Hochfrequenzlitzen – Aufbau, Funktion und Auswahlkriterien für effiziente Hochfrequenzanwendungen

In modernen elektronischen Systemen, insbesondere in Bereichen wie Leistungselektronik, Induktionserwärmung, Schaltnetzteilen und der Elektromobilität, steigen die Betriebsfrequenzen kontinuierlich an. Mit höheren Frequenzen treten elektrische Effekte verstärkt auf, die bei niedrigeren Frequenzen vernachlässigbar sind. Um deren negative Auswirkungen auf die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Spulen, Transformatoren und anderen induktiven Bauelementen zu minimieren, kommen Hochfrequenzlitzen, oft kurz HF-Litzen genannt, zum Einsatz.

Warum Hochfrequenzlitzen? Skin-Effekt und Proximity-Effekt

Bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzen verteilt sich der Strom gleichmäßig über den Querschnitt eines elektrischen Leiters. Mit steigender Frequenz verdrängt das sich ändernde Magnetfeld des Leiters die Ladungsträger zunehmend an die Oberfläche. Dieses Phänomen wird als Skin-Effekt bezeichnet. Die effektive Querschnittsfläche, die für den Stromfluss zur Verfügung steht, verringert sich, was zu einer Erhöhung des Wechselstromwiderstands (AC-Widerstand) im Vergleich zum Gleichstromwiderstand (DC-Widerstand) führt. Die Stromdichte ist an der Oberfläche höher als im Inneren.

Ein weiterer wichtiger Effekt ist der Proximity-Effekt (Stromverdrängung, Nachbarschaftseffekt). Er tritt auf, wenn sich mehrere stromführende Leiter in räumlicher Nähe befinden, wie es beispielsweise in den Windungen einer Spule der Fall ist. Die Magnetfelder benachbarter Leiter beeinflussen sich gegenseitig und führen zu einer weiteren ungleichmäßigen Stromverteilung innerhalb der Leiter. Der Strom konzentriert sich dabei auf bestimmte Bereiche des Leiterquerschnitts, was den AC-Widerstand zusätzlich erhöht und die Verluste steigert.

Beide Effekte führen zu erhöhten Energieverlusten in Form von Wärme (P=I2⋅RAC), reduzieren die Effizienz der Anwendung und können im schlimmsten Fall zur Überhitzung und Zerstörung des Bauteils führen. Litzen ermöglich kompaktere Bauformen, höhere Wirkungsgrade und höhere maximal mögliche Schaltfrequenzen.

Hochfrequenzlitzen werden heute in Schaltnetzteile eingesetzt oder in Frequenzumrichtern (OBC, DC/DC Wandler, Ladestationen) für die Elektromobilität. Litzen werden in induktiven Ladegeräten eingesetzt und auch in HF-Transformatoren für z.B. Telekommunikation und Medizintechnik. Da die Größe von induktiven Bauteilen relativ direkt mit der Betriebsfrequenz verknüpft ist, können mit höheren Schaltfrequenzen solche Bauteile massiv verkleinert werden (z.B. DC/AC-Wandler bei Solarstrom-Anwendungen).

Aufbau von Hochfrequenzlitzen

HF-Litzen begegnen dem Skin- und Proximity-Effekt durch ihren speziellen Aufbau. Anstelle eines massiven Leiters bestehen sie aus einer Vielzahl dünner, einzeln isolierter Kupferdrähte. Diese Einzelleiter werden miteinander verdrillt oder verseilt. Die Isolation der Einzelleiter voneinander (oft durch Lackisolation, wie z.B. bei Kupferlackdrähten von HEERMANN oder SNYFLEX) stellt sicher, dass der Strom über alle Einzelleiter fließen kann und nicht auf den äußeren Bereich des Gesamtquerschnitts beschränkt wird Skin-Effekt).

Durch die spezielle Verdrillung oder Verflechtung ändert jede einzelne Litze entlang der Länge des Leiters ständig ihre Position innerhalb des Gesamtkabels. Sie bewegt sich vom Zentrum zur Außenseite und zurück. Durch die ständige Positionsänderung erfährt jede einzelne Litze über ihre gesamte Länge im Durchschnitt die gleiche magnetische Feldstärke wie jede andere Litze im Bündel. Die durch die äußeren Magnetfelder induzierten Spannungen sind somit in allen Litzen über deren Länge gemittelt nahezu gleich. An den Enden der Litze werden die Isolationen der Einzelleiter entfernt, sodass alle Drähte elektrisch parallel geschaltet sind.

Je nach Anwendung und den geforderten mechanischen oder elektrischen Eigenschaften kann die HF-Litze zusätzliche äußere Schichten aufweisen:

Umspinnung: Eine oder mehrere Lagen aus Textilmaterial (z.B. Naturseide oder Polyamidgarn) können die Litze umspinnen. Dies dient verschiedenen Zwecken: Erhöhung der mechanischen Stabilität, Fixierung der Einzelleiter, Verbesserung der Spannungsfestigkeit zwischen den Windungen und Reduzierung parasitärer Kapazitäten. Hersteller wie HEERMANN und Elektrisola bieten umsponnene Litzen an.
Bandierung: Bei manchen Litzenkonstruktionen, insbesondere für Anwendungen mit verstärkter Isolation, kann eine Bandierung mit Folienmaterial zum Einsatz kommen (z.B. bei EFOLIT® bandierten Litzen von Elektrisola oder Polyimid-isolierte RUPALIT-Litzen von PACK Litz Wire).
Extrudierte Isolation: Einige Litzen können auch eine extrudierte Außenisolation für bestimmte Anwendungen aufweisen.

Der Aufbau kann von einfachen, direkt verseilten Litzen (Würgelitzen) bis hin zu komplexeren, konzentrisch verseilten Aufbauten reichen, bei denen Litzenbündel um einen zentralen Kern angeordnet sind.

Technische Rahmenbedingungen und Auswahlkriterien

Die Auswahl der passenden Hochfrequenzlitze erfordert die Berücksichtigung mehrerer technischer Parameter, die direkten Einfluss auf die Performance und Eignung für die spezifische Anwendung haben:

Die Betriebsfrequenz ist der primäre Faktor, der die Notwendigkeit und Auslegung einer HF-Litze bestimmt. Je höher die Frequenz, desto ausgeprägter sind Skin- und Proximity-Effekt und desto feiner müssen die Einzeldrahtdurchmesser gewählt werden. Typische Anwendungsbereiche reichen von 10 kHz bis zu mehreren Megahertz.
Der Gesamtleiterquerschnitt ergibt sich aus dem benötigten Stromtragfähigkeit und dem zulässigen AC-Widerstand. Der Gesamtquerschnitt wird durch die Anzahl und den Durchmesser der Einzelleiter definiert.
Ein kritischer Parameter zur Minimierung des Skin-Effekts ist der Einzeldrahtdurchmesser. Dieser Durchmesser sollte idealerweise kleiner sein als die Skintiefe bei der gegebenen Betriebsfrequenz (Bsp: 50 kHz – 100 kHz: Skintiefe 0,100 mm; 500 kHz – 850 kHz: Skintiefe 0,050 mm). Kleinere Einzeldrahtdurchmesser führen zu mehr Einzelleitern für einen gegebenen Gesamtquerschnitt, was den AC-Widerstand bei hohen Frequenzen reduziert, aber die Litze flexibler macht und die Verarbeitung (Abisolierung, Kontaktierung) komplexer gestalten kann. Elektrisola bietet beispielsweise Einzeldrahtdurchmesser von 0,010 bis 0,700 mm an.
Die Anzahl der Einzelleiter bestimmt zusammen mit dem Einzeldrahtdurchmesser den Gesamtleiterquerschnitt. Eine höhere Anzahl feiner Drähte verbessert das Hochfrequenzverhalten.
Verseilungsart und Schlaglänge: Die Art der Verseilung (direkt, konzentrisch) und die Schlaglänge (die Strecke, auf der ein Einzeldraht eine volle Umdrehung um die Litzenachse macht) beeinflussen das Hochfrequenzverhalten (Wechselspannungswiderstand), die Flexibilität, die mechanische Stabilität und den Füllfaktor der Litze. Eine optimierte Schlaglänge ist laut HEERMANN wichtig für die Spulengüte (Q-Wert). Eine kurze Schlaglänge führt tendenziell zu höherer Flexibilität und besserem Halt der Einzeladern, kann aber zu Verarbeitungsproblemen führen. Eine lange Schlaglänge macht die Litze steifer, verbessert aber den Füllfaktor.
Bei der Isolation der Einzelleiter handelt es sich meist um eine Lackisolation (Emailledraht). Die Art des Isolierlacks bestimmt die Temperaturbeständigkeit (Wärmeklasse) und die Spannungsfestigkeit.
Ummantelung (Umspinnung, Bandierung, Extrusion): Auswahl des Materials und der Lagenanzahl je nach Anforderungen an mechanischen Schutz, Dimensionsstabilität, Spannungsfestigkeit und parasitäre Kapazitäten. Materialien wie Naturseide oder Polyamidgarn werden für Umspinnungen verwendet. Elektrisola nennt auch Folienmaterialien für Bandierungen.
Die Temperaturklasse gibt die maximale Betriebstemperatur der Litze an. Dies ist ein wichtiger Parameter für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Bauteils. Verschiedenen Temperaturklassen sind z.B. Klasse F - 155°C, Klasse H - 180°C.
Spannungsfestigkeit: Die Isolation der Einzelleiter und die eventuelle Ummantelung müssen der auftretenden Betriebsspannung und potenziellen Spannungsspitzen standhalten. Im Extremfall kann auch eine zusätzliche Teilentladungsfestigkeit erforderlich sein.
Flexibilität, Zugfestigkeit und Abriebfestigkeit sind wichtig für die Verarbeitbarkeit der Litze beim Wickeln und die Widerstandsfähigkeit im Betrieb. Die Verseilungsart und die Art der Ummantelung beeinflussen diese Eigenschaften.
Abisolierbarkeit und Kontaktierung: Die Art der Isolation und eventueller Ummantelungen beeinflusst, wie die Litze am Ende abisoliert und kontaktiert werden kann (z.B. durch Löten, Schweißen oder Crimpen). Einfache Abisolierbarkeit, auch auf Automaten, ist ein Verarbeitungsaspekt, den mehrere Litzenhersteller hervorheben.

Faustregel und typische Situationen:

Bei einem einzelnen Leiter, der weit entfernt von anderen Strom führenden Leitern liegt, ist der Skin-Effekt der alleinige hochfrequente Widerstandsanstieg. Seine Wirkung nimmt mit der Frequenz zu und wird signifikant, wenn der Radius des Leiters die Skindicke erreicht oder überschreitet.
In engen Wicklungen (wie in Motoren oder Transformatoren), wo viele Leiter dicht gepackt sind, kann der Proximity-Effekt schon bei relativ moderaten Frequenzen den Skin-Effekt überwiegen und zum dominierenden Faktor für die AC-Verluste werden. Dies liegt daran, dass die wechselseitige magnetische Kopplung zwischen den eng benachbarten Leitern sehr stark ist und signifikante Wirbelströme induziert, die den Stromfluss stärker beeinträchtigen können als der Skin-Effekt innerhalb des einzelnen, relativ dünnen Drahtes.

Hochfrequenzlitzen sind unverzichtbare Komponenten in modernen elektronischen Systemen, die bei hohen Frequenzen betrieben werden. Zunehmend vor allem auch in Anwendungen der All Electrical Society wie z.B. der Elektromobilität und den regenerativen Energien. Der spezielle Aufbau der Litzen aus vielen dünnen, einzeln isolierten und verdrillten Drähten minimiert effektiv den Skin-Effekt und den Proximity-Effekt, was zu geringeren Verlusten, höherer Effizienz und verbesserter thermischer Performance führt.

Die Auswahl der geeigneten HF-Litze erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der Betriebsfrequenz, des benötigten Querschnitts, des Einzeldrahtdurchmessers, der Verseilungsparameter sowie der Isolations- und Ummantelungseigenschaften. Hersteller wie HEERMANN, Synflex, PACK LitzWire und Elektrisola bieten eine breite Palette an HF-Litzen mit unterschiedlichen Spezifikationen, um den vielfältigen Anforderungen moderner Hochfrequenzanwendungen gerecht zu werden.