Schwingspule

Was ist die Schwingspule eines Lautsprechers und welche Aufgabe hat sie?

Die Schwingspule ist ein Wickel aus Lackdraht auf einem rohrförmigen Träger, der im ringförmigen Luftspalt des Magnetsystems steht — dem Magnetspalt. Fließt Strom durch den Draht, drückt ihn das Magnetfeld aus dem Spalt heraus oder zieht ihn hinein, und weil Membran und Zentrierspinne am selben Träger sitzen, bewegt sich die Membran mit. Sie ist damit das Bauteil, an dem aus einem elektrischen Signal eine Bewegung wird.

Der Antrieb eines Lautsprechers ist ein kleiner Motor, und die Schwingspule ist sein bewegliches Teil: ein Röhrchen mit aufgewickeltem Draht, das in einem Magneten steckt. Der Verstärker schickt Strom hindurch, und je nach Richtung des Stroms wandert das Röhrchen vor oder zurück. Weil es an der großen runden Fläche vorn festklebt, schiebt es diese mit und die Fläche macht daraus Schall. Zwei Dinge folgen daraus für Dich: Der Draht wird dabei warm, weil weit mehr als neunzig Prozent dessen, was der Verstärker liefert, als Wärme endet und nur ein Bruchteil als Musik. Und wenn ein Lautsprecher überlastet wird, gibt fast immer dieses Röhrchen zuerst auf.

Ausführliche Erklärung

Das Prinzip stammt aus den zwanziger Jahren: Chester W. Rice und Edward W. Kellogg veröffentlichten 1925 bei General Electric die Bauform, die den Lautsprecher bis heute bestimmt — eine bewegliche Spule im Feld eines Magneten, die eine leichte Membran antreibt. Die Kraftwirkung dahinter ist die auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld, beschrieben vom niederländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz in Leiden gegen Ende des 19. Jahrhunderts.

Gewickelt wird Kupfer- oder Aluminiumlackdraht, rund oder als Flachdraht, in einer oder mehreren Lagen. Der Träger besteht je nach Anspruch aus Papier, Glasgewebe, Polyimid oder Aluminium. Diese Wahl ist keine Kleinigkeit: Aluminium leitet die Wärme aus der Wicklung ab, wirkt im Wechselfeld aber wie eine kurzgeschlossene Windung und wird deshalb meist geschlitzt. Flachdraht füllt den Spalt dichter als runder Draht, sodass bei gleichem Bauraum mehr Kupfer im Feld liegt.

Wie aus Strom eine Kraft wird

Die Kraft auf die Spule wächst mit dem Strom, mit der magnetischen Flussdichte im Spalt und mit der Länge des Drahtes, der tatsächlich im Feld liegt. Die beiden letzten Größen werden zum Kraftfaktor Bl zusammengefasst, angegeben in Tesla mal Meter oder gleichwertig in Newton je Ampere. Bl ist die Zahl, die sagt, wie viel Antrieb ein Ampere erzeugt, und sie steht als eine der Eingangsgrößen in den Thiele-Small-Parametern.

Der Zusammenhang gilt in beide Richtungen. Bewegt sich die Spule, wirkt sie als Generator und erzeugt eine Spannung, die der Bewegung entgegensteht. An dieser Gegenspannung setzt die elektrische Bedämpfung an: Ein Verstärker mit niedrigem Innenwiderstand schließt die Wicklung beinahe kurz und bremst die Membran damit ab. Dieselbe Spannung erklärt auch den Impedanzberg, den jedes Chassis um seine Eigenresonanz herum zeigt: Dort bewegt sich die Membran am weitesten, also ist die Gegenspannung am größten und der aufgenommene Strom am kleinsten. Wie sich das im Verlauf der Impedanz niederschlägt und warum die Nennimpedanz nur ein grober Ordnungswert ist, führt der zugehörige Eintrag aus.

Elektrisch ist die Spule damit zweierlei zugleich: ein Gleichstromwiderstand Re von einigen Ohm, der unter der Nennimpedanz liegt, und eine Induktivität Le, die den Strom zu hohen Frequenzen hin zurückdrängt. Diese Induktivität ist keine feste Zahl — sie hängt vom Eisen ringsum und von der Stellung der Spule im Spalt ab, was den Eintrag zu Wirbelströmen und Hysterese füllt.

Der Ort, an dem die Wärme entsteht

Ein dynamischer Lautsprecher setzt nur einen kleinen Bruchteil der elektrischen Leistung in Schall um; der Rest wird im Widerstand der Wicklung zu Wärme. Welche Größenordnung dieser Bruchteil hat, steht beim Wirkungsgrad — für die Spule zählt die Kehrseite: Sie ist im Betrieb das heißeste Bauteil des Chassis, und ihre Temperatur begrenzt, was ein Lautsprecher aushält.

Abgeführt wird die Wärme über drei Wege. Sie wandert durch den Träger und die angrenzenden Klebestellen ins Metall des Magnetsystems, sie wird durch die Luftbewegung im Spalt fortgeschafft, und bei einem Teil der Chassis übernimmt ein Ferrofluid die Übergabe ans Eisen — eine magnetische Flüssigkeit, die das Feld im Spalt festhält und den Luftraum zwischen Wicklung und Polplatte wärmeleitend überbrückt. Reichen diese Wege nicht aus, passiert zweierlei nacheinander: Zuerst steigt der Widerstand der warmen Wicklung, wodurch bei gleicher Verstärkerspannung weniger Strom fließt und der Pegel absackt — das beschreibt die Leistungskompression. Erst danach kommt die Zerstörung, entweder als durchgebrannter Draht oder als gelöste Verklebung zwischen Wicklung und Träger; wo diese Grenze liegt und warum ein zu kleiner Verstärker gefährlicher ist als ein zu großer, klärt die Belastbarkeit.

Über- und unterhängend

Die Flussdichte ist nur im Spalt selbst hoch und fällt daneben rasch ab. Wie viel Draht während einer Auslenkung im starken Feld bleibt, entscheidet deshalb die Konstruktion, und dafür gibt es zwei gegenläufige Wege.

Bei der überhängenden Wicklung ist die Spule länger als der Spalt. Bewegt sie sich, rutscht am einen Ende Draht heraus und am anderen nach — die im Feld liegende Länge bleibt über einen weiten Weg gleich, und mit ihr der Kraftfaktor. Der Preis: Der Teil außerhalb des Spalts erzeugt keine Kraft, bringt aber Widerstand und Masse mit. Langhubige Tieftöner und Subwoofer-Chassis sind fast durchweg so aufgebaut.

Bei der unterhängenden Wicklung ist die Spule kürzer als der Spalt. Jede Windung liegt im Feld und leistet Arbeit, was den Wirkungsgrad hebt; dafür braucht es eine dicke Polplatte und damit ein größeres, teureres Magnetsystem, und der Weg, auf dem der Kraftfaktor gleich bleibt, ist kürzer. Diese Bauart findet sich an Mitteltönern, Kalottenhochtönern und an Chassis, die auf hohen Wirkungsgrad ausgelegt sind.

Beide Wege begrenzen dieselbe Größe — den Bereich, in dem der Kraftfaktor über der Auslenkung konstant bleibt. Jenseits davon nimmt er ab, und das Chassis verzerrt, weil die gleiche Stromstärke am Bewegungsende weniger Kraft erzeugt als in der Mitte. Als Bauform kommt schließlich die Doppelschwingspule hinzu: zwei elektrisch getrennte Wicklungen auf einem Träger, verbreitet an Subwoofer-Chassis, weil sich das Chassis damit wahlweise in Reihe oder parallel verschalten lässt.

Häufiges Missverständnis

„Der Magnet ist riesig, also hat das Chassis einen starken Antrieb." Diese Rechnung überspringt zwei Schritte. Der Kraftfaktor entsteht aus der Flussdichte im Spalt, und die hängt an der Spaltgeometrie, an der Dicke der Polplatte und am Werkstoff mindestens so stark wie an der Masse des Magneten; ein Ferritmagnet fällt bei gleicher Wirkung erheblich größer aus als einer aus Neodym. Der zweite übersprungene Schritt ist der Wirkungsgrad. Er hängt nicht am Kraftfaktor allein, sondern am Verhältnis von dessen Quadrat zu Widerstand und bewegter Masse. Mehr Windungen erhöhen zwar Bl, gleichzeitig aber Widerstand und Masse — und heben den Wirkungsgrad deshalb nicht zwangsläufig. Aus dem Anblick eines Magneten lässt sich die Güte eines Chassis also nicht ablesen.

Ebenso hartnäckig hält sich die Erwartung, eine Doppelschwingspule verdopple, was ein Chassis leisten kann. Beide Wicklungen sitzen in demselben Spalt und geben ihre Wärme an denselben Weg ab; die thermische Grenze bleibt die des einen Chassis. Parallel verschaltet halbieren sie die Impedanz und fordern damit den Verstärker stärker, ohne dass der Lautsprecher mehr verkraftet. Ihr Zweck ist die Freiheit bei der Verschaltung — etwa, um mehrere Chassis an einer Endstufe auf eine Impedanz zu bringen, mit der diese sauber arbeitet.

Nicht zu verwechseln mit

Spule in der Frequenzweiche: ebenfalls ein Drahtwickel, aber fest montiert und im Signalweg. Sie filtert und bewegt sich nicht.
Übertrager: koppelt zwei Wicklungen magnetisch, um Spannung und Strom zu wandeln. Auch hier bewegt sich nichts; bei Bändchen- und Elektrostatenwandlern sitzt ein solcher Übertrager vor dem eigentlichen Wandler.
Belastbarkeit: die Angabe, wie viel Leistung ein Lautsprecher aushält. Sie beschreibt eine Grenze der Schwingspule, ist aber kein Bauteil und keine Aussage zur erreichbaren Lautstärke.
Nennimpedanz: ein gerundeter Ordnungswert für die Last am Verstärker. Der Gleichstromwiderstand der Wicklung liegt darunter, und der tatsächliche Verlauf über der Frequenz sieht anders aus als beide.

In der Planung

In einem fertig gebauten Haus fällt ein Deckenlautsprecher aus einer Reihe von acht gleichen aus; die Wicklung hat den Betrieb bei einer Feier nicht überstanden. Die naheliegende Frage lautet, welches Chassis jetzt hineinkommt.

Vorher steht eine andere: Was soll wiederhergestellt werden? Ein funktionierender Lautsprecher — oder ein Lautsprecher, der zu den sieben anderen passt? In einer Multiroom-Zone mit acht gleichen Geräten an einem Verstärkerkanal ist die Gleichheit das eigentliche Kriterium, denn jede Abweichung in Empfindlichkeit und Klangfarbe fällt beim Gang durch den Raum auf.

Aus dieser Antwort folgt der Weg. Das identische Ersatzchassis vom Hersteller hält Kraftfaktor, Widerstand und Abstimmung, sofern es die Serie noch gibt. Eine neu gewickelte Spule verändert beides fast zwangsläufig ein wenig und verschiebt damit die Empfindlichkeit. Ein Fremdchassis mag mechanisch in den Ausschnitt passen, arbeitet aber mit anderem Rückvolumen und anderer Weiche und ist in einer Reihe gleicher Geräte praktisch nie die richtige Wahl. Eine Raumkorrektur gleicht den Pegel an und am Messpunkt einen Teil des Frequenzgangs; das Abstrahlverhalten eines fremden Chassis ändert sie nicht, und damit bleibt der Unterschied hörbar, sobald jemand durch den Raum geht.

Die Gerätefrage kommt zum Schluss, und sie lautet dann meist nur noch, ob die Serie überhaupt lieferbar ist — und falls nicht, ob die Zone lieber vollständig getauscht wird, statt sieben alte Geräte mit einem neuen Modell zu mischen.

Verknüpfte Inhalte

Was die Spule mechanisch in ihrer Bahn hält, erklären die Zentrierspinne und die Sicke. Wo die thermische Grenze liegt, steht bei der Belastbarkeit; was auf dem Weg dorthin an Pegel verloren geht, bei der Leistungskompression. Warum die Induktivität der Wicklung keine feste Größe ist, führt der Eintrag zu Wirbelströmen und Hysterese aus; wie sich die Last über der Frequenz verhält, die Impedanz. Der Kraftfaktor als Kenngröße steht bei den Thiele-Small-Parametern.

Quellen

Aufbau der Wicklung, die Kraftwirkung im Luftspalt, der Kraftfaktor als Produkt aus Flussdichte und wirksamer Drahtlänge sowie die Gegenspannung der bewegten Spule folgen der elektroakustischen Standardliteratur. Die Bauform mit bewegter Spule geht auf die Arbeit von Rice und Kellogg bei General Electric aus dem Jahr 1925 zurück. Gleichstromwiderstand und Belastbarkeitsangaben sind als Kennwerte in IEC 60268-5 beschrieben, die Belastbarkeitsprüfung zusätzlich in AES2.