelten:

Dabei ist D der Tastgrad, f die Schaltfrequenz und I_A der Ausgangsstrom. Der Rippelstrom hängt nicht vom Laststrom ab, sondern nur von Spannungen, Frequenz und Induktivität. Bewährt hat sich ein Rippelstrom von 20 bis 40 % des größten Ausgangsstroms:

• Kleiner Rippel (große Induktivität): wenig Restwelligkeit, kleine Kernverluste – aber eine große Drossel mit mehr Windungen, höherem DCR und langsamerer Reaktion auf Lastsprünge.
• Großer Rippel (kleine Induktivität): kleine, billige Drossel und schnelle Regelung – aber höherer Spitzenstrom, mehr Welligkeit am Ausgang und mehr Verluste im Kondensator.

Beim Aufwärtswandler (Boost) liegt die Drossel am Eingang. Dort gilt D = 1 - U_E / U_A und ΔI = U_E · D / (f · L); der mittlere Drosselstrom ist der Eingangsstrom und damit größer als der Ausgangsstrom.

Kennwerte im Datenblatt

Zu den Kupferverlusten kommen Kernverluste: Das Magnetfeld schwingt mit dem Rippelstrom, und jeder Ummagnetisierungszyklus kostet Energie durch Hysterese und Wirbelströme. Sie steigen mit Frequenz und Rippel stark an. Hersteller wie Würth, Coilcraft oder TDK stellen dafür Online-Rechner bereit; das Datenblatt allein nennt sie meist nicht.

Bauformen

• Ungeschirmte Trommelkerndrosseln: Die Wicklung liegt offen auf einem Ferritkörper. Billig und mit hohem I_sat pro Volumen, aber mit großem Streufeld, das in benachbarte Leitungen einkoppelt.
• Halbgeschirmte Drosseln: Um die Wicklung ist eine Masse aus Harz mit Ferritpulver vergossen. Das senkt das Streufeld deutlich bei kaum höheren Kosten.
• Geschirmte Drosseln: Eine Ferrithülse umschließt die Wicklung; der Fluss läuft fast vollständig im Kern. Beispiele sind die Serien WE-PD von Würth oder SRR von Bourns.
• Gepresste Metallpulverdrosseln (molded, „Metal Composite“): Die Wicklung ist direkt in Metallpulver eingepresst, etwa bei Coilcraft XAL, Würth WE-XHMI oder Vishay IHLP. Sie sättigen sehr weich, sind mechanisch robust, brummen kaum und streuen wenig – heute der Standard für Schaltregler bis einige Megahertz.
• Bedrahtete Ringkerndrosseln: Kupferlackdraht auf Eisenpulverring, für große Ströme und in Netzteilen mit 50-Hz-Gleichrichtung.

Auslegung für einen Abwärtswandler

Rechne für den ungünstigsten Fall: höchste Eingangsspannung (größter Rippel), Induktivität an der unteren Toleranzgrenze und größter Laststrom.

Die Formeln für Buck und Boost samt Ausgangskondensator rechnet dir der Rechner:

Auswahl und Praxistipps

Beginne mit der Empfehlung im Datenblatt des Schaltregler-ICs. Viele ICs haben eine interne Kompensation, die nur mit einem bestimmten Induktivitätsbereich stabil regelt. Danach prüfst du I_sat gegen den Spitzenstrom und die Strombegrenzung, I_rms gegen den Effektivstrom, und zuletzt Bauhöhe und Grundfläche.

Häufige Fehler:

• Mit der Nenninduktivität statt mit der unteren Toleranz gerechnet: Bei −20 % steigt der Rippel um 25 %.
• I_sat nur knapp über dem Laststrom: Beim Einschalten, bei Kurzschluss am Ausgang oder bei Lastsprüngen fließt Strom bis zur Strombegrenzung des Reglers. Sättigt die Drossel dabei, steigt der Strom so schnell, dass die Begrenzung zu spät greift.
• Ungeschirmte Drossel neben dem Analogteil: Das Streufeld koppelt in Audioleitungen, Sensoren oder Antennen ein, siehe EMV.
• Ferritdrossel heiß betrieben: Der Sättigungsstrom von Ferrit sinkt mit steigender Temperatur deutlich. Was bei 25 °C reicht, sättigt bei 100 °C womöglich schon.
• Pfeifen und Brummen: Im Lückbetrieb oder bei Burst-Modi im hörbaren Bereich schwingen Wicklung und Kern mechanisch. Gepresste Bauformen sind deutlich leiser.

Selbsttest