11.9 Prinzipielle Anwendung von Spulen
11.9.1 Zündschaltungen
Ein typisches Anwendungsgebiet von Spulen ist die Verwendung in Zündschaltungen. Hier wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass bei einer Stromänderung in einer Spule eine Selbstinduktionsspannung induziert wird. Ist die Stromänderungsgeschwindigkeit sehr hoch, z.B. beim Öffnen eines Schalters, dann wird auch eine entsprechend hohe Spannung induziert.
Zündschaltungen werden zur Zündung von Triebwerken und Verbrennungsmotoren aber auch bei Leuchtstofflampen verwendet.
Durch eine schnelle Änderung der Stromstärke wird in einer Spule eine hohe Spannung induziert.
Dieser Effekt kann in einer Zündschaltung angewendet werden.
Anmerkung: in der Praxis kann der Schalter nicht unendlich schnell (d.h. in einer Zeit Δt = 0) geöffnet werden. Dadurch fällt die Stromstärke nicht abrupt auf null ab, sondern sinkt mit einer endlichen, aber sehr hohen Änderungsgeschwindigkeit auf null ab und verursacht in der Spule die Induktion einer Spannungsspitze, deren Wert zwar hoch aber begrenzt ist.
Der im Bild 11-52 dargestellte lineare Stromanstieg zwischen Schließen und Öffnen des Schalters ist idealisiert und tritt nur unter der Annahme auf, dass im Stromkreis keine Ohmschen Widerstände enthalten sind. In der Praxis wird der Stromanstieg jedoch nichtlinear erfolgen. Grund ist der unvermeidliche Ohmsche Widerstand der Zuleitungen, des Innenwiderstandes der Spannungsquelle, des Spulendrahtes und des Schalters (der Schalter weist auch im geschlossenen Zustand einen bestimmten Widerstand auf, der zwar sehr klein aber nicht null ist). Es wird daher die Stromstärke nach einem Verlauf wie im Bild 11-43 dargestellt ansteigen und nach einer bestimmten Zeit einen Maximalwert erreichen. Für die prinzipielle Funktion der Zündschaltung stellt dies jedoch keine Einschränkung dar.
11.9.2 Strombegrenzung
Wird ein Verbraucher an eine Spannungsquelle angeschlossen und verringert sich der Widerstand des Verbrauchers während des Betriebs schlagartig, dann kann der stark ansteigende Strom den Verbraucher beschädigen. Ein derartiges Verhalten zeigen z.B. Leuchtstofflampen nach der Zündung.
Wird der Verbraucher aber mit einer Spule in Serie geschaltet, dann kann dieser unzulässig hohe Stromanstieg begrenzt werden. Steigt der Verbraucherstrom schlagartig an, dann wird in der Spule eine Spannung induziert, die aufgrund der Lenzschen Regel so gerichtet ist, dass sie der Ursache der Induktion, d.h. dem Stromanstieg im Verbraucher, entgegenwirkt und diesen begrenzt.
Eine Spule begrenzt aufgrund der Lenzschen Regel einen zu hohen Stromanstieg
in einem Verbraucher.
11.9.3 Schwingkreise
Im Zusammenwirken mit Kondensatoren können Spulen in sogenannten Schwingkreisen eingesetzt werden. Schwingkreise besitzen eine von den Bauteilwerten abhängige Resonanzfrequenz und lassen sich bei dieser durch Zufuhr geringer Energie in einen relativ stabilen Schwingungszustand versetzen.
Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises lässt sich mit folgender Formel berechnen:
Schwingkreise werden z.B. in Oszillatoren (= eine elektronische Schaltung zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung) oder in Filterschaltungen eingesetzt.
Eine Spule kann gemeinsam mit einem Kondensator als frequenzbestimmendes Bauelement
in einem Schwingkreis verwendet werden.
Anmerkung: eine genauere Beschreibung der Funktion eines Schwingkreises erfolgt im Kapitel
„14 Wechselstromkreise“.
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