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Überlastungsschutz für die Schwingspule elektrodynamischer Lautsprecher
Bei den üblichen dynamischen Lautsprechern wird der Spulenkörper für die Schwingspule
der Membran vorzugsweise aus einer mit Kunstharzen oder anderen Lacken getränkten
Papiermasse oder auch aus nicht behandeltem Papier hergestellt. Die aus lackiertem
oder oxydiertem Draht bestehende Wicklung wird durch ein geeignetes Klebemittel
auf dem Papierkörper festgehalten.
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Diese Teile des Antriebssystemes und ihre Halterung sind gegenüber
größeren Überlastungen verhältnismäßig empfindlich. Bisher war man der Ansicht,
daß bei dynamischen Lautsprechern die Hauptschwierigkeiten in der Beherrschung der
durch die Überlastung hervorgerufenen mechanischen Beanspruchungen der Zentrierspinne
bestehen.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei den Lautsprechern größerer
Leistung die Belastbarkeit im wesentlichen durch die thermische Beanspruchung der
Schwingspule bzw. des Schwingspulenkörpers infolge der durch den Sprechstrom erzeugten
Jouleschen Wärme gegeben ist. Hierbei ist von der Erfinderin gefunden worden, daß
es nicht auf die absolute Höhe der Amplitude des Stromes ankommt, sondern auch auf
dessen Zeitdauer sowie auf die Wärmeableitungsverhältnisse. Maßgebend für die Übertemperatur
ist das f J2dt. Solche Übertemperaturen können also dadurch entstehen, daß entweder
ein starker Strom kürzere Zeit wirkt oder ein geringerer Strom längere Zeit.
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Die durch die kritische Temperatur der Schwingspule, d. h. also die
Temperatur, bei der der Draht oder der Spulenkörper gegenüber dem Sollbetriebszustand
verändert wird, hervorgerufenen Gefährdungen bestehen z. B. darin, daß der Spulenkörper
bei Temperaturen von etwa ioo° C an Blasen zu bilden beginnt,
die
den Werkstoff .derart auseinandertreiben bzw. verziehen, daß der Schwingspulenkörper
in dein Luftspalt des Magnetsvsteins schabt. Die Isolation des Drahtes kann unter
Umständen schon bei geringeren Temperaturen zerstört werden. Die erwähnten Veränderungen
der Schwingspule und des Spulenkörpers rufen starke Klirrgeräusche hervor. Es kann
sogar der Lautsprecher völlig unbrauchbar werden. Man muß daher darauf achten, daß
die Belastung und damit die Temperatur der Schwingspule einen bestimmten Wert nicht
überschreitet.
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Wie bereits oben gesagt, hängt die Übertemperatur der Schwingspule
von der Amplitude des Stromes und der Zeitdauer sowie den Wärmeableitungsverhältnissen
der Schwingspule ab. Wollte man die Schwingspule dadurch schützen, daß man eine
übliche Stromsicherung in den Schwingspulenkreis legt, so würde diese zwar die Schwingspule
gegen die Spitzenströme sichern, sic würde jedoch keinen Schutz bilden gegenüber
geringeren Überströmen von großer Zeitdauer, die ebenfalls die kritische Temperatur
der Schwingspule herbeiführen können. Hinzu kommt noch, daß die Erfahrungen im Lautsprecherbetrieb
gezeigt haben, daß der Effektivwert
J=dt, der bei Musik und Sprache in der Schwingspule in Wärme umgesetzten Leistung,
über eine größere Zeit betrachtet, weit unterhalb> der meist nur Bruchteile von
Sekunden anhaltenden Spitzenleistung liegt. Da die Schwingspule eine Wärmekapazität
besitzt, erreicht sie ihre kritische Temperatur, d. h. die Temperatur, bei der sie
gefährdet wird, nur, wenn solche großen Leistungen längere Zeit anhalten. lin allgemeinen
ist aber die Zeit, während der die Spitzenleistung der Schwingspule zugeführt wird,
klein gegen die Zeit, in der die Schwingspule infolge der Spitzendauerleistung die
kritische Temperatur erreichen würde. Die Schwingspule kommt daher im allgemeinen
nicht auf diese Temperatur. Der Lautsprecher kann kurzzeitig mit einer Spitzenleistung
belastet werden, die weit über der Leistung liegt, die bei zeitlich konstanter ununterbrochener
Belastung schon in Kürze zur Erreichung der zulässigen Grenztemperatur führen würde.
Es ist daher möglich, den Lautsprecher kurzzeitig sehr hoch zu belasten, ohne daß
eine thermische Gefährdung des Antr iebssvstems erfolgt.
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Aus diesem Grunde erfüllen die üblichen Stromsicherungen (Schmelzsicherungen)
nicht ihren Zweck. da sie einerseits nicht empfindlich genug sind, um bei länger
dauernden, zwar geringfügigen, jedoch die kritische Temperatur herbeiführenden Überströmen
auszulösen, andererseits bereits bei kurzzeitigen Spitzenströmen, die die Schwingspule
nicht gefährden würden, ansprechen, Weiter ist wichtig, daJi die Sicherung nicht
zerstört wird, da ja nicht nach jedesmaligem Auslösen die Sicherung neu eingesetzt
oder eingeschaltet werden kann. Es muß also eine Sicherung geschaffen werden, die
auf länger dauernde geringe Überlastungen anspricht, ohne doll sie aber durch kurzzeitige
Spitzenleistungen ausgelöst wird. Auch darf sie durch das Auslösen nicht zerstört
werden.
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Auch die weiter bekannte Einrichtung zum Schutz von Transformatoren,
insbesondere für Netzanschlußgeräte, gegen Cberschreitung einer bestimmten Belastung,
die darin besteht, daß zwischen Eisenkern und Wicklung vorzugsweise streifenförmige,
auf Wärine ansprechende Vorrichtungen, beispielsweise Biinetallstreifen, derart
vorgesehen sind. daß diese Vorrichtungen infolge der vom Transformator abgegebenen
Wärine bei Überschreitung einer bestimmten Belastung Schalt- oder Anzeigevorrichtungen
steuern, eignet sich nicht für die Zwecke des Lautsprecherbetriebes, da diese Sicherung
den Stromkreis ebenfalls vollkommen unterbricht, so daß das Gerät erst wieder nach
Beseitigung des die Cberlastung herbeiführenden LTinstandes in die Betriebsbereitschaft
zurückgebracht werden muß. Die Ausnutzung und Belastbarkeit des Transformators,
der ja im Sollbetrieb mit praktisch konstanten Strömen arbeitet, wird durch die
Bimetallsicherung in keiner Weise beeinflußt.
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Irn Gegensatz dazu gibt der Gegenstand der Erfindung die Möglichkeit,
infolge der bei Lautsprechern auftretenden eigenartigen Betriebsverhältnisse die
Belastungsfähigkeit de; Lautsprechers und damit die Ausnutzung des # auf,e
- wendeten Konstruktionswerkstoffes zti steigern, ohne daß irgendwelche Störungen
mit in Kauf genommen werden müssen.
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Beim Lautsprecherbetrieb können Bedingungen auftreten, unter denen
eine Spitzenleistung längere Zeit anhält, beispielsweise wenn in einer Besprechungsanlage
akustische Rückkopplung einsetzt. Auch bei Lautsprechern für elektrische Musikinstrumente
sowie bei der Wiedergabe von Orgelmusik könnet solche länger dauernden- Spitzen
auftreten. Wollte inan den Lautsprecher so bemessen, daß er diese Spitzenleistung
längere Zeit aushält, so müßte er Abmessungen annehmen, die durch den normalen Betrieb,
der v ährend der größten Zeit der Beanspruchung der Lautsprecher vorhanden ist,
nicht gerechtfertigt sind. Der Lautsprecher würde unnötig groll und teuer werden.
Andererseits inuß dafür Sorge getragen werden, daß dies; länger
dauernden
Beanspruchungen nicht dieSchwingspule gefährden.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß wärmeträge Mittel,
z. B. Thermoschalter, Widerstände, deren Widerstandswert von der Temperatur abhängig
ist, insbesondere nichtlineare Widerstände o. dgl., dem Sprechstromkreis zugeordnet
sind, die bei dem normalen Betrieb des Lautsprechers praktisch nicht wirksam sind
und auch die Spitzenleistungen geringer Zeitdauer gar nicht oder nur unwesentlich
beeinflussen, hingegen Spitzenbeanspruchungen, die längere Zeit andauern und dadurch
die Schwingspule gefährden können, stark herabsetzen. Die Belastung der Schwingspule
wird. in dem letzteren Fall selbsttätig verringet, bevor eine schädliche Erhitzung
der Spule eingetreten ist. Auf diese Weise läßt sich eine Steigerung der Durchschnittsleistung
des Lautsprechers erzielen, ohne daß man gezwungen ist, die Schwingspulenabmessungen
und damit auch die Abmessungen des ganzen Magnetsystemes zu vergrößern. Wichtig
ist hierbei, daß, wie bereits oben angedeutet, die benutzten Mittel eine gewisse
Wärmeträgheit haben, damit sie nur als Schutzmaßnahme wirken und nicht etwa die
Dynamik beeinflussen. Die Wärmeträgheit der Schutzmittel muß der Wärmeträgheit der
Schwingspule angepaßt sein. Die Schutzmittel müssen zu wirken beginnen, sobald die
Schwingspulentemperatur sich der gefährlichen Grenze nähert. Sie dürfen jedoch nicht
augenblicklich wirken, da sonst die Dynamik der wiederzugebenden Darbietung verändert
wird.
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Es ist bekannt, Widerstände mit hohem Temperaturkoeffizienten bei
Verstärkern in Reihe mit dem Übertragungsweg zu schalten, um auftretende Überspannungen
und Überströme auf den für die nachgeschalteten Eleinente zulässigen Wert zu begrenzen,
damit diese nicht übersteuert werden und nichtlineare Verzerrungen hervorrufen.
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Des weiteren ist bekannt, bei Eisenwasserstoffwiderständen, die in
Reihe mit dem Heizfaden von Kathodenröhren geschaltet sind, um den durch den Heizfaden
fließenden Strom konstant zu halten, die Wärmeträgheit dieser Widerstände gleich
oder kleiner als die Wärmeträgheit des Glühfadens zu machen, um zu verhindern, daß
der Heizfaden im Augenblick des Einschaltens zu stark beansprucht wird. Dies wird
durch Ausbildung des Widerstandes mit entsprechend dünnen Drähten oder durch Veränderung
des Vakuums oder der Gasatmosphäre bewirkt.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
veranschaulicht. In der Schaltung gemäß Abb. i ist in den Ausgangskr eis des Endverstärkers
h in Reihe mit der Schwingspule S des Lautsprechers die Heizwicklung W eines Thermochalters
(z. B. eines Bimetallstreifens) gelegt, die von dem Schwingspulenstrom durchflossen
wird. Sobald die Belastung der Schwingspule zu hoch wird, wird durch den Thermoschalter
der Kontakt T geschlossen und ein Widerstand R_ parallel zur Schwingspule geschaltet,
der den die Schwingspule gefährdenden überschießenden Teil der Ausgangsleistung
des Verstärkers v aufnimmt. Der Thermoschalter muß so beschaffen sein, daß die Zeit,
die vom Einsetzen eines die Schwingspule bei längerer Dauer gefährdenden Stromes
bis zum Schließen des Kontaktes T verstreicht, etwas kleiner ist als die Zeit, die
verstreicht, bis die Schwingspule die kritische Temperatur angenommen hat.
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Die Therfnoschalter genügen nicht immer allen Anforderungen an Schaltsicherheit
und Störfreiheit des Schaltvorganges. Es wird daher gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Anordnug so getroffen, daß in Reihe mit der Schwingspule ein Eisenwasserstoffwiderstand
gelegt wird. Eine solche Schaltungsanordnung zeigt die Abb. z, in der die vom Endv
erstärlter h abgegebene Leistung über den Eisenwasserstoffwiderstand EW der Schwingspule
5' zugeführt wird.
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Die Wirkungsweise dieser Schaltung soll an Hand der Abb. 3 und 4.
erläutert «erden. In der Abb. 3 sind der Strom T und der Widerstand R als Funktion
der Spannung E aufgetragen. Die Größe des Eisenwasserstoffw-iderstandes ist nun
so zu bemessen, daß bei normalem Betrieb des Lautsprechers in dem Bereich gearbeitet
wird, in dem der Widerstand praktisch konstant ist, d. h. also, es wird der erste
Teil der Kurve ausgenutzt. Sobald ein zu großer Strom längere Zeit andauert und
Leistungen auftreten, die eine Gefährdung der Schwingspule herbeiführen könnten,
wird der Strom auf den Wert h beschränkt. Hierbei spielt auch die Zeitkonstante
des verhältnismäßig trägen Eisenwasserstoffwiderstandes eine wesentliche Rolle.
Diese muß einerseits so bemessen sein, daß die strombegrenzende Wirkung des Widerstandes
etwas eher eintritt, als die Gefährdung der Schwingspule durch das Erreichen der
kritischen Temperatur erfolgt. Andererseits darf die Zeitkonstante des Eisenwasserstofiwiderstandes
nicht zu klein sein, da sonst infolge der zu geringen Wärmeträgheit die Dynamik
beeinflußt wird.
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Die Abb. d. zeigt die Wirkung eines richtig bemessenen Eisenwasserstoff
Widerstandes, der zum Schutze eines 2o-Watt-Lautsprechers eingebaut ist. Auf der
Abszisse und der Ordinate ist die zugeführte Leistung in Watt aufgetragen. Die Gerade
unter 4.5" kennzeichnet
die gesamte zugeführte Leistung. Die mit
\'LK bezeichnete Gerade gibt an, wie sich bei kurzzeitiger Spitzenbelastung die
Leistungen im Sprechkreis auf Schwingspule und Eisenwasserstoffwiderstaild verteilen.
Die Differenz zwischen der 45'-Geraden. und der Geraden NLK ist ein Maß für die
vom Eisenwasserstoffwiderstand aufgenommene Leistung. Es ist ersichtlich, daß der
auf den Eisenwasserstoffwiderstand entfallende Leistungsanteil sehr gering ist.
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Die mit NL D bezeichnete Kurve veranschaulicht, wie sich die Leistungen
bei Dauerüberlastung verteilen. Die Differenz. zwischen der 45°-Linie und der NLp-Kurve
entspricht wieder der voll dem Eisenwasserstoffwiderstand aufgenommenen Leistung.
Aus dein Diagramm ist ersichtlich, daß selbst bei Leistungen bis zu d.o Watt die
Belastungskurve des Lautsprechers immer unter =o Watt bleibt. Weiter ist ersichtlich,
daß in dein Bereich bis 15 Watt von dem Eisenwasserstoffwiderstand nur wenig Leistung
aufgenommen wird, so daß die Abgabeleistung des Lautsprechers nur geringfügig beeinträchtigt
wird.
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In dein Ausführungsbeispiel nach Abb. ist als begrenzendes Element
ein Eisenwasserstoffwiderstand gewählt, der in Reihe mit der Schwingspule liegt.
Es ist selbstverständlich möglich, auch andere, temperaturabhängige, insbesondere
nichtlineare Widerstände für diesen Zweck zu benutzen, z. B. die unter dem amen
Heißleiter bekannten Widerstände, die im kalten Zustand einen wesentlich höheren
Widerstand haben als ini warmen Zustand. Solche Eigenschaften weisen z. B. die LTrandioxydwiderstände
auf sowie die bekannten Widerstände aus porzellanähnlichen Massen mit eingelagerten
winzigen Teilen von leitendem Material, die bei geringen Spannungen Isolatoren sind
und bei zunehinendem Strom verhältnismäßig gute Leiter werden. Diese Widerstände
müssen selbstverständlich im Gegensatz zu den Eisenwasserstoffwiderständen parallel
zu der Schwingspule geschaltet werden.
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Falls die Charakteristiken der benutzten strombegrenzenden Elemente
nicht den für den jeweiligen Betrieb der Lautsprecher geeigneten Wert besitzen,
kann durch Zuordnung von Ohnischen Widerständen oder auch nichtlinearen Widerständen
in Reihen- oder Parallelschaltung die Charakteristik in dem erforderlichen Sinne
beeinflußt werden. Auch läßt sich die Charakteristik des Eisenwasserstoffwiderstandes
und seine Zeitkonstante durch Änderung des Gasdruckes oder der Gaszusammensetzung
sowie durch Wahl anderer Dralitduerschnitte ändern. Es ist auch ein Arbeiten im
Vakuum möglich. Statt Eisen können auch andere Metalle mit hohem Teiltperaturkoeffizienteil,
z. B. Wolfram, benutzt werden.
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Da ein bestimmter Eisenwasserstoff- o. dgl. Widerstand bei Lautsprechern
mit einer bestimmten Schwingspulenausbildung. optimale Ergebnisse zeitigt, so ist
es zu empfehlen, diesen Widerstand unmittelbar am Lautsprecher. z. B. am Chassis,
anzubringen. Hierbei ist es von Vorteil, den Widerstand lest in Reihe mit der Schwingspule
zu schalten und lediglich die beiden z'#nschlttßkleinnien für den Kreis lierauszuffliren,
so dall Fehlschaltungen und Fchlverbindungen vermieden sind.
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Es sei noch bemerkt, daß die Widerstände nicht nur sekundärseitig
wie im Ausführungsbeispiel nach Abb. 2, sondern auch prnnarseitig eingebaut sein
können.