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Grundlagen der HiFi-Technik III

Auch hier gilt, daß diese Beschreibungen nur wenige Jahre "das Maß der Dinge" waren. Die Miniaturisierung hatte ganz andere Prioritäten gesetzt und führte manche dieser Ausssagen "ad absurdum". Durch den wesentlich geringeren Platzbedarf und den geringeren Stromverbrauch ergaben sich gewaltige Veränderungen. Der Inhalt des Kompendiums steht hier.

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Die elektronischen Bauelemente in HiFi-Geräten (2)

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Spulen - die magnetischen Alleskönner

Jeden stromdurchflossenen Leiter umgibt ein Magnetfeld, das vom Strom erzeugt wird. Die Auswirkungen dieses Feldes sind jedoch bei normalen Kabeln, die elektrische Energie von einer Quelle zum Verbraucher transportieren, sehr schwach. Nur Meßtechniker können sie nachweisen. So wirkt sich zum Beispiel im Fall eines - nicht allzu langen - Verbindungskabels zwischen Leistungsverstärker und Lautsprecher vorwiegend dessen Ohmscher Widerstand aus. Einflüsse des magnetischen Feldes, das die Leitung umgibt, bemerkt jedoch bei Kabellängen unter fünf Metern auch der geschulte Hörer nicht.

Aufgewickelte Leitungen

Ganz andere Verhältnisse ergeben sich, wenn die Leitung nicht mehr geradlinig verläuft, sondern spulenartig aufgewickelt ist. Nach wie vor umgibt das Kabel ein Magnetfeld, sobald Strom fließt. Die Magnetfelder der eng benachbarten Einzelwindungen addieren sich zu einem eng konzentrierten, wesentlich stärkeren Feld. In der HiFi-Technik und auf anderen Gebieten der Elektrotechnik nutzt man die verschiedenen Wirkungen derartiger Magnetfelder aus.

Wozu ein Spule ?

Ein Dauermagnet, den man als Hufeisenmagnet in jedem Haushaltwarengeschäft kaufen kann (damals konnte !!), zieht eiserne und stählerne Gegenstände an. Auch das von einer Spule erzeugte Magnetfeld hat diese Fähigkeit. Die Kraft, die eine Spule auf eiserne Gegenstände ausüben kann, hängt von ihrer Windungszahl und dem in ihr fließenden Strom ab. Je größer die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit - also beispielsweise 20 Windungen pro Zentimeter Spulenlänge - und je größer der Strom, desto stärker ist das (elektromagnetische) Magnetfeld, und um so kräftiger zieht die Spule Eisen- und Stahlmaterialien an.

Beispiel : Relais

Die Leistungsschalter der Elektrotechnik - nutzen dieses Prinzip aus. Ihre Aufgabe besteht darin, von einem kleinen Steuerstrom beeinflußt, über Kontakte wesentlich größere Ströme ein- und auszuschalten.

Im Inneren eines Relais befindet sich die Spule mit sehr vielen Windungen. Sobald ein Strom von genügender Stärke hindurchfließt, zieht sie ein federnd gelagertes Eisenplättchen - den Anker - an. Der Anker bewegt sich auf die Spule zu und betätigt dabei über ein Hebelsystem (elektrische) Kontakte. Die bei angezogenem Anker geschlossenen Kontakte stellen dann eine elektrische Verbindung her, über die Strom fließen kann. Sobald der die Spule durchfließende Strom unterbrochen wird, verschwindet auch ihr Magnetfeld. Eine Feder zieht den Anker wieder in seine Ruhelage zurück.

Oft benutzen Leistungsendstufen solche Relais zum Unterbrechen oder Herstellen der Verbindung zwischen Verstärkerausgang und den Lautsprecherklemmen. So kann die Schutzschaltung im Verstärkerinneren die Lautsprecher bei Gefahr - über das Relais ferngesteuert - abschalten. Auch wenn es dem Verstärker einmal zu heiß werden sollte, greift die Schutzschaltung ein und schützt die wertvolle Elektronik durch Abschalten der Lautsprecher vor Überlastung.

Der in der Leitung fließende Strom I verursacht ein Magnetfeld, das die Leitung mantelförmig umgibt. Die Pfeile symbolisieren die Richtung, in der die gedachten Feldlinien verlaufen, wenn der Strom die Leitung in Pfeilrichtung durchfließt. Das Magnetfeld ist bei Strömen im Amperebereich, wie sie in Lautsprecherleitungen fließen, so schwach, daß es sich nur in der allernächsten Umgebung der Leitung nachweisen läßt.

Lautsprecher - die Schallwandler der HiFi-Technik

Die Erde ist von einem natürlichen Magnetfeld umgeben, das dieselbe Wirkung hat wie das von einer Spule erzeugte elektrische Magnetfed. Man stellt sich dieses Magnetfeld als eine Schar von Linien vor, welche die Pole verbinden. Die Physiker definieren diese Feldlinien als vom Nordpol zum Südpol verlaufend. In Anlehnung an die Geographie nennen sich deshalb die Pole von Dauermagneten Nordpol und Südpol.

Bringt man die Nordpole zweier Dauermagneten zusammen, so stoßen sie sich ab. Je näher sie sich kommen, desto größer ist die abstoßende Kraft. Gleiches gilt für den Fall, daß man die Südpole einander nähert. Kommen sich jedoch unterschiedliche Pole nahe, so ziehen sie sich um so heftiger an, je geringer die Entfernung zwischen ihnen ist.

Die anziehende und abstoßende Wirkung nutzt der Lautsprecher für seine Funktion aus. Im Magnetfeld eines starken Dauermagneten befindet sich eine bewegliche Spule. Sobald sie ein Strom durchfließt, bildet sich das Magnetfeld der Spule aus. Es besitzt genau wie das von Dauermagneten erzeugte eine bestimmte Polung. Diese Polung hängt von der Stromrichtung durch die Spule ab.

Der Dauermagnet und die Spule

Das Feld des Dauermagneten und das der Spule verursachen eine Kraft, die je nach Polung Magnet und Spule einander abstoßen oder sich anziehen läßt. Bei feststehendem Magnet kann die Spule dadurch Bewegungen ausführen, Richtung und Auslenkung werden durch die Polarität und Stärke des sie durchfließenden Stromes bestimmt.

Im Fall des Lautsprechers fließt der vom Verstärker gelieferte Wechselstrom durch die Schwingspule. Ihre Bewegung überträgt sich auf die Membrane. Dieses Prinzip der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische (hier Schallenergie) über ein Magnetfeld nennt sich motorisches Prinzip (lat. movere = bewegen).

Motoren - Hilfsarbeiter der HiFi-Technik

Alle Elektromotoren, die Wickelteller und Tonwelle des Cassettenrecorders antreiben, die automatisch das Discfach eines CD-Spielers öffnen oder die den Teller der Plattenspieler in Schwung setzen, arbeiten so: Die stromdurchflossene Spule - Anker - ist drehbar gelagert. Das Feld mehrerer feststehender Dauermagnete wirkt auf das von der Spule erzeugte Feld abstoßend.

Sie versucht nun, durch Drehung ihr Feld nach dem der Magneten auszurichten. Bevor die ungleichnamigen Pole sich jedoch genau gegenüberstehen, polt ein mit dem Anker starr verbundener Stromwender - Kollektor - die Stromrichtung in der Spule um, und das Spielchen findet von neuem statt. Auf diese Art dreht sich der Anker fortwährend, und das Motörchen ist in der Lage, mechanische Arbeit zu verrichten.

Ganz ähnlich wie der Elektromotor funktionieren auch die Drehspulinstrumente, die an vielen Cassettenrecordern als Aussteuerungsanzeigen dienen. Auch hier dreht sich eine bewegliche Spule unter dem Einfluß von Magnetfeldern und bringt die Zeiger in die Position, die der Spannung an den Spulenenden entspricht.

Mikrophone - die Onren der HiFi-Anlage

Auch die Umkehrung des motorischen Prinzips ist möglich: Bewegt eine von außen einwirkende Kraft die Spule im Feld des Dauermagneten hin und her, so ruft dies eine elektrische Spannung an den Spulenenden hervor. Die Bewegungsrichtung bestimmt hierbei die Polarität der induzierten Spannung (lat. inducere = hineinführen, im übertragenen Sinne auch bewirken). Schnelligkeit (Frequenz) und Stärke (Amplitude) der Bewegung beeinflussen den Spannungswert.

Das Generatorprinzip

Das Ganze nennt sich generatorisches (lat: generi = erzeugen) Prinzip. Nach ihm arbeiten Tauchspulmikrophone. Sie sind prinzipiell gleich aufgebaut wie ein feiner leichter Lautsprecher: Die Spule, die an einer Membrane befestigt ist, bewegt sich im Magnetfeld eines Dauermagneten. Die Schwingungen der Luftteilchen übertragen sich auf die sehr leichte Membrane und bewegen mit dieser wiederum die Spule. Die Ausgangsspannung an den Spulenanschlüssen entspricht dann exakt dem aufs Mikrophon einwirkenden Schalldruck.

Auch beim Moving Coil Tonabnehmer

Auch die in der Rille von Analogplatten gespeicherte Schallinformation wandelt ein mittels Spule und Magnetfeld arbeitender Generator in elektrische Signale um: Das Kürzel MC - Moving Coil - ist nichts weiter als die Beschreibung des Arbeitsprinzips. Genauso wie beim Mikrophon bewegt sich beim MC-Tonabnehmer eine Spule im Feld eines Dauermagneten hin und her. Der Antrieb erfolgt über die Tonabnehmernadel, an deren Ende der Diamant den Auslenkungen der Schallplattenrille folgt. Beim Prinzip Moving Magnet (MM) steht die Spule fest, und der Magnet bewegt sich.

Transformatoren - die universellen Spannungswandler

Die Spannungserzeugende Wirkung beim generatorischen Prinzip beruht nur indirekt darauf, daß sich eine Spule im Magnetfeld bewegt. Eigentliche Ursache für die entstehende Spannung ist die Tatsache, daß sich infolge dieser Bewegung das auf die Spule einwirkende Magnetfeld ändert. Eine solche Änderung tritt aber auch ein, wenn statt des Dauermagneten, der beim Mikrophon das Magnetfeld erzeugt, eine Spule zum Einsatz kommt.

Fließt über diese Spule Wechselstrom, so ändert sich ihr Magnetfeld periodisch mit der Frequenz dieses Stromes.

Primärspule, Kern und Sekundärspule

An den Enden einer zweiten in diesem wechselnden Magnetfeld liegenden Spule entsteht dadurch eine Spannung (Induktion). Damit möglichst das ganze Feld der stromdurchflossenen Spule - der Primärspule - auch die andere Spule erreicht - die Sekundärspule - leitet ein „Kern" die Feldlinien dorthin.

Der Kern besteht aus magnetisierbarem (ferromagnetischem) Material - meist Eisen -, das einen Ring bildet. Darauf sind Primär- und Sekundärspule gewickelt. Ähnlich wie bei elektrisch leitfähigen Materialien gibt es Stoffe, die das magnetische Feld gut leiten, und solche, die ihm einen hohen Widerstand entgegensetzen. Da Eisen das magnetische Feld gut leitet, verlaufen nahezu alle Feldlinien im Kern und nur wenige durch die magnetisch wesentlich schlechter leitende Umgebungsluft.

Unterschiedliche Windungszahlen

Die sekundär abgegebene Spannung hängt vom Verhältnis der Windungszahlen von Primär- und Sekundärwicklung ab. Das Verhältnis der an der Primärspule liegenden Spannung zur von der Sekundärspule abgegebenen Spannung heißt Spannungsübersetzung.

Entnimmt ein angeschlossener Widerstand aus der Sekundärwicklung Strom, so entzieht dies dem von der Primärwicklung erzeugten Magnetfeld Energie. Die liefert der durch die Primärwicklung fließende Strom nach.

Es geht fast nichts an Energie verloren

Weil ein Trafo selbst keine Energie erzeugen kann, muß die Energie, die er primär aufnimmt, bis auf die Verluste gleich sein der Energie, die er sekundär abgibt. Da sich die Spannungen verhalten wie die Windungszahlen von Primär- und Sekundärwicklung, müssen sich die Ströme umgekehrt verhalten, da Strom mal Spannung der Energie proportional ist.

Ein kleiner Strom durch die sehr vielen Windungen der Primärwicklung reicht aus, um in den wenigen Windungen der Sekundärwicklung einen großen Strom fließen zu lassen. Dafür ist aber die Spannung an der Primärwicklung wesentlich größer als die Sekundärspannung.

Diese Verhältnisse treffen praktisch auf alle Netztransformatoren zu, die Verstärker, Tuner und die anderen HiFi-Komponenten mit Spannung aus dem Netz versorgen. Hier wird immer die hohe Netzspannung von (Anmerkung: ehemals) 220 Volt durch den Trafo heruntertransformiert auf wesentlich geringere Spannungen, die anschließend als Betriebsspannungen der elektronischen Schaltungen in den Geräten dienen.

Fachlich korrekt sind es Übertrager

Mehr über diese Bezeichnungen steht auf diesen Seiten.

Die in der HiFi-Technik zur Anpassung verwendeten Transformatoren nennt man Übertrager. Sie saßen in den Röhrenverstärkern, in denen die hohe Ausgangsspannung der hochohmigen Endstufe heruntertransformiert und gleichzeitig der geringe Strom erhöht werden mußte, um den angeschlossenen niederohmigen Lautsprecher anzusteuern.

Übertrager besorgen auch die Anpassung zwischen MC-Tonabnehmer und dem MM-Eingang eines Vorverstärkers. Sie übersetzen die geringe vom MC-Tonabnehmer abgegebene Spannung in größere Spannungswerte, die der MM-Eingang benötigt.

Spulen als Wechselstromwiderstand

Eine Magnetfeldänderung induziert Spannung in einer Spule. Der Trafo nutzt diesen Effekt aus, um die an der Primärspule liegende Wechselspannung mit einem bestimmten Übertragungsfaktor zur Sekundärspule zu transformieren. Der Effekt funktioniert aber auch ohne Sekundärspule: Das sich ändernde Magnetfeld einer einzelnen Spule induziert in ihr selbst Spannung. Diese Induktionsspannung wirkt der an den Spulenanschlüssen anliegenden Spannung entgegen, so daß es von außen scheint, als ob sich der Widerstand der Spule erhöhen würde.

Legt man eine Gleichspannung an die Spulenanschlüsse an, dann fließt - nach einer für die Spulen typischen „Einlaufzeit" - ein konstanter Strom durch die Spule. Ihr Magnetfeld bleibt dann ebenfalls konstant. Es tritt keine Induktionsspannung auf, und der Widerstand der Spule nimmt sehr kleine Werte an.

Im Fall einer Wechselspannung ändert sich das Magnetfeld der Spule periodisch mit der Frequenz dieser Spannung. Die Schnelligkeit dieser Änderung nimmt zu, wenn sich die Frequenz erhöht und damit die Induktionsspannung in der Spule. Das wirkt sich aus wie eine Vergrößerung ihres Widerstandes mit steigender Frequenz. Spulen wirken damit genau umgekehrt wie Kondensatoren, deren Wechselstrom-Widerstand mit steigender Frequenz sinkt.

Die Induktivität

Die Fähigkeit einer Spule, in sich selbst Spannung zu induzieren, heißt Induktivität. In Formeln verwendet man hierfür das Kürzel L. Die Maßeinheit für den Wert der Induktivität nennt sich nach dem amerikanischen Naturforscher Henry - abgekürzt H. Eine Spule hat die Induktivität 1 H, wenn bei einer gleichmäßigen Stromänderung von 1 Ampere pro Sekunde eine Spannung von 1 Volt in ihr induziert wird.

Daher lautet die Einheit H ausgeschrieben:

Formel

Die Induktivität einer Spule vergrößert sich mit dem Quadrat der Windungszahl. Außerdem hängt sie davon ab, ob das Magnetfeld sich in einem magnetisch schlecht leitenden Material ausbreiten muß, oder ob ein magnetisch gut leitender Werkstoff zur Verfügung steht. Luftspulen besitzen daher wesentlich geringere Induktivität als Spulen mit Eisenkern.

Wenn große Induktivitätswerte gebraucht werden, wie sie zum Beispiel in den Frequenzweichen von Lautsprechern vorkommen, verwendet der Entwickler oft Spulen, die auf einen Eisenkern gewickelt sind.

Je größer die Induktivität und je höher die Frequenz, um so mehr Widerstand setzt die Spule dem wechselnden Stromfluß entgegen. Der Widerstand ist also frequenzabhängig, und man spricht daher ähnlich wie beim Kondensator von der Reaktanz - abgekürzt XL - der Spule.

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