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Spulen

Die Spule: der Energiespeicher

Spulen sind, ebenso wie Kondensatoren, Energiespeicher.

Die Spule besteht aus einem gewickelten Leiter. In der Regel wird Kupferdraht um einen Kunststoffkörper gewickelt. Wird der Leiter von einem Strom durchflossen, so bildet sich in der Umgebung ein Magnetfeld. Dieses Feld hat eine Energie. Je mehr Windungen die Spule hat und desto größer ihr Durchmesser, desto größer ist die in der Spule gespeicherte Energie - bei Anliegen eines vorgegebenen Stroms.

Wie wird die speicherbare Energie angegeben?

Die gespeicherte Energie E in der Spule ist abhängig von der Induktivität L der Spule und dem anliegenden Strom I im Quadrat: E = 0,5*L*I². Je höher die Induktivität L ist, desto mehr Energie speichert die Spule bei vorgegebenem Strom. Die Maßeinheit ist Henry oder H, wobei meist nur Tausendstel benötigt werden: Millihenry oder mH.

Was hat das alles mit meinem Lautsprecher zu tun?

Prägt man einer Spule einen Strom ein, so entsteht proportional zum Strom ein Magnetfeld um den Leiter. Um das Magnetfeld aufbauen zu können, wird eine Spannung in der Spule benötigt. Steht nicht genug Spannung zur Verfügung, so baut sich das Magnetfeld nur langsam auf, der Strom durch die Spule steigt ebenso nur langsam. Man kann es auch anders formulieren: Der Strom durch die Spule ist mit einem Magnetfeld verbunden; beide bauen sich langsam auf, wozu eine Spannung an der Spule benötigt wird. Ändert sich die Stromstärke, so nimmt die Spule wieder Energie auf oder gibt sie ab, wozu wieder eine Spannung an der Spule liegt, die verzögernd auf die Stromstärkenänderung wirkt. Wird in Serie (= in Reihe) zur Spule ein Lautsprecher angeschlossen, so wirkt die Spule bei schnellen Spannungsänderungen verzögernd. Für hohe Frequenzen benötigt sie selbst die ganze Spannung um sich umzumagnetisieren - an den Lautsprecher geht nichts mehr.

Wird die Spule parallel zu einem Lautsprecher geschaltet, passiert etwas ganz anderes. Bei schnellen Strom/Spannungsänderungen baut die Spule ihr Magnetfeld um und lässt die Wechselspannung durch. Die Spule wirkt als Filter, der an den parallel geschalteten Lautsprecher hochfrequente Schwingungen durchlässt.

Was ist eine ideale Spule?

Eine ideale Spule zeigt obige Eigenschaften. Sie speichert Energie verbraucht selbst aber keine - sie hat also keine Verluste und produziert auch im Betrieb keine Wärme. In Wirklichkeit ist aber kein elektrisches Bauelement ideal. Der Draht der Spule leitet nicht unendlich gut, weswegen er Energie in Wärme umsetzt. Außerdem gibt es beim Ummagnetisieren der Umgebung Verluste, insbesondere wenn sich elektrisch leitfähige (Wirbelstromverluste) oder magnetisch aktive (Magnetisierungshyterese) Materialien in der Umgebung befinden.

Welche Spulentypen gibt es und welche Eigenschaften haben sie?

Es gibt Luftspulen und Spulen mit magnetischem Kern. Diese wiederum unterscheiden sich in Spulen mit offenem oder geschlossenem Kern um den Drahtwickel. Nachfolgend werden sie in steigender Qualität aufgezählt:

Spulen mit ferromagnetischen Blechen (Eisen) zur Erhöhung des Magnetfeldes können sehr viel kleiner als Luftspulen gebaut werden (bei vorgegebener Induktivität und Gleichstromwiderstand).
Spulen mit ferromagnetischen Stoffen (Ferriten) zur Erhöhung des Magnetfeldes und somit der Induktivität weisen geringere Verzerrungen als Spulen mit Eisen bei kleiner bis mittlerer Aussteuerung auf.
Luftspulen sind optimal, falls Preis und Größe den Einsatz erlauben.
Folien(-Luft)-spulen haben dabei bezüglich Impedanzverlauf das idealste Verhalten und Exemplare von Mundorf weisen mit Abstand das Vibrationsverhalten auf (gem. Messungen in Hobby HiFi 4/2000 weit besser als Backlack oder vakuumgetränkte Spulen)

Wann wird welche Spule eingesetzt?

Nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die typischen Eigenschaften der Spulen:

Spulentyp	typische Verluste (f=1kHz und 20 C)	Größe	Preis	Anwendung PA	Anwendung Standard	Anwendung High-End	Sättigungs- induktion B
Luftspulen davon bezgl. Impedanzverlauf, Vibrationen und Mikrophonieeffekten ganz fantastisch und allen anderen Spulen weit überlegen: die Folienspule von Mundorf	gering	groß	mittel	parallel zu Hochtöner	parallel zu Hochtöner	seriell zu Tieftöner oder parallel zu Hochtöner	-
Spulen mit Eisenwerkstoffen (i-Kern, BS-Spule, Trafospule)	?	klein	gering	seriell zu Tieftöner oder parallel zu Hochtöner	Impedanz- korrektur	-	2,3 Tesla
Spulen mit Ferritwerkstoffen (HQ-Spulen)	?	mittel	mittel	seriell zu Tieftöner oder parallel zu Hochtöner	seriell zu Tieftöner oder parallel zu Hochtöner	Impedanz- korrektur	0,5 Tesla

Es ist insbesondere anzumerken: Falls eine Frequenzweiche für eine hochohmige Spule optimiert ist, so bringt die Benutzung einer niederohmigen Spule oft keine Vorteile, da die Frequenzweiche jetzt neu auf das hochwertige Bauteil abgestimmt werden müßte. Eine neue Abstimmung ist auch beim Tausch von Spulen mit Kern gegen Spulen ohne Kern sinnvoll; hier werden jedoch auch Verzerrungen reduziert, so dass sich diese Maßnahme in der Regel positiv auswirkt.

Welchen Widerstand hat eine ideale Spule?

Der Widerstand einer Spule ist frequenzabhängig. Er lässt sich nicht direkt mit dem normalen Widerstand vergleichen. Für Abschätzungen ist die Berechnung des sogenannten Blindwiderstand hilfreich:
Z = 2 * π * Frequenz * L
mit: L=Induktivität, f=Frequenz, Pi=3,141... (Kreiszahl)

Beispiel:

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für f=100 Hz und L=1mH (m - milli steht für Tausendstel):
Z = 6,28 * 100 Hz * 0,001 H = 0,628 Ohm