Der Schaltvorgang als Auslöser von Spulengeräuschen
Die meisten Leser treibt seit einiger Zeit immer wieder das gleiche Internet-Gespenst namens Spulenfiepen um, denn wenn man sich wie er aktiv in den sozialen Netzwerken oder Foren bewegt, kann man nicht nur die immer wieder gleichen Probleme lesen, sondern auch die meist noch viel unbeholfeneren Deutungsversuche und inhaltlosen Antworten. Gut. es ist komplex, leider. Und genau deshalb habe ich ich mich zur Veranschaulichung des bereits auf der ersten Seite kurz erklärten Schaltvorgangs (mit freundlicher Genehmigung von Bernhard Baumgartner) an einem Text bedient, der in sehr bildlicher Sprache das erklärt, worum es eigentlich geht und den ich Euch einfach nicht vorenthalten will.
Das Schema der ersten Seite habe ich jetzt noch einmal für den Regelkreis so einer Grafikkarte bildlicher angepasst. Anhand dieser Grafik könnt ihr sehr vereinfacht sehen, wie ein einzelner Schaltregler auf Eurer Karte aufgebaut ist. Auf der Low-Side nutzen wir hier wegen der hohen Ströme gleich zwei parallel geschaltete MOSFETs. Die Spule sorgt bei einem PWM-geregelten Stromkreis dann dafür, dass Strom weiter fließt, obwohl der MOSFET schon wieder nichtleitend ist (Energiespeicher mittels Magnetfeld). Aber das hatten wir ja schon auf der ersten Seite.
In der Logik läuft die Regelung so ab:
Gate Controller:
Jetzt brauchen wir endlich mal wieder Strom, Kinder! Er schickt frech mal ein kleines Steuersignal auf den Gate Anschluss des MOSFETs (daher auch der Name).
MOSFET:
Wie geil ist das denn? Auf meinem Gate krabbelt mich ein positives Potential, ich schalte jetzt mal lustig Source nach Drain durch und werde aber sowas von leitend, lasse also mal voll den Strom durch. Auf geht’s Ihr Pappnasen, Grenzen auf!
Spule:
Hä, was’n jetzt los? Die Spule, die hinter dem MOSFET liegt, wacht erschreckt mit verschlafenen Augen auf und checkt: Oops okay, durch mich fließt Strom (ich bekomme was zu Essen), ich muss jetzt ein Magnetfeld aufbauen (richtig fett werden) sowie die vorgegebene Energie speichern, damit ich bei Bedarf eine Gegenspannung entgegengesetzt zur Eingangsspannung erzeugen kann! Ich bin nämlich sowas wie ein Reflektor, ätsch!
Gate Controller:
OMG, was sagt mir die Stromauswertung? Ein Hilferuf? Das wird jetzt wirklich zu viel, weil in dieser Millisekunde gar nicht so viel Strom gebraucht wird, also gefälligst mal Ruhe im Karton! Logischerweise nimmt er flink das Steuersignal vom Gate des MOSFET und der macht wieder dicht. Diese Geheimdienstinformation kommt natürlich vom PWM-Controller, der über alles wacht.
MOSFET:
Ich bin jetzt mal so richtig sauer! Er hängt protestierend ein Schild in seinen Eingangsbereich, auf dem steht: Keine Arme, keine Kekse! Oder auch: Kein positives Potential am Gate, kein Strom (und lässt beleidigt den Hammer fallen).
Spule:
Och Menno, ich schlafe gleich wieder ein! Denn die Spule wird nun auch nicht mehr mit Strom durchflossen und sitzt auf zwangsverordneter Mager-Kur. Und was macht nun so ein trockengelegtes Spulen-Model, wenn die Magersucht zum Lebensmittelpunkt wird? Richtig, sie geht aufs Klo, steckt den Draht in den Hals und kotzt all die gespeicherte Energie (Fett) wieder aus.
Allerdings zur falschen Seite (also nicht nach unten)…
Die Gegenspannung (Erbrochenes) wird dann von einer Putzfrau (Diode und Elko) wieder in den Stromkreis zu Beginn eingespeist und nicht einfach weggeworfen, wie z. B bei einem Vorwiderstand, weil das Potential nach Masse abfließen kann. Wo kämen wir denn da hin? Nein! Ab und zurück in den Restaurantkreislauf, dann gibt es morgen leckere Soljanka oder Gulaschsuppe nach Art des Hauses. Je nachdem. So weit so gut. Wir haben jetzt auch gelernt, dass nichts verloren geht und Effizienz samt Rückgewinnung auch bis zum Erbrechen lustig sein kann.
Der Herr Lorentz macht kräftige Geräusche
Jeder von uns kennt es: Es gibt Menschen, bei denen bekommt man gar nicht mit, wenn sie vornehm leise erbrechen müssen, andere wiederum führen gar einen akustischen Todeskampf und klingen dabei wie sterbende Tiere. Also bildlich gesehen natürlich. Genau so ist es mit Spulen auch, es sind ja auch nur Menschen wie Ulf und ich. Überhaupt Spulen, es gibt verschiedene Bauformen, wie Ringkernspulen oder Kapselspulen. Darüber hinaus haben Spulen oft verschiedene Dinge im Kern, die ihre Eigenschaften beeinflussen. Dort gibt es Eisenkerne (Ferrit), Pulverkerne und noch so Einiges mehr. Eine wichtige Kenngröße bei einer Spule ist allerdings ihre Resonanzfrequenz, also ab wann sie beginnt, physikalisch zu schwingen. Genau dort unterscheiden sich dann die vornehmen Schalldämpferkotzer von den sterbenden Tieren. Also erneut bildlich gesehen.
![](https://www.igorslab.de/wp-content/uploads/2019/01/Inductive-DCR.jpg)
Liegt diese Frequenz bei den in diesem Zeitpunkt wirkenden Parametern im hörbaren Bereich (50 Hz bis 20 KHz), dann nehmen wir das als Spulenfiepen wahr. Hervorgerufen wird das durch die so genannte Lorentzkraft. Diese beschreibt eine Wechselwirkung aus drei physikalischen Kenngrößen: Stromrichtung, Magnetfeldrichtung und: TAADAA: Lorentzkraftrichtung! Genau hier ist der Hase im Pfeffer begraben! Die Lorentzrichtung sorgt nämlich für die mechanische Bewegung in der Spule und da drin ist quasi kaum Platz. Die Wicklungen der Spule stoßen also ans Gehäuse und an den Kern und verursachen dadurch das Spulenfiepen, das eigentlich eher eine Art Spulenkrampf ist.
![](https://www.igorslab.de/wp-content/uploads/2020/05/Lorentzkraft_positiv_negativ_de.svg-1024x931.png)
Das mit der Lorentzkraft und den sich aneinander reibenden Windungen merken wir uns jetzt bitte, denn wir brauchen dieses Wissen gleich noch einmal.
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