Öffnest du ein Schaltnetzteil, siehst du gleich hinter der Netzbuchse einen Ringkern oder ein Kästchen mit zwei dicken Wicklungen. Auf einer Platine mit USB- oder Ethernet-Anschluss findest du nahe der Buchse einen winzigen Chip mit vier Anschlüssen. Beides sind stromkompensierte Drosseln, auch Gleichtaktdrosseln oder englisch Common Mode Chokes genannt. Sie lösen ein Problem, das eine einfache Spule nicht lösen kann: Störungen auf einer Leitung kräftig dämpfen, ohne den Betriebsstrom oder das Datensignal zu behindern.
Gleichtakt und Gegentakt
Auf einem Leitungspaar können Ströme auf zwei Arten fließen:
- Gegentakt (differential mode): Der Strom fließt auf der einen Ader hin und auf der anderen zurück. So fließt der Nutzstrom eines Netzteils und so läuft ein differentielles Datensignal wie bei USB.
- Gleichtakt (common mode): Auf beiden Adern fließt ein Strom in dieselbe Richtung, und er kehrt über einen anderen Weg zurück – über den Schutzleiter, die Gehäusemasse oder parasitäre Kapazitäten zur Umgebung. Viele Störungen sind von dieser Art, etwa die schnellen Schaltflanken eines Netzteils, die über die Kapazität des Kühlkörpers nach Erde gelangen.
Gleichtaktströme sind besonders lästig, weil die Leitung dabei als Antenne wirkt: Die Felder von Hin- und Rückleiter heben sich nicht auf. Wie Störungen von der Quelle zur Senke gelangen, steht unter EMV.
Aufbau und Funktionsweise
Eine stromkompensierte Drossel hat zwei gleiche Wicklungen auf einem gemeinsamen, geschlossenen Kern, meist einem Ferritring. Die Wicklungen sind so angeordnet, dass ein Gegentaktstrom in beiden Wicklungen Magnetfelder erzeugt, die im Kern entgegengesetzt gerichtet sind.
- Gegentaktstrom: Hin- und Rückstrom sind gleich groß. Ihre Felder heben sich im Kern auf, es bleibt kein Fluss übrig. Ohne Fluss gibt es keine Selbstinduktion – die Drossel wirkt nur noch mit ihrem Drahtwiderstand. Der Kern wird auch bei großem Betriebsstrom nicht gesättigt. Daher der Name: Der Strom kompensiert sich selbst.
- Gleichtaktstrom: Beide Ströme fließen in dieselbe Richtung, ihre Felder addieren sich. Die Wicklungen wirken wie eine Spule mit der vollen Induktivität, die Störung sieht einen großen induktiven Blindwiderstand.
Weil die Kompensation den Kern schont, kann man ein Ferritmaterial mit sehr hoher Permeabilität verwenden und mit wenigen Windungen Induktivitäten im Millihenry-Bereich erreichen. Eine gewöhnliche Drossel mit diesem Wert und mehreren Ampere wäre um ein Vielfaches größer.
Ganz perfekt ist die Kopplung nicht. Ein kleiner Teil des Feldes jeder Wicklung schließt sich außerhalb des Kerns, ohne die andere zu durchsetzen. Dieser Anteil heißt Streuinduktivität und liegt meist bei einem halben bis wenigen Prozent der Gleichtaktinduktivität. Er wirkt auf Gegentaktströme und dämpft dadurch auch Gegentaktstörungen ein wenig – das ist oft erwünscht. Mehr zur Kopplung zweier Spulen findest du unter Reihen- und Parallelschaltung von Spulen.
Schaltzeichen
Gezeichnet werden zwei Spulen nebeneinander mit einem gemeinsamen Kernstrich. Punkte an je einem Wicklungsende zeigen den Wicklungssinn: Ströme, die an den Punkten eintreten, erzeugen gleichgerichtete Felder. Bei der stromkompensierten Drossel liegen beide Punkte auf derselben Seite. Das Kurzzeichen ist L oder FL (Filter), oft mit dem Zusatz CMC. Weitere Symbole findest du unter Schaltzeichen.
Kennwerte
| Kennwert | Bedeutung | Typische Werte |
|---|---|---|
| Gleichtaktinduktivität | Induktivität einer Wicklung bei Gleichtakt | 1–50 mH (Netz), wenige µH (Daten) |
| Gleichtaktimpedanz | bei Datenleitungsfiltern statt L angegeben, meist bei 100 MHz | 67–2200 Ω |
| Streuinduktivität | wirkt im Gegentakt | etwa 0,5–3 % der Gleichtaktinduktivität |
| Nennstrom | Dauerstrom je Wicklung, thermisch begrenzt | 0,1 A bis über 20 A |
| DCR | Widerstand je Wicklung | mΩ bis einige 100 mΩ |
| Nennspannung | höchste Betriebsspannung zwischen den Wicklungen | z. B. 250 V AC bei Netzfiltern |
Bauformen
- Ringkerndrosseln mit zwei getrennt gewickelten Hälften für Netzfilter mit mehreren Ampere. Die Trennung zwischen den Wicklungen sorgt für den nötigen Isolationsabstand.
- Netzfilterdrosseln auf Kunststoffsockel mit Spulenkörper in zwei Kammern, für Leiterplattenmontage im Netzteil.
- SMD-Leistungsdrosseln für Gleichspannungseingänge von 12 bis 48 V, etwa an Industrie- oder Fahrzeugsteckern.
- Datenleitungsdrosseln im Format 0805 oder 1206 mit vier Anschlüssen für USB, HDMI, Ethernet oder CAN. Beispiel: TDK ACM2012-900-2P mit 90 Ω Gleichtaktimpedanz bei 100 MHz, 400 mA Nennstrom und höchstens 0,19 Ω je Leitung. Es gibt sie auch mit vier Wicklungen für zwei Leitungspaare.
Typische Anwendungen
Netzfilter: Am Eingang eines Netzteils sitzen meist ein X-Kondensator zwischen Außenleiter und Neutralleiter gegen Gegentaktstörungen, die stromkompensierte Drossel in beiden Leitern und zwei Y-Kondensatoren von jeder Leitung zum Schutzleiter gegen Gleichtaktstörungen. Die Drossel bildet mit den Y-Kondensatoren einen Tiefpass für Gleichtakt. Welche Kondensatoren dort zugelassen sind, steht unter X- und Y-Kondensatoren.
Datenleitungen: Eine USB-, Ethernet- oder CAN-Leitung überträgt ein differentielles Signal. Eine Ferritperle in jeder Ader würde auch das Nutzsignal dämpfen und die Flanken verrunden. Die stromkompensierte Drossel dagegen lässt das Gegentaktsignal fast ungestört durch und dämpft nur den Gleichtaktanteil, der die Leitung zur Antenne macht. Für breitbandige Störungen auf Kabeln ohne Signalanforderungen reicht oft ein Klappferrit, siehe Ferritperle.
Gleichspannungseingänge: An langen Versorgungsleitungen von Sensoren oder Motoren hält eine Gleichtaktdrossel Störungen aus der Leitung fern, zusammen mit Schutz gegen Überspannung wie einer TVS-Diode.
Auswahl und Praxistipps
Wähle zuerst die Art: Netzfilter, DC-Leistung oder Datenleitung. Danach entscheidet der Nennstrom bei der höchsten Umgebungstemperatur, dann die Induktivität oder Impedanz im Frequenzbereich der Störung. Bei Datenleitungen achtest du außerdem darauf, dass die Gegentaktimpedanz das Signal nicht beeinträchtigt; Hersteller geben passende Typen für USB 2.0, USB 3 oder Ethernet an.
Häufige Fehler:
- Wicklungssinn vertauscht: Ist eine Wicklung verkehrt angeschlossen, addieren sich die Felder des Nutzstroms. Der Kern sättigt sofort, die Filterwirkung ist weg, und bei Datenleitungen wird das Signal zerstört. Prüfe die Punkte im Symbol und die Pinbelegung des Footprints.
- Nur eine Leitung durch die Drossel geführt: Dann ist es keine stromkompensierte Drossel mehr, sondern eine gewöhnliche Spule, die durch den Betriebsstrom sättigt.
- Y-Kondensatoren vergessen: Ohne Rückweg nach Masse oder Schutzleiter hat der Gleichtaktstrom keinen Ableitweg, und die Drossel wirkt weniger.
- Ein- und Ausgang dicht nebeneinander geführt: Liegen die Leitungen vor und hinter dem Filter parallel, koppeln Störungen einfach am Filter vorbei.
- Zu viel Gegentaktimpedanz auf schnellen Datenleitungen: Ein Typ mit hoher Impedanz, der für langsame Leitungen gedacht ist, verschlechtert das Augendiagramm von USB oder HDMI.
Selbsttest
Warum sättigt der Betriebsstrom den Kern einer stromkompensierten Drossel nicht?
Hin- und Rückstrom fließen in entgegengesetzter Richtung durch die beiden Wicklungen; ihre Magnetfelder heben sich im Kern auf.
Was ist ein Gleichtaktstrom?
Ein Strom, der auf beiden Adern in dieselbe Richtung fließt und über einen anderen Weg, etwa den Schutzleiter oder parasitäre Kapazitäten, zurückkehrt.
Wozu dient die Streuinduktivität?
Sie ist die unvollständige Kopplung der Wicklungen und wirkt als kleine Gegentaktinduktivität – sie dämpft dadurch auch Gegentaktstörungen etwas.
Eine Drossel hat 4,7 mH Gleichtaktinduktivität. Wie groß ist ihr Gleichtaktblindwiderstand bei 1 MHz?
XL = 2 · π · 1 MHz · 4,7 mH ≈ 29,5 kΩ – in der Praxis begrenzen Wicklungskapazität und Kernverluste den Wert.
Warum ist für USB eine stromkompensierte Drossel besser als zwei Ferritperlen?
Die Drossel lässt das differentielle Nutzsignal fast ungehindert durch und dämpft nur Gleichtakt; Ferritperlen dämpfen beides und verrunden die Flanken.