• flag nlflag enflag deflag esflag frflag it

Op zoek naar spoelen - Wat inductors spoelen eigenlijk doen

Op : 21. okt 2025 / In : Alle

HTML 5 basismodel


Smoorspoelen voor luidsprekers

Als je hoge tonen of frequenties weg wilt houden bij mid-range en woofers omdat ze die niet meer mogen uitzenden, dan wordt er een spoel in hun signaalpad geschakeld. Dergelijke smoorspoelen bestaan uit strak gewikkelde koperdraad bedekt met isolerende vernis en verminderen de wisselstroom die er doorheen gaat afhankelijk van de frequentie. De toenemende weerstand bij hoge frequenties wordt veroorzaakt door een magnetisch veld dat elke elektrische geleider om zich heen opbouwt wanneer er stroom doorheen loopt. Wanneer de stroom verandert, induceert het magnetische veld een tegengestelde spanning in de geleider, zoals de spoeldraad. Als er wisselstroom doorheen stroomt, verandert de stroom met de frequentie en als de frequentie toeneemt, neemt de geïnduceerde tegenspanning toe en daarmee ook de weerstand van de geleider of spoeldraad.

Deze eigenschap, die inductantie wordt genoemd, neemt in spoelen toe met het aantal windingen. De meeteenheid voor inductantie, genoemd naar een Amerikaanse natuurkundige, is Henry (H), maar slechts duizendsten hiervan zijn nodig voor luidsprekers en worden daarom milli Henry (mH) genoemd. Om het toepassingsgebied van mid-range of woofers te beperken tot hogere frequenties, wordt de vereiste inductantie berekend met de volgende vergelijking:

mH


De L staat voor de benodigde spoelinductantie, Z voor de impedantie van de luidspreker in ohm, Pi voor het cirkelgetal 3.14 en fc voor de gewenste crossoverfrequentie in Hertz, waarbij de niveauverzwakking al 3 dB is.

Voorbeeld: Een woofer met een impedantie of nominale weerstand van 8 Ohm, die alleen tot 300 Hz moet worden gebruikt, heeft dus een spoel van ongeveer 4,3 milli Henry nodig.

Typisch effect van een spoel op het niveau (in decibel) en de wisselstroomweerstand (in ohm) als functie van de frequentie van de wisselstroom (in hertz).





Hun inductie is echter slechts een van de effecten van smoorspoelen en om de optimale spoel voor het betreffende doel te vinden, helpt het om de eigenschappen te kennen die de belastbaarheid, het geluid en de prijs van de spoelen kunnen beïnvloeden.

Spoelimpedantie

De totale impedantie van een spoel bestaat voornamelijk uit de gelijkstroom- en wisselstroomweerstand, waarbij de laatste toeneemt met toenemende frequentie en spoelinductantie. De wisselstroom of

reactantie van een spoel is geen vaste en gemakkelijk te berekenen variabele vanwege faseverschuivingen tussen stroom en spanning. Deze wordt veeleer bepaald door alle weerstanden in de meetketen, d.w.z. door de spreekspoelen van het luidsprekerchassis, door vaste weerstanden in het wisselfilter en door de verliesweerstanden van de kabelverbindingen tussen de versterker en de luidsprekers.

Gelijkstroomweerstand

De ohmse en niet-inductieve weerstand van de lange koperdraad van een smoorspoel vermindert de stroom die naar de luidspreker wordt geleid, ongeacht de frequentie, en leidt tot vermogensverlies. Als de gelijkstroomweerstand 20% van de luidsprekerimpedantie bedraagt, wordt een derde van het geleverde versterkervermogen letterlijk opgebrand in de draad van de spoel. Van de 100 watt blijft er slechts ongeveer 65 watt over, wat duidelijk hoorbaar is. Om onhoorbaar te blijven, mag de gelijkstroomweerstand van een spoel niet meer zijn dan 10% van de luidsprekerimpedantie, d.w.z. 0,8 Ohm bij gebruik van luidsprekers van 8 Ohm. Daarnaast zijn er echter de verliezen van de meterslange kabel tussen de versterker en de luidspreker en de meestal onopgemerkte overgangsweerstanden bij de aansluitingen van de versterkeruitgangen, de geoxideerde kabeleinden of stekkers en de aansluitingen van de luidsprekers.

Als je verliezen echt wilt minimaliseren, moet je de kabelaansluitingen en contacten van tijd tot tijd schoonmaken en alleen een DC-weerstand van misschien 0,4 ohm in de smoorspoelen voor de woofers toestaan. Maar hoe realiseer je dit?

Dikker draad verlaagt de gelijkstroomweerstand van een spoel. Met diktes tussen 1,6 en 0,8 mm illustreert diagram (2) de relatie aan de hand van het voorbeeld van een smoorspoel met een inductie van 1,0 mH. De onderste curve geeft al aan dat zogenaamde kernspoelen veel lagere verliesweerstanden hebben.








Grote inducties vereisen meer spoelwikkelingen en een langere draad dan kleine, want om de inductie van hetzelfde spoeltype te verdubbelen, moet het aantal wikkelingen worden verhoogd met de vierkantswortel van 2, dus 1,41 keer. Conventionele luchtspoelen met 2 mm dik koperdraad onderbieden de hier beoogde 0,4 ohm slechts tot 4 mH inductantie en zijn nog steeds vrij groot, zwaar en duur.

Kernspoelen daarentegen werken met een kortere draadlengte en hebben daarom lagere verliezen dan luchtkernspoelen, zoals diagram (3) laat zien.



De speciale kenmerken van kernspoelen

Magnetiseerbaar materiaal in of rond de spoel verhoogt de inductie vele malen, daarom kan de draad korter zijn dan die van een luchtkernspoel om dezelfde inductie te bereiken. Er zijn in principe drie verschillende soorten kernen:

Ferrietkernen (ferrobar) gemaakt van magnetiseerbaar maar elektrisch niet-geleidend keramiek,

Poederkernen gemaakt van ijzerstof, die permanent in vorm worden gehouden door bindmiddelen,

Corobar-kernengemaakt van een kristallijn poedermengsel

Transformatorkernen gemaakt van gelamineerde plaatmetalen strips, die voornamelijk uit ijzer bestaan. Magnetisch gezien zijn transformatorkernen veel effectiever dan die van ferriet, maar ze zijn ook zwaarder en duurder.

Een zwak punt van kernspoelen ligt in hun zogenaamde remanentie, een soort geheugeneffect van magnetiseerbare materialen: als de koperdraadspoel waardoor de stroom vloeit de spoelkern heeft gemagnetiseerd, behoudt deze een deel van zijn magnetisatie, zelfs nadat de excitatie is gestopt. Dit veroorzaakt niet-lineaire vervorming, vooral in de vorm van K3, wat betekent dat kernspoelen een percentage van drie keer de frequentie toevoegen aan de wisselstroomsignalen die er doorheen stromen. Luidsprekers produceren ook K3, vooral in het lage tonenbereik, dat boven de 5% kan klimmen bij hoge niveaus en zeer lage frequenties, maar zelden boven de 1% komt in het hoge tonenbereik. Smoorspoelen mogen hier zo mogelijk geen verdere vervorming aan toevoegen. Bij versterkerversterkingsniveaus van minder dan 50 watt zijn typische ferrietspoelen bescheiden met nauwelijks meer dan 0,1% fundamentele vervorming, transformatorkernspoelen meestal met ongeveer 0,3% en poederkernspoelen liggen daar ergens tussenin. Dergelijke waarden zijn niet alarmerend. Alleen transformatorkernspoelen met zogenaamde EI-kernen getrimd op laag verlies (nul ohm) genereren een onaanvaardbare K3 van wel 1%, zelfs bij de laagste vermogens. Eén procent K3 kan al hoorbaar zijn en vertegenwoordigt de grens van aanvaardbaarheid - spoelvervorming mag nooit hoger worden dan dit, maar zal dat wel worden als de stromen te hoog zijn. Het beperkte vermogen van kernspoelen om willekeurig hoge stromen zonder klachten te verwerken, heeft te maken met het fenomeen verzadiging.

Verzadiging van de kern

Naarmate de stroomsterkte toeneemt, wordt het magnetische veld dat rond de spoelen wordt gegenereerd sterker. Kernmaterialen laten echter maar een maximale magnetische veldsterkte toe totdat ze verzadigd zijn en het niet langer kunnen bijhouden. IJzerlegeringen zijn bestand tegen veldsterktes die vijf tot tien keer hoger zijn dan ferrieten. Voorbij de verzadigingsgrens schiet de vervorming van veel kernspoelen omhoog.












Verzadiging en impedantie

Luidsprekers met een impedantie van 4 ohm trekken tweemaal zoveel stroom van de versterker als luidsprekers van 8 ohm met dezelfde volumeregelaar. Smoorspoelen voor woofers met 4 ohm verzadigen echter al bij de helft van het vermogen. Dit geldt natuurlijk ook voor twee parallel geschakelde woofers van elk 8 ohm. Afhankelijk van het scheidingsfilterontwerp kan de impedantie ver onder de 8 ohm zakken, zelfs met slechts één woofer van 8 ohm in de woofer, waardoor een krachtigere spoel nodig is. Aan de andere kant, met de helft van de luidsprekerimpedantie is slechts de helft van de inductantie nodig om dezelfde demping bij hogere frequenties te bereiken, bijvoorbeeld 2,2 tot 2,7 mH in plaats van 4,7 mH. De verzadigingsgrens van de spoelen als het maximaal toelaatbare versterkervermogen in watt voor 1% K3 blijft uiteindelijk hetzelfde als de impedantie en inductantie samen worden gehalveerd of verdubbeld. Onthoud: 1% K3 betekent dat één procent van drie keer de frequentie wordt toegevoegd aan het originele signaal, wat goed hoorbaar kan zijn.

Verzadiging en frequentie








Mechanische spoelresonanties

De gewikkelde spoeldraad, maar ook kernen van ferriet of ijzer, kunnen mechanisch gaan trillen en leiden tot spoelresonanties, meestal bij middelhoge tot hoge frequenties. Lijmen, hechten of impregneren in kunsthars kan ongewenste trillingen in de wikkelingen aanzienlijk verminderen.

Microfonie

De drukgolven die door de luidspreker in de behuizing worden gegenereerd, veroorzaken trillingen in het wisselfilter en de componenten ervan, wat de signaalverwerking en het geluid kan beïnvloeden. Een subbehuizing voor het wisselfilter, d.w.z. een aparte kleine behuizing in de eigenlijke luidsprekerkast, en het lijmen, verlijmen en vastschroeven van de componenten en de printplaat kunnen dit helpen voorkomen.

Wervelstromen

In elektrisch geleidende materialen zoals ijzer wekken magnetische velden elektrische stromen op, zogenaamde wervelstromen. Helaas beïnvloeden deze stromen de magnetische eigenschappen van het materiaal. In spoelen zou dit leiden tot verliezen en vervormingen. Om dit tegen te gaan, worden in transformatorkernspoelen dunne stroken plaatstaal gelaagd die elektrisch van elkaar geïsoleerd zijn. Bij poederkernen (Corobar, Ferrobar) daarentegen isoleert het bindmiddel de ijzerdeeltjes elektrisch van elkaar en vermindert het de vorming van wervelstromen. Ferrietkernen (Ferrobar) zijn daarentegen elektrisch niet-geleidend en produceren geen wervelstroomvervormingen.

Hoeveel watt kunnen ze weerstaan?

Om erachter te komen hoeveel vermogen je kunt verwachten van de verschillende aderspoelen, kun je hun verzadigingslimiet meten voor 1% K3. Hiervoor hebben we verschillende versies gebruikt met 4,7 mH, een typische inductantie voor basluidsprekers in drieweg luidsprekers met een impedantie van 8 Ohm. Diagram 8 illustreert het resultaat.


De schaal links toont de geluidsdruk in decibel die je kunt verwachten van een hifi-luidspreker op een afstand van één meter - op de gebruikelijke luisterafstand van drie tot vier meter is de geluidsdruk in de woonkamer natuurlijk veel lager.

De schaal rechts toont het berekende verzadigingsvermogen in watt bij 8 ohm en het spoeltype.

Spoelen waarvan de aanduiding begint met HQ, DR of P hebben ferrobar kernen van verschillende types, CO staat voor een corrobar poederkern spoel, TO voor een torobar met ringkern en de andere, meest krachtige spoelen gebruiken kernen gemaakt van transformatorplaat.

Voor wie meer wil weten, toont Tabel 1 de spanning, stroom en versterkervermogen bij 8 ohm die de kernspoelen in Diagram 8 aankunnen met lage vervorming bij luide impulsen.







Tabel 1 Verzadigingsgrenzen van kernspoelen met 4,7 mH


Type spoel

Rdc Spoel

Z bij 100

Hz (1)

Spanning

voor 1% K3 (1)

Stroom voor

1% K3 (2)

Pmax op

8 Ω (2)


Ferrietkernspoelen

HQS 32/26

2,31 Ω

10,83 Ω

21,5 V

2,0 A

32 watt

HQG 52/36

0,40 Ω

8,99 Ω

29,1 V

3,3 A

87 watt

HQ 43/45

0,47 Ω

9,02 Ω

33,6 V

3,7 A

110 watt

HQ 58/46

0,19 Ω

8,81 Ω

37,5 V

4,3 A

148 watt

DR 56/35

0,33 Ω

8,86 Ω

43,0 V

4,9 A

192 watt

HQP 56/35

0,47 Ω

9,02 Ω

50,6 V

5,6 A

251 watt

HQP 62/47

0,32 Ω

9,08 Ω

50,5 V

5,6 A

251 watt

DR 56/61

0,21 Ω

8,97 Ω

52,5 V

5,9 A

278 watt


Corrobar poederkern spoelen

COT 92/39

0,55 Ω

9,31 Ω

139,4 V

15,0 A

1,800 watt

COT 92/39

0,52 Ω

9,10 Ω

139,4 V

15,3 A

1,877 watt


Torrobar ringkernspoel

T 010

0,20 Ω

8,72 Ω

94,4 V

10,8 A

933 watt


Transformatorbladspoelen

I 78

0,76 Ω

9,52 Ω

74,4 V

7,8 A

487 watt

I 96

0,58 Ω

9,08 Ω

96,4 V

10,6 A

899 watt

I 130

0,26 Ω

9,02 Ω

125,8 V

13,9 A

1,546 watt

I 150

0,20 Ω

8,96 Ω

>141,4 V

>15,8 A

>2,000 watt

FE 96

0,18 Ω

8,82 Ω

141,4 V

16,0 A

>2,000 watt

FE 130

0,08 Ω

8,81 Ω

>141,4 V

>16,0 A

>2,000 watt


(1) Gemeten waarden inclusief 8 Ω belastingsweerstand

(2) Waarden berekend op basis van gemeten gegevens

Zelfs goedkope ferrietkernspoelen met maximaal 4,7 mH lijken veel vermogen aan te kunnen, maar hierbij moet worden opgemerkt dat het niet het continue vermogen is maar het pulsvermogen van de aangesloten versterker waar rekening mee moet worden gehouden. Versterkers kunnen gedurende korte perioden ongeveer twee keer hun continue of nominale vermogen leveren. Basluidsprekers kunnen zulke vermogenspieken aan en geschikte smoorspoelen zouden dat ook moeten kunnen.








Procedure :

Om de verzadigingslimieten te bepalen, werd elke spoel in serie geschakeld met een weerstand van 8 ohm en vervolgens aangesloten op de uitgang van de versterker. De ingang van de versterker ontving een sinusoïdaal signaal van 100 Hz en de uitgangsspanning werd verhoogd totdat de K3 precies 1,0% was. De complexe impedantie van de spoel en de vaste weerstand werd vervolgens gemeten bij 100 Hz. De verzadigingsstroom en het bijbehorende versterkervermogen bij 8 ohm werden berekend uit de gemeten spanning en impedantie. Voor luidsprekers van 4 Ohm moet dit vermogen echter gehalveerd worden.

De volgende Tabel 2 helpt om de vermogenslimiet van de in Diagram 8 vermelde spoelen met 4,7 mH ongeveer over te brengen op andere spoelen van hetzelfde type.






Tabel 2: Verzadiging en inductie van de HQP 56/35


1,0 mH 4,70 x Pmax1 1.175 watt
1,5 mH 3,13 x Pmax1 782 watt
2,2 mH 2,14 x Pmax1 535 watt
2,7 mH 1,74 x Pmax1 435 watt
3,3 mH 1,42 x Pmax1 355 watt
3,9 mH 1,21 x Pmax1 302 watt
4,7 mH ---- x Pmax1

250 watt


5,6 mH 0,84 x Pmax1 210 watt
6,8 mH 0,69 x Pmax1 172 watt
8,2 mH 0,57 x Pmax1 142 watt
10,0 mH 0,47 x Pmax1 117 watt
15,0 mH 0,31 x Pmax1 77 watt
22,0 mH 0,21 x Pmax1 52 watt
27,0 mH 0,17 x Pmax1 42 watt
33,0 mH 0,14 x Pmax1 35 watt

Voorbeeld :

Voor het spoeltype HQP 56/35 met 4,7 mH werd een maximaal vermogen van 250 watt voor 1% K3 bepaald bij 8 ohm. Met slechts 2,7 mH zou dus 435 watt mogelijk zijn, met 8,2 mH slechts 142 watt. Spoelen met een beduidend lagere inductantie dan de gemeten inductantie (hier 4,7 mH) verdragen vaak iets meer vermogen dan berekend, terwijl ferrietkernspoelen met hogere inductanties (bijvoorbeeld 10 mH) meestal verzadigen bij een lager vermogen dan verwacht.

Excursus: Inductantie versus verzadiging

Als de verzadigingsstroom van een spoel wordt gemeten, kan de maximale stroom (Is2) voor 1% K3 van andere spoelen van hetzelfde spoeltype bij benadering als volgt worden bepaald:

Is2 = - Is1 ; Ampère

Voer de inductie van de gemeten spoel in voor L1 en de bepaalde verzadigingsstroom voor Is1, terwijl L2 staat voor een willekeurige inductie van hetzelfde spoeltype.

Als de inductie van een spoel wordt gehalveerd, neemt de verzadigingsstroom toe met de vierkantswortel van 2 tot 1,41 maal de oorspronkelijke waarde. De praktijk wijst echter uit dat er een verschil van meer dan 10% kan zijn tussen metingen en berekeningen. Spoelen met een ferrietkern kunnen meestal minder stroom verdragen dan berekend bij toenemende inductantie, terwijl spoelen met een poederkern of een kern van transformatorplaat vaak iets hogere stromen kunnen verdragen dan berekend totdat ze verzadigd raken.

De vermogenslimiet van een kleinere of grotere spoel kan ruwweg als volgt worden berekend:

Pmax2 = - Pmax1 ; Watt

De inductie van de gemeten spoel moet worden gebruikt voor L1 en Pmax1 de vastgestelde vermogensgrens, terwijl L2 staat voor een willekeurige inductie van hetzelfde spoeltype. Bijgevolg wordt het vermogen voor 1% vervorming gehalveerd als de inductantie wordt verdubbeld.


Naast de spoelen met 4,7 mH uit diagram 8 werden ook grotere en kleinere spoelen en talloze spoelen van andere fabrikanten getest. In sommige gevallen waren de resultaten verbluffend: ondanks vergelijkbare optische en haptische eigenschappen verdroegen sommige slechts een vijfde van het vermogen van de hier genoemde spoelen. De belangrijkste reden hiervoor zijn waarschijnlijk de kernmaterialen, aangezien de magnetische eigenschappen van de verschillende ferrieten, ijzerpoeders en transformatorplaten werelden van verschil kunnen zijn, iets wat niet met het blote oog te zien is. Zelfs spoelen van gerenommeerde Duitse fabrikanten vertoonden zwakke plekken, bijvoorbeeld omdat hun koperdraad gewoon op staafvormige kernen werd gewikkeld zonder een stabiliserende plastic drager, zodat het na verloop van tijd los kan raken door trillingen in de luidsprekerkast. En ijzerhoudende kernen waren niet altijd voorzien van een laklaag om roestvorming te voorkomen.

Aanbevelingen voor spoelen

Hoorbare verliezen kunnen worden voorkomen door regelmatig oxide- en vuillagen te verwijderen van alle contactpunten tussen de versterker en het chassis van de afzonderlijke luidsprekers en door smoorspoelen te kiezen voor de woofers waarvan de gelijkstroomweerstand niet hoger is dan 5 % van de luidsprekerimpedantie. Laagdoorlaatfilters voor basluidsprekers in drieweg luidsprekers hebben baat bij kernspoelen omdat ze kleiner en goedkoper zijn dan luchtspoelen met laag verlies. Dit geldt echter alleen als de kernspoelen niet volledig overgedimensioneerd zijn. Als ze daarentegen te klein zijn, zal bij krachtige pulsen hoorbare vervorming optreden. Tabel 3 laat zien welk type kernspoel van Intertechnik het meest geschikt is voor woofers van 8 ohm wat betreft afmetingen en prijs, afhankelijk van de inductantie en belastbaarheid. Voor luidsprekers met een impedantie van 4 ohm moet het opgegeven vermogen echter weer worden gehalveerd.


Tabel 3: Optimale spoelen met een Rdc van max. 0,40 Ω



Inductantie


Impulsbelastbaarheid

min.200 watt bij 8 ohm


Pulsbelastbaarheid

min. 500 watt bij 8 ohm


1,5 mH

HQ 40/30/095

I 78/150/095

2,2 mH

HQ 40/30/095

I 78/220/085

2,7 mH

HQ 40/30/095

I 78/270/085

3,3 mH

HQP 56/3.3/118

I 130/3.3/132

3,9 mH

P 62/390/140

I 130/3.9/132

4,7 mH

P 62/470/140

I 130/4.7/132

5,6 mH

DR 56/5.6/118

I 130/5.6/132

6,8 mH

TO 10/6.8

I 150-6,8-160

8,2 mH

TOT 10/8,2

I 150-8,2-160

10,0 mH

TOT 10/10

I 150-10-160


Spoelen voor andere luidsprekertoepassingen

Een grote spoel wordt niet altijd in serie met de woofer aangesloten, maar soms ook parallel om de impedantiekromme in de lage tonen af te vlakken. Hiervoor zijn meestal inducties van meer dan 10 mH nodig, waarvan de verzadigingsgrens vergelijkbaar moet zijn met die van spoelen die in serie zijn geschakeld met de woofer.

Een lage DC-weerstand is hiervoor echter nauwelijks nodig. Daarom worden de zeer veerkrachtige, iets hogere impedantie en vooral minder dure CO44 en CO55 spoeltypen aanbevolen voor de impedantielinearisatie van woofers.

Hoogdoorlaatfilters voor mid-range drivers vereisen ook vaak vrij grote inducties parallel aan het luidsprekerchassis. Condensatoren stroomopwaarts verminderen echter de toegevoerde basenergie, zodat dergelijke midrange spoelen slechts ongeveer half zoveel hoeven te verwerken als die voor woofers. Bovendien kan hun gelijkstroomweerstand gemakkelijk meer dan 5 % van de luidsprekerimpedantie bedragen, wat de spoelselectie veel gemakkelijker maakt. De situatie is vergelijkbaar met crossovers voor tweeters, waarbij spoelen die parallel zijn aangesloten op de luidspreker alleen lage stromen hoeven te verwerken, waarvoor kleine luchtspoelen meestal voldoende zijn. Hoe hoger echter de gelijkstroomweerstand, hoe groter het ontwerp van de spoel moet zijn om het risico van warmteontwikkeling en daaropvolgend smelten van de isolerende lak op de koperdraad te minimaliseren. In tegenstelling tot de inductieve (wisselstroom) weerstand, verbrandt de ohmse (gelijkstroom) weerstand letterlijk een deel van het versterkervermogen dat er doorheen stroomt.

De praktisch vervormingsvrije luchtspoelen zijn ook ideaal voor het dempen van hoge frequenties in mid-range drivers. Voor woofer/middentoners in tweewegsystemen moet de draad van de luchtspoelen die worden gebruikt als laagdoorlaatfilters echter zo dik en verliesarm mogelijk zijn, zodat hun gelijkstroomweerstand niet hoger is dan 5 % van de luidsprekerimpedantie, omdat woofers ten eerste meestal 6 dB stiller zijn in het wooferbereik dan in het middenbereik als ze in een normale kast worden geplaatst in plaats van op een enorme muur, zoals fabrikanten verkiezen voor brochurefrequentieresponsies. En ten tweede vermindert een ohmse serieweerstand met 10% van de luidsprekerimpedantie het beschikbare versterkervermogen al met een vijfde, eentje met 20% zelfs met een derde.


Berndt Stark