- Tauchspule
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Tauchspul-Anordnung, wie sie in elektrodynamischen Lautsprechern, Kopfhörern und Mikrofonen sowie Kalottenhochtönern angewendet wird
Tauchspulen sind in einem stationären Magnetfeld federnd aufgehängte (Magnet-)Spulen, die bei Stromdurchfluss durch die Lorentzkraft ausgelenkt werden. Die englische Bezeichnung voice coil findet sich in manchen Anwendungsbereichen (wie bei Festplattenlaufwerken) auch im deutschsprachigen Raum häufiger als die deutsche.
Verwendung findet die Tauchspule vor allem bei dynamischen Mikrofonen und Kalottenhochtönern. Dadurch unterscheidet sie sich von den Schwingspulen, welche vornehmlich in dynamischen Lautsprechern wie z. B. dem Basslautsprecher Verwendung findet.
Inhaltsverzeichnis
Funktion
Motorprinzip
Die Tauchspule erzeugt bei Stromdurchfluss eine Kraft (Lorentzkraft), die quer zum Draht und zum Magnetfeld gerichtet ist (d. h. längs zur Spule). Die Kraft ist proportional zum Strom. Die Spule induziert ihrerseits bei Bewegung eine Gegenspannung, d. h. eine der treibenden Spannung entgegengesetzte Spannung. Durch Umkehrung der Stromrichtung wechselt der Richtungssinn der Kraft. Deshalb eignen sich solche Systeme u. a. zum Umwandeln von Wechselspannungen in mechanische Schwingungen.
Generatorprinzip
Umgekehrt induziert die Tauchspule bei Bewegung eine Spannung. Der Strom ist der auf die Spule ausgeübten Kraft proportional, die Spannung ist ihrer Geschwindigkeit proportional. Die Spannung wechselt ihre Polarität mit dem Wechsel der Bewegungsrichtung, so dass mechanische Schwingungen in Wechselspannung umgesetzt werden.
Ist die Tauchspule kurzgeschlossen oder an einer niederohmigen Quelle (z. B. ein Audioverstärker), wird sie in ihrer Bewegung gedämpft. Das ist ein Vorteil bei der frequenzlinearen Umsetzung einer Wechselspannung in mechanische Schwingung und ein Grund dafür, dass z. B. Lautsprecherkabel möglichst dick und Ausgangsimpedanzen von Verstärkern für Lautsprecher und auch elektrodynamische Antriebe möglichst gering sein sollten.
Arten der stationären Magnetfelder
Die stationären Magnetfelder können als Dauermagnete oder als Weicheisenkerne mit Erregerspule ausgeführt sein.
Die Erregerspule wird mit Gleichstrom gespeist, wenn ein konstantes Magnetfeld aufgebaut werden soll (z. B. fremderregte Lautsprecher in alten Röhrenradios).
Beim Wattmeter wird die Erregerspule mit dem Strom des Stromkreises gespeist, in dem die Leistung gemessen werden soll, die Drehspule wird über einen Vorwiderstand mit einem der Spannung proportionalen Strom gespeist.Der Kern kann bei einfacheren Ausführungen Stabform haben. In der Regel werden jedoch Topfmagnete verwendet, die dank des kleinen Luftspalts bei gleicher Magnetfeldstärke eine größere magnetische Flussdichte im Spalt erzeugen und so bei gleichem Strom größere Kräfte bzw. bei gleicher Auslenkungsgeschwindigkeit größere Spannungen hervorrufen.
Anwendung
Motorprinzip
Tauchspule (rot) in einem dynamischen Lautsprecher (Konus-Bauform, Schnittdarstellung)
Zum Bild oben gehörige Aufschnitt-AnsichtMit Signalströmen gespeiste Tauchspulen finden hauptsächlich als Schallwandler in elektrodynamischen Lautsprechern und Kopfhörern Verwendung. Aber auch als Schwingungserzeuger für andere Zwecke (z. B. Ultraschall-Reinigungsgeräte, Stellantriebe) werden sie benutzt.
Es werden auch lineare Aktoren gebaut, die nach dem Tauchspulenprinzip angetrieben werden. Der Antrieb ist hier mit einer linearen Führung (z. B. linearen Kugelumlaufführung) verbunden. Dadurch ist es möglich, die durch das Tauchspulenprinzip entstehende Kraft über einen größeren Hubbereich (z. B. 100 mm) zu verwenden. Oft ist zusätzlich eine Wegmessung angebracht, um z. B. mit einem Regler eine genaue Positionierung zu ermöglichen. Da die bewegten Massen relativ klein sind, werden hohe Beschleunigungen und hohe Arbeitsfrequenzen erreicht (z. B. 10 Hz bei einem Hub von 15 mm).
Bei solchen Systemen ist der Strom proportional zur erzeugten Kraft. Man kann daher definierte Kräfte erzeugen. Auch kann man anhand der Stromstärkedifferenz, die benötigt wird, um eine Position gegen eine Federkraft zu halten, sehr kleine Kraftdifferenzen messen. Anwendungen hierfür sind Waagen und – bei Ausführung einer Bewegung der gesamten Anordnung – Prüfgeräte für Federkennlinien (z. B. für Kontakt- und Rückstellfedern).
In Festplattenlaufwerken wird nach diesem Prinzip der Arm mit den Schreib-/Leseköpfen über die Datenspuren geschwenkt.
Generatorprinzip
Durch Auswertung der induzierten Spannung können Schwingungen verschiedener Art gemessen werden. Am weitesten verbreitet ist die Anwendung dieses Systems ebenfalls in der Akustik bei Tauchspulmikrofonen. Aber auch Schwingungen empfindlicher Maschinen können z. B. damit gemessen und überwacht werden.
Messwerke
Drehspul-Messwerke arbeiten ebenfalls nach dem elektrodynamischen Prinzip. Bekannt sind auch Tauchspul-Messwerke, bei denen die Spule – an einem Zeiger befestigt – auf einem Bügel läuft, der einen der beiden Magnetpole bildet. Diese Instrumente erlauben einen größeren Ausschlagwinkel als Drehspulinstrumente und werden z. B. in Armaturenbrettern und Cockpits eingesetzt.
Dreheisen-Messwerke haben demgegenüber eine stationäre Spule und einen beweglichen, keilförmigen Weicheisenkern, der nur zum Teil in die Spule ragt. Sie arbeiten nicht nach dem elektrodynamischen Prinzip – sie arbeiten ohne Dauermagnetfeld.
Aufgrund der strengen Proportionalität zwischen Strom und Kraft können Tauchspulen zur Kraftmessung und in Waagen angewendet werden. Dabei wird die Auslenkung gemessen und über eine Regelschleife durch Ändern des Stromes auf null gehalten (Kompensationsprinzip).
Ansprechverhalten
Der übertragbare Frequenzbereich reicht je nach Bauart vom Infraschall- bis weit in den Ultraschallbereich hinein. Nach oben wird er durch die Masse der Tauchspule begrenzt. So können z. B. die schweren Spulen von großen Tiefton-Lautsprechern nur bis in den unteren Kilohertz-Bereich der Frequenz des angelegten Stromes folgen. Höhere Frequenzen werden wegen der Massenträgheit nicht übertragen. Deshalb teilt man das Frequenzspektrum von hochwertigen Schallübertragungsanlagen auf mehrere Lautsprecher unterschiedlicher Bauart auf (Mehrwegeboxen oder separate Boxen, Subwoofer).
Siehe auch
Weblinks
Hersteller von Tauchspulenantrieben:
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