Messungen zum Verhalten einer Spule
Die folgenden Messungen wurde mit der KOSMOS-Spule und verschiedenen Eisenkernen bei einer Betriebsspannung von 6V und einem durchschnittlichen Strom von 100mA gemacht. Das folgende Bild zeigt die Spule und das Kernmaterial:
Der grundsätzliche Aufbau ist wie folgt:
Die Diode wurde erst später zugeschaltet (ist einzeln vermerkt).
Zuerst wurde der Strom durch die Spule über den Spannungsabfall am Widerstand (UAB) gemessen.
Abb.1: 0.5V/cm, >10ms/cm (nicht kalibriert).
Man erkennt, daß der Strom -- bedingt durch die Induktivität der Luftspule -- langsam ansteigt (daher schreibt der Strahl dort einen fetten Strich), jedoch sehr schnell abfällt (dünne, abfallende Flanke). Der maximale Strom durch die Spule beträgt:
Imax = 3cm * 0.5V/cm / 5.6
= 268mA
Am Transistor (Darlington-Schaltung!) fällt ca. 1V ab. Das bedeutet, daß 6V - 1V - 3*0.5V = 3.5V an der Spule abfallen müssen, die damit einen Gleichstromwiderstand RSpule = 3.5V / 268mA = 13 hat. Ich habe mit dem Ohmmeter nachgemessen: 13.8
die Spule muß also wesentlich mehr als nur eine Wicklungslage haben (ist von aussen nicht leicht zu erkennen, siehe obiges Foto).
Als nächstes habe ich die Spannung UCD am Punkt C gemessen:
Abb. 2: 20V/cm, >10ms/cm (nicht kalibriert).
Man erkennt beim Abschalten des Transistors (ansteigen der Spannung auf 6V am Punkt C) einen sehr hohen Spike von UCDmax = 6cm * 20V/cm = 120V! Da diese Spannung auf Dauer den Transistor beschädigen kann, wurde für die folgenden Versuche eine Freilaufdiode BY255 zugeschaltet:
Abb. 3: 2V/cm, >10ms/cm (nicht kalibriert).
Diese Diode begrenzt nun die Spannung am Collector auf ca. 7V, was unschädlich ist. Die Energie aus der Spule wird nun in der Diode und dem Widerstand verheizt. Gleichzeitig erkennt man, daß der Spike nun zwar nicht mehr so hoch, dafür aber deutlich breiter ist. Wir werden diese Schaltung für die folgenden Versuche beibehalten.
Messen wir nun wieder den Strom durch die Spule (wie in Abb. 1), diesmal aber mit Freilaufdiode:
Abb. 4: 0.5V/cm, >10ms/cm (nicht kalibriert).
Im Unterschied zu Abb. 1 fällt der Strom nun langsam ab.
Abb. 5: 0.5V/cm, >2ms/cm (nicht kalibriert). Links ohne, rechts mit Diode.
In Abb. 5 erkennt man deutlich den Unterschied in der herausvergrößerten Abschaltflanke: links ohne, rechts mit Freilaufdiode.
Nun werden wir in Stufen durch Einbau eines Eisenjochs die Induktivität der Spule erhöhen und die Veränderung der Abschaltflanke beobachten. Zuerst die Luftspule:
Abb. 6: 2V/cm, 0.5ms/cm. Luftspule.
Der Strom klingt über ca. t = 1.7cm * 0.5ms/cm = 0.85ms ab (ab hier stimmt endlich auch die Kalibrierung der Zeitachse).
Abb. 7: 2V/cm, 0.5ms/cm. Mit Eisenkern.
Das Einschieben eines Eisenkerns erhöht die Induktivität ganz erheblich.
Der Strom fließt nun für t = 4.6cm * 0.5ms/cm = 2.3ms
Abb. 8: 2V/cm, 0.5ms/cm. Mit Eisenkern und Joch, offen.
Beachtlich ist die Zunahme der Induktivität durch Anbau eines Jochs:
t = 8.5cm * 0.5ms/cm = 4.25ms
Das Joch ist jedoch noch nicht geschlossen, sondern an einer Seite noch offen.
Abb. 9: 2V/cm, 2ms/cm. Mit Eisenkern und geschlossenem Joch.
Wird das Joch geschlossen, so nimmt die Induktivität nochmals erheblich zu:
t = 4.6cm * 2ms/cm = 9.2ms
Nun habe ich noch Versuche mit verschiedenen Kernmaterialien durchgeführt:
Abb. 10: 1V/cm, 0.5ms/cm. Luftspule.
Abb. 11: 1V/cm, 0.5ms/cm. Eisenkern.
Abb. 12: 1V/cm, 0.5ms/cm. Jochblech als Kern.
Überraschend war, daß das wesentlich dünnere Jochblech offenbar eine höhere Induktivität verursacht, als der massivere Eisenkern. Es kann aber auch sein, daß das Jochblech einfach kleinere Verluste hat, da es in seiner Form dünn ist und daher gegenüber dem runden Eisenkern weniger Wirbelströme verursachen sollte, sodaß mehr Energie durch Diode und Widerstand fliessen kann.
Abb. 13: 1V/cm, 0.5ms/cm. Jochwinkel als Kern.
Die noch stärkere Induktivitätserhöhung des Jochwinkels erklärt sich daraus, daß dieser durch seine gewinkelte Bauform die Magnetfeldlinien auch ausserhalb der Spule noch bündeln und leiten kann.
Abb. 14: 1V/cm, 0.5ms/cm. Ferritstab mit 2. Spule (offen) als Kern.
Der Ferritstab zeigt die größte Induktivitätserhöhung. Das ringing beim Abfallen des Stroms kommt von der 2. Spule die sich zufällig noch auf dem Stab befand.
Abb. 15: 1V/cm, 0.5ms/cm. Ferritstab mit 2. Spule (kurzgeschlossen) als Kern.
Wird diese 2. Spule kurzgeschlossen, so entfällt auch das ringing, dafür steigt die Induktivität abermals an.
Trotzdem bringt das geschlossene Joch eindeutig die höchsten Werte.
Die folgenden drei Bilder Abb. 16-18 zeigen die Kurvenform des Stromes durch die Spule:
Abb. 16: 0.2V/cm, 10ms/cm. Luftspule.
Abb. 17: 0.2V/cm, 10ms/cm. Eisenkern.
Abb. 18: 0.2V/cm, 10ms/cm. Geschlossenes Joch.
Bei geschlossenem Joch reicht die Ladezeit gerade noch aus, um den Strom zu seinem Maximalwert kommen zu lassen. Mit der Zunahme der Induktivität sinkt der Durchschnittsstrom von 110mA auf 70mA (bei geschlossenem Joch).
Ich habe bei geschlossenem Joch den Strom durch die Spule stark erhöht, jedoch konnte ich keine magnetische Sättigung erreichen (d.h. starkes Ansteigen des Stromes beobachten).
Ich habe mit einem Induktivitätsmeßgerät die Induktivität der Spule gemessen:
| 7,24mH | Luftspule |
| 17,0mH | Spule mit Eisenkern |
| 19,4mH | Spule mit Eisenkern und Schenkel |
| 21,0mH | Spule mit Eisenkern und Schenkel und Jochblech, geschlossener magnetischer Kreis |
Es hat mich überrascht, daß das Schliessen des mag. Kreises kaum mehr Induktivität gebracht hat, obwohl sich bei den vorhergehenden Versuchen doch ein deutlicher Unterschied gezeigt hatte.