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[Spule]
Luftspulen
Eine Spule ist prinzipiell nichts anderes als aufgewickelter Draht. Ein Wickelkörper, meist aus Kunststoff, wird dabei nur aus wickeltechnischen Gründen notwendig. Spulen, die so aufgebaut sind, werden als Luftspulen bezeichnet. Die Wirkungsweise der Spule beruht darauf, daß ein vom elektrischen Strom durchflossener Leiter ein magnetisches Feld erzeugt. Wird der Leiter aufgewickelt, gelangt man über die Leiterschleife zur Spule (Abb.1.12).
Im Innern der Zylinderspule findet sich ein weitgehend homogenes Magnetfeld B (T) (Einheit Tesla), das bei der angegebenen Stromflußrichtung in Pfeilrichtung verläuft (Abb.1.1). Bei Umkehrung der Stromrichtung kehrt sich auch die Richtung des magnetischen Feldes um.
Eine Umkehrung, bzw. ständige Änderung des Stromes, wie sie bei Musiksignalen auftritt, zieht eine ständige Änderung des Magnetfeldes nach. Hier zeigt die Spule ein interessantes Verhalten: Ein sich änderndes Magnetfeld (Flußdichteänderung) ruft in den eigenen Windungen der Spule eine Induktionsspannung hervor, die verzögernd auf die sie erzeugende Stromstärkeänderung wirkt.
Je schneller die Änderung der Stromrichtung erfolgt (hohe Frequenzen), um so stärker ist dieser Effekt ausgeprägt. Die Spule wirkt dann wie ein Widerstand. Dieser Wechselstromwiderstand einer Spule wird auch als induktiver Widerstand bezeichnet.
Die elektrische Größe, die die Spulenwirkung beschreibt, ist die Induktivität L (Maßeinheit Henry). Neben dem induktiven Widerstand besitzt die Spule einen weiteren Widerstand (Gleichstromwiderstand oder DC-Widerstand), der aus der begrenzten Leitfähigkeit des aufgewickelten Drahtes resultiert. Eine Luftspule läßt sich im Audio-Frequenzbereich weitgehend durch die Induktivität L und den Gleichstromwiderstand Ro beschreiben.
Kernspulen
Bringt man ein magnetisches Material in das Magnetfeld einer Spule, ändert sich die magnetische Flußdichte (B). Unter Einfluß des magnetischen Feldes orientieren sich die im Stoff vorhandenen „magnetischen Dipole“ in Feldrichtung und erhöhen die magnetische Flußdichte und damit auch die Induktivität der Spule. Der Zuwachs an Induktivität hängt sowohl vom verwendeten Kernmaterial, wie auch von der Kernbauform ab.
-Kernmaterialien
Als Kernmaterialien werden vorzugsweise ferromagnetische Stoffe (z.B.Eisen) oder ferrimagnetische Stoffe (Ferrite) eingesetzt.
-Ferromagnetische Materialien
Zur Gruppe der ferromagnetischen Materialien gehören alle Eisenwerkstoffe. Die Spulenkerne bestehen meist aus formgepresstem, gesintertem Eisenpulver mit isolierendem Bindemittel oder aus geschichteten, isolierten Eisenblechen, wie sie auch im Transformatorenbau Verwendung finden. (Die Isolierung vermindert Wirbelstromverluste, die bei Ummagnetisierungsvorgängen auftreten).
-Ferrimagnetische Materialien
Weichmagnetische Ferrite (wie auch die sog. hartmagnetischen Ferrite, die z.B.für Permanentmagnete eingesetzt werden) gehören zur Werkstoffgruppe der Oxidkeramiken. Als Oxidkeramik besteht ein Ferrit überwiegend aus Sauerstoff. Die elektrische Leitfähigkeit ist sehr gering.
Ferrite entstehen aus einem formgepressten Pulver. Die Rohteile werden später in einem Ofen gebrannt (Sintern), wodurch sie endgültige Größe und Eigenschaften erhalten.
-Magnetische Eigenschaften
Eine Forderung an ein Kernmaterial besteht in einer leichten Ummagnetisierbarkeit, d.h. ohne große Energieverluste, da es für Wechselstromanwendungen (Tonfrequenz) benutzt werden soll. Eine zweite Forderung ist eine lineare Magnetisierungskennlinie. Das heißt, die induktivitätserhöhende Wirkung des Materials soll auch bei zunehmendem Strom bis zum Sättigungsbereich konstant bleiben. Ist dies nicht der Fall, sind nichtlineare Verzerrungen die Folge. Bei noch höherem Strom wird ein Sättigungszustand des Kernmaterials errreicht. Dieser tritt ein, wenn keine weiteren magnetischen Dipole in Feldrichtung orientiert werden können.
-Unterschiede Ferrit-Eisenwerkstoff
Die Sättigungsinduktion (Sättigungsflußdichte) erreicht bei den Ferriten Werte um 0.5 Tesla, gegenüber etwa 2.3 Tesla der Metalle. Die Curietemperatur, das ist die Temperatur bei der der Magnetwerkstoff seine magnetischen Eigenschaften verliert, liegt bei den Ferriten um höchstens 500°C, bei den Metallen bei bis zu 900°C. Der spezifische elektrische Widerstand kann bei Ferriten um bis zu 1012 höher sein, was Wirbelstromverluste klein hält.
-Ferrite und Eisenwekrstoffe in Audio Anwendungen
Jede Nichtlinearität der Magnetisierungskurve eines Kernmaterials führt zu Verzerrungen. Es gibt hier zwei Bereiche, die getrennt zu betrachten sind. Zum Einen den Aussteuerbereich, der bei kleinen und mittleren Strömen relevant ist, zum Anderen der Sättigungsbereich, der bei großen Strömen beachtet werden muß (siehe Abb.1.2).
Vergleicht man Ferrite und Eisenmaterialien hinsichtlich der Linearität der Magnetisierungskurve (Abb.1.3), kann man folgendes feststellen: Hochwertige Mangan Zink Ferrite (z.B. I.T. HQ-Typen) besitzen die linearere Kennlinie im Aussteuerbereich, was sich im guten Verzerrungsverhalten bei kleinen und mittleren Leistungen niederschlägt. Eisenwerkstoffe weisen im breiteren Aussteuerbereich (höhere Sättigungsinduktion) etwa größere Unlinearitäten auf, was bei kleinen Leistungen im Vergleich zu den Ferriten ein etwas erhöhtes Maß an Verzerrungen bedeutet. Die Vorteile der Eisenwerkstoffe liegen eindeutig bei der Verarbeitung hoher und sehr hoher Leistungen. (I.T.Spulen mit Kernen aus Eisenwerkstoffen sind die Trafokernspulen FE96 u. FE130, die COROBAR-Spulen und die TOROBAR Ringkernspulen).
-Kernbauformen
Neben der Werkstoffeigenschaft spielt die Kernbauform eine entscheidende Rolle für das Verhalten einer Drosselspule. Die Kennlinie einer Spule läßt sich durch die Kernbauform in weiten Grenzen einstellen. In der rechten Spalte finden Sie die im Audiobereich üblichen Kernbauformen mit den typischen Daten.
Es ist zu erkennen, daß die Induktivität einer Spule bei gegebener Windungszahl um so größer ist, je weiter der Kern die Wicklung umschließt. Hieraus folgt umgekehrt natürlich, daß z.B. die Glockenkernspule, bei gegebener Induktivität, den geringsten Gleichstromwiderstand aufweist.
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