Trafokern-Universalspule für die Frequenzweichen-Entwicklung

Wie’s so geht: Bei meinen kürzlichen Experimenten zur Entwicklung von Audio-Übertragern für Bändchen­lautsprecher war noch ein ganzes Paket Trafobleche mit M65-Schnitt und eine Reihe von Wickelkernen übrig geblieben. Kurze Zeit später fehlte mir dann bei der Entwicklung einer passiven Frequenzweichenschaltung für ein neues Lautsprecherprojekt gerade die eine richtige Spule zur Optimierung der Abstimmung.

So wurde die Idee geboren, auf einem Trafokern eine Universalspule zu wickeln, bei der es Abgriffe für unterschiedliche Induktivitäten gibt, wie sie beim Experimentieren mit Lautsprecher-Frequenzweichen häufig benötigt werden. Solch eine Universalspule würde eine ganze Reihe einzelner Spulen in der Bastelkiste ersetzen. Das folgende Foto zeigt eine Trafokernspule und einige Trafobleche in M65-Schnitt, aus denen der Kern zusammengesetzt ist.

Induktivitäten messen

Passive Frequenzweichen für Lautsprecherkombinationen werden mit Kondensatoren, Widerständen und Spulen aufgebaut. Deshalb ist man beim Lautsprecher-Selbstbau immer wieder mit der Frage konfrontiert, welchen Induktivitätswert eine unbekannte Spule wohl haben mag oder ob die erforderliche Induktivität von einer bestimmten Spule auch tatsächlich mit hinreichender Genauigkeit erreicht wird. Die Messung von Kapazitäten ist inzwischen zu einer Standardausstattung von vielen besseren Digital-Multimetern geworden. Für die Messung von Induktivitäten gilt das leider nicht – und ein kommerzielles L-Messgerät ist nicht so billig, dass sich die Anschaffung für gelegentliche Messungen lohnen würde.

An anderer Stelle (Spulen messen mit der Soundkarte) habe ich eine Möglichkeit beschrieben, wie man mit Hilfe eines einfachen Messzusatzes und der Soundkarte Induktivitäten messen kann. Die unbekannte Induktivität bildet dabei mit einer bekannten Kapazität den Resonanzkreis einer Generatorschaltung; der Wert der Induktivität wird aus der gemessenen Resonanzfrequenz errechnet. Wenn man dafür sorgt, dass diese Resonanzfrequenz im Bereich des Audio-Spektrums von rund 20 bis 20.000 Hz liegt, dann bietet sich als Messschnittstelle die heute in praktisch jedem PC vorhandene Soundkarte an. Eine geeignete Software-Anbindung für die Soundkarte hatte ich für andere Messaufgaben (Soundkarten-Messung I: Steuerung mit der BASS.DLL) schon programmiert – was lag also näher, als diese Schnittstelle auch für die Messung von Induktivitäten zu nutzen?

Durch die Nutzung eines PC-Programms für die gesamte Auswertung reduziert sich die Messschaltung auf eine kleine Platine mit dem LC-Generator. Der Generator arbeitet mit einer festen Kapazität Cmess und der unbekannten Induktivität Lx, die parallel geschaltet einen Resonanzkreis ergeben, der auf der Frequenz

\(f_r = \frac{1}{2\pi \cdot \sqrt{L_X \cdot C_{mess}}}\)

schwingt. Das ist die bekannte Thomson-Formel, mit der sich aus Induktivität und Kapazität die Resonanzfrequenz eines LC-Schwingkreises errechnen lässt. Der große englische Physiker Lord Kelvin hat sie 1853 aufgestellt, als er noch nicht geadelt war und bürgerlich William Thomson hieß. Nach einer kleinen Umstellung der Gleichung kann man eine unbekannte Induktivität errechnen.

\(L_X = \frac{1}{4\pi^2 \cdot C_{mess} \cdot f_r^2}\)

Den Referenz-Kondensator sollte man mit einem Kapazitäts-Messgerät ausmessen, das es z.B. als Bestandteil vieler digitaler Multimeter gibt, um möglichst genaue Messergebnisse erzielen zu können. Der Generator wird entweder mit einer 9-Volt-Blockbatterie versorgt oder mit einem kleinen Steckernetzteil. Der Messgenerator ist auf einer kleinen Platine um den integrierten Komparator LM311 herum aufgebaut und benötigt nur wenige zusätzliche Bauteile. Der Kondensator Cmess bildet die bekannte Kapazität. Ich habe dafür einen 0,47 µF Folientyp ausgewählt, weil sich mit dieser Kapazität innerhalb des von der Soundkarte bewältigten Frequenzbereiches von rund 20 Hz bis 20 kHz die in der NF-Technik üblichen Induktivitäten messen lassen.

Foto 1: Messgenerator

Der Generator wird an den LineIn-Eingang der Soundkarte angeschlossen. Dazu wird – je nach Soundkartentyp – meist entweder eine Cinch- oder eine Miniklinken-Verbindung notwendig sein. Das Programm erwartet das Messsignal auf dem linken Kanal der Soundkarte und setzt eine Soundkarte voraus, die mindestens den PCM-Standard der CD erreicht, also 2 Kanäle mit 16 Bit Auflösung und einer Abtastrate von 44.100 Hz im Voll-Duplex-Betrieb.

Nach dem Start des Programms wird aus Resonanzfrequenz und Messkapazität die ange­schlossene Induktivität errechnet und angezeigt. Unter dem Induktivitäts-Feld ist eine Aussteuerungsanzeige für die Signalstärke in Prozent. Das Eingangssignal sollte ungefähr zwischen 50 und 80 Prozent betragen, um Rausch- und Übersteuerungs­einflüsse auf die Messung zu vermeiden. Wird die Signalstärke zu niedrig, um eine sichere Frequenzmessung zu ermöglichen, so wird im Resonanz-Feld „Kein Signal“ angezeigt. Ist das Eingangssignal zu schwach oder zu stark, so muss dies am Windows-Mixer oder ggfs. an der Schaltung korrigiert werden. Weitere Hinweise zur Bedienung des Programms findet man auf der angegebenen Homepage. Dort kann das Programm auch heruntergeladen werden. Das Programm wurde in DELPHI 6 geschrieben, einer objektorientierten Programmiersprache in der Nachfolge von PASCAL.

Spulen auf Trafokernen wickeln

Bevor man allerdings etwas messen kann, muss man zuerst einmal eine Spule wickeln. Wie viele Windungen werden auf dem gewählten Trafokern benötigt, um eine bestimmte Induktivität zu erreichen? Die Berechnung ist recht bequem, wenn man sich dabei des sogenannten AL-Werts bedient. In dieser Induktivitätskonstante sind alle Material­konstanten und die spezielle Geometrie der Anordnung zusammengefasst. Die benötigte Windungszahl errechnet sich nach der Formel:

\(N = \sqrt{\frac{L}{A_L}}\)

Darin bezeichnet N die Windungszahl und L die gewünschte Induktivität. Der AL-Wert wird häufig bezogen auf 1000 Windungen angegeben. In diesem Fall muss die Windungszahl noch mit dem Faktor 1000 multipliziert werden. Woher bekommen wir den AL-Wert für unseren Trafokern? Wie fertigen eine Testwicklung mit einer bekannten Windungszahl an, schieben sie auf das Blechpaket und messen die Induktivität. Ich habe dazu eine Wicklung mit 100 Windungen angefertigt und daran eine Induktivität von 16,7 Millihenry gemessen. Daraus errechnet sich der AL-Wert zu

\(A_L = \frac{L}{N^2} = \frac{16,7 mH}{100^2} = 1,67 \cdot 10^{-3} mh / Wdg.^2\)
bzw.
\(A_L = 1,67 \cdot 10^{-3} \cdot 1000^2 = 1670 mh / 1000 Wdg.^2\)

Nehmen wir an, unsere Universalspule soll als höchsten Wert 22 mH aufweisen, dann lässt sich jetzt leicht ausrechnen, dass dafür

\(N_{22 mH} = 1000 \cdot \sqrt{\frac{22mH}{1670}} = 114 Windungen\)

benötigt werden. Das ist eine überschaubare Zahl, die sich durchaus noch mit der Hand wickeln lässt. Wo machen wir am besten die Abgriffe?

In den vorhandenen Wickelkörper meines M65-Trafokerns lassen sich insgesamt 12 Metall­kontakte zum Anschluß von Wicklungen einsetzen. Der Eingangsanschluß der Universalspule kommt an Pin 1, an Pin 12 soll der Maximalwert von 22 mH erreicht werden – verbleiben 10 Abgriffe. Käufliche Spulen werden meist in der E6-Reihe angeboten, so dass sich für eine Zehnerpotenz 6 Werte nach der Reihe 1, 1,5, 2,2, 3,3, 4,7, 6,8 ergeben; der nächste Wert entspricht der 10. Demnach hätten wir die Abgriffe 15 mH, 10 mH, 6,8 mH, 4,7 mH, 3,3 mH, 2,2 mH, 1,5 mH, 1,0 mH, 0,68 mH und 0,47 mH. Damit ist das Spektrum, dass man üblicherweise für Laut­sprecher­experimente benötigt, ganz gut abgedeckt. Unsere Universalspule ersetzt 11 einzelne Spulen. Die Wicklungsdaten der Abgriffe habe ich der Bequemlichkeit halber mit einer Excel-Tabelle ausgerechnet, die mit der oben angegebenen Formel arbeitet. Hier sind die Ergebnisse:

L-Wert

1670

mH/1000^2

Anschluss

Induktivität

Windungen

Differenz

1

Eingang

0

0

2

0,47

17

17

3

0,68

20

3

4

1,0

24

4

5

1,5

30

6

6

2,2

36

6

7

3,3

44

8

8

4,7

53

9

9

6,8

63

10

10

10

77

14

11

15

94

17

12

22

114

20

Summen

114

114

Bei der praktischen Wickelarbeit starten wir bei Pin 1 und lassen für den späteren Lötanschluß ein rund 5 cm langes Drahtende aus dem Wickelkörper herausstehen, das zum Befestigen zunächst in den Wickelkörper hinein gebogen wird.. Nun wickeln wir gemäß der ganz rechten Tabellenspalte 17 Windungen auf den Körper und legen vom Ende dieser Teilwicklung eine verdrillte Schlaufe zum Pin 2. Der Draht wird dabei immer straff gezogen. Als nächstes folgen 3 Windungen, nach denen wieder ein verdrillter Abgriff zum Pin 3 erfolgt, dann 4 Windungen bis zum Pin 4 und so weiter bis schließlich Pin 12 erreicht ist und wir insgesamt 114 Windungen auf den Körper gewickelt haben. Beim Wickeln kommt es entscheidend darauf an, dass der Wickelsinn für die gesamte Spule gleich bleibt. In keinem Fall darf die Wickelrichtung nach einem Abgriff verändert werden, sonst werden die errechneten Induktivitätswerte nicht erreicht – und man misst, wie ich selbst aus leidvoller Erfahrung berichten kann – die merkwürdigsten Effekte an der Spule. Am besten, man hält den Spulenkörper während des gesamten Wickelprozesses immer in ein und derselben Hand.

Wegen der recht niedrigen Windungszahl sind Wickeln von Hand und Abzählen kein Problem. Ich habe für meine Universalspule Kupferlackdraht mit einem Durchmesser von 0,8 mm verwendet, weil ich davon noch eine Rolle hatte und sich diese Drahtstärke verhältnismäßig leicht wickeln lässt. Eine Testspule braucht auch keine Dauerleistungen im PA-Betrieb zu verkraften, so dass diese Drahtstärke völlig ausreicht. Wegen der vielen Abgriffe wird kein sehr sauberer und gleichmäßiger Wickel dabei herauskommen. Das macht aber nichts, solange die Windungen einigermaßen gleichmäßig über den Körper verteilt und straff gespannt sind, so dass sie möglichst eng anliegen. Da die Länge einer Windung auf einem M65-Wickelkörper im Durchschnitt rund 17 cm beträgt werden insgesamt rund 20 Meter Draht benötigt.

Wenn alle Wicklungen aufgebracht sind kann die gesamte Spule komplett mit straff gespanntem Isolierband umwickelt werden. Das ergibt einen kompakten und festen Wickelkörper, der sich auch gut weiterbearbeiten lässt. Jetzt kommt der zeitaufwändigste Teil des Prozesses: Die Abgriffe müssen vor dem Verlöten mit den Lötwinkeln von ihrem Lacküberzug befreit werden. Dazu besorgt man sich am besten einen sogenannten Lackdraht-Blankmacher bzw. eine Lackabziehpinzette (gibt es zum Beispiel bei Wagner;

http://www.elektroshopwagner.de/product_info.php/info/p33603_Lackabziehpinzette-Knipex-1511120.html

eine Google-Suche mit dem Begriff Lackabziehpinzette liefert weitere Bezugsquellen). Man kann die Drahtenden auch mit feinem Schmirgelpapier, dass man in kleinen Stücken zusammenfaltet, von ihrem Lacküberzug befreien – sollte sich dann allerdings auf eine längere Geduldprobe gefasst machen. Kontaktsichere Verlötungen sind das A und O, deshalb ist beim Entfernen des Lacks jede Sorgfalt angebracht. Schließlich können die Lötwinkel auf die Kabelenden aufgeschoben und verlötet werden. Das folgende Foto zeigt meinen fertigen Prototyp; darauf ist zu erkennen, wie die Abgriffe der Spule verlötet werden. Insgesamt muss man von einem Zeitaufwand von zwei Stunden für die Anfertigung einer solchen Universalspule ausgehen. Eine Trafokernspule mit nur einer Wicklung kann entsprechend schneller gebastelt werden.

Die abschließende Messung mit dem Soundkarten-Programm zeigt das Ergebnis. Tatsächlich werden zwischen Pin 1 und Pin 12 die angepeilten 22 mH mit ziemlicher Genauigkeit erreicht. Auch die Werte bei den Abgriffen stimmen mit guter Genauigkeit mit den Sollwerten überein. Während der Experimentierphase mit Lautsprechern kommt es auf ganz genau Induktivitätswerte meist auch nicht an. Im Einsatz wird die Spule immer an Pin 1 angeschlossen und an dem Abgriff mit der gewünschten Induktivität – zum Beispiel an Pin 7 für 3,3 mH. Wenn man sich an eine eigene Universalspule wagt, wird man diese Ergebnisse mehr oder minder genau reproduzieren können, da die Induktivität von einer ganzen Reihe von Randbedingungen abhängig ist – dazu zählt auch die verwendete Drahtstärke und die Lage der Windungen auf dem Körper.

Vor allem kommt es aber auf die Eigenschaften des verwendeten Kerns an. Deshalb ist es am besten, am Beginn der Aktion wie beschrieben eine Messung mit einer Testspule zu machen, für die man den gleichen Draht verwendet, aus dem auch die Universalspule gewickelt werden sollt. Trafobleche, Wickelkörper aus Kunststoff und Kupferlackdrähte liefert Johann Sauter, Gosheim, über seinen Online-Shop.

http://www.sauter-shop.de/assets/s2dmain.html?http://www.sauter-shop.de

Der Mindestbestellwert beträgt nur 10 Euro.

Ein Hinweis ist noch wichtig: Diese Trafokernspule ist auf einen verhältnismäßig kleinen Kern gewickelt, der normalerweise für Netztrafos eingesetzt wird. Bei hohen Verstärker­leistungen könnte des wegen der Kernsättigung zu Verzerrungen kommen. Aber die Spule ist ja auch nicht für den Dauerbetrieb in der Frequenzweiche gedacht, sondern als praktisches Hilfsmittel in der Entwicklungsphase. Bei Bedarf kann man sich natürlich auch größere Kerne für höhere Leistungen besorgen (M85-Bleche sind bei Johann Sauter sogar in einer sehr dünnen und audiogerechten Ausführung erhältlich) und natürlich auch Einzelinduktivitäten für den Dauereinsatz wickeln.

Man sieht: Spulen und Trafos sind kein Geheimnis mit sieben Siegeln. Viel Spaß beim Wickeln und gutes Gelingen!