Luftspulen sind Spulen mit einer eher kleineren Induktivität. Man findet solche Spulen überwiegend in der Hochfrequenztechnik wie zum Beispiel in einem Schwingkreis oder Filter. Je höher die Frequenz ist, desto kleiner sind die Induktivitäten. Luftspulen in einem UKW-Radio haben daher oft nur einige wenige Windungen, da die Frequenz hier schon um die 100 MHz liegt. In diesem Artikel geht es um den Bau und um die Berechnung von Luftspulen für den Hochfrequenzbereich. In einem anschließenden Praxistest werden die berechneten Luftspulen aufgebaut und mit einem LCR-Meter nachgemessen.

Allgemeines zu Spulen

Spulen wie man sie aus einem Transformator kennt, besitzen einen geschlossen Kern. Es gibt auch Kerne mit einem Luftspalt, was zwar die Induktivität verkleinert, aber zugleich eine größere Magnetisierung ermöglicht. Der Kern selbst kommt dabei erst bei höheren Strömen in die magnetische Sättigung. Durch den Kern erreicht die Spule eine deutlich höhere Induktivität gegenüber einer Luftspule. Neben den bekannten EI-Formen gibt es noch die Ferritkernspulen als Stab- oder Ringspule. Ferritstabspulen sind gleich aufgebaut wie Luftspulen, liegen aber auf einem Ferritkern, was zu einer deutlich höheren Induktivität führt. Eine Spule mit Ferritstab bei gleicher Größe und Windszahl kann mehr als die dreifache Induktivität gegenüber der baugleichen Luftspule ohne Ferritkern besitzen. Spulen auf einen Ferritstab findet man in Detektorradios oder auch in einem DCF77-Empfänger (Empfänger für Zeitzeichensender), da hier aufgrund der niedrigen Frequenz (Langwellen) noch eine Induktivität im Millihenry-Bereich benötigt wird. Zusammengefasst kann man sagen, dass Luftspulen geringe Induktivitäten haben und hauptsächlich im Bereich von Nanohenry und Mikrohenry gebaut werden.

Genauigkeit der Berechnung

Eine Luftspule kann nicht exakt berechnet werden, dennoch gibt es Formeln, mit denen man brauchbare Resultate erzielen kann. In der Praxis reicht es für die meisten Anwendungen aus, wenn man eine Luftspule mit 10 % Toleranz berechnen kann. Ein einfacher Schwingkreis wird meistens mit einem Drehkondensator abgeglichen, sodass die Abweichung der Spule wieder ausgleichen werden kann. Eine elektronische Anpassung des LC-Kreises wird oft mit einer Kapazitätsdiode vorgenommen.

Formeln zur Berechnung

Für die Berechnung von Luftspulen reichen in der Praxis meist einfache Näherungsformeln aus. Diese findet man in diversen Fachbüchern und auf Wikipeadia. Grundsätzlich muss unterschieden werden, ob man kurze oder lange Luftspulen bauen will. Bei kürzeren Spulen nimmt die magnetische Kopplung zwischen den einzelnen Windungen zu. Längen werden in Millimeter angeben, Induktivitäten in Millihenry.

Induktivität berechnen (kurze Spule)

Möchte man die Induktivität einer kurzen Spule berechnen, so wird neben der magnetischen Feldkonstante (µ0) noch die Spulenlänge (l), die Querschnittsfläche (A) und die Anzahl der Windungen (N) benötigt. Die Querschnittsfläche (A) setzt sich aus pi*r² zusammen (r = radius). Nachdem die Längeneinheiten in Millimeter angegeben wurden, wird auch das Ergebnis in der Einheit Millihenry angegeben.

Induktivität berechnen (lange Spule)

Eine Luftspule gilt als lang, wenn die Spulenlänge größer als der Durchmesser ist. Die Formel für die Berechnung von langen Spulen ähnelnd der Formel für kurze Spulen. In der Praxis hat sich jedoch erwiesen, dass die Formel für kurze Luftspulen auch bis zu einer Länge vom doppelten Durchmesser brauchbar ist.

Der Wickelkörper

Für größere Luftspulen wird ein Wickelkörper benötigt. Ganz gut eignen sich dafür Elektro-Installationsrohe aus dem Baumarkt. Diese sind in unterschiedlichen Durchmessern erhältlich und können auf die passende Länge zugeschnitten werden. Außerdem sind diese Rohre sehr stabil und es können kleine Löcher für die Fixierung des Lackdrahtes gebohrt werden. Alternativ eignen sich auch Rollen aus Papier oder Karton gut. Ein Schlauch aus Kunststoff eignet sich ebenfalls gut, hier kann man sogar mit einer Schere den Schlauch auf die benötigte Länge kürzen.

Zylinderspule

Die Zylinderspule ist die beliebteste Wickelform für kleine Luftspulen. Sie wird einlagig auf den Wickelkörper aufgetragen. Folgende Eigenschaften treffen in der Praxis beim Wickeln einer Zylinderspule zu:

Wilde Wicklung

Eine wilde Wicklung ist, wie der Name schon sagt, wild gewickelt. Die Anzahl der Lagen variieren an mehreren Stellen. Die zuvor erwähnte Formel kann sowohl auf der "schönen Zylinderluftspule" als auch auf der wild gewickelten Luftspule angewendet werden. Eine wilde Luftspule besitzt grundsätzlich mehr Induktivität als eine "schöne" Luftspule. Dennoch sollte folgende Regel beachtet werden:

Bei der wilden Wicklung sollte man die Windungen nicht zu oft überkreuzen. Außerdem sollten erste und letzte Wicklung nicht nebeneinanderliegen, da hier ansonsten die volle Potentialdifferenz herrscht. Wer eine wilde Wicklung baut, sollte daher auf einer Seite beginnen und mehrlagig zur anderen Seite weiter wickeln und dort den Lackdraht wieder abführen.

Windungszahl berechnen

Oft kennt man die benötigte Induktivität bereits oder hat diese errechnet und möchte sich jetzt die dazu passende Luftspule wickeln. In der Praxis hat sich erwiesen, dass man dies mit einer wilden Wicklung bauen kann, wenn man hierfür eine bestimmte Länge vordefiniert. Die Formelumstellung zur Berechnung der Windungszahl sieht wie folgt aus: