Cewka drgająca
Cewka drgająca (składająca się z karkasu , kołnierza i uzwojenia ) to cewka z drutu przymocowana do wierzchołka stożka głośnika . Zapewnia siłę napędową stożka poprzez reakcję pola magnetycznego na przepływający przez niego prąd.
Termin ten jest również używany w odniesieniu do silników liniowych z cewką głosową , takich jak te używane do poruszania głowicami wewnątrz dysków twardych , które wytwarzają większą siłę i przemieszczają się na większą odległość, ale działają na tej samej zasadzie. W niektórych zastosowaniach, takich jak elektroniczna regulacja ostrości w aparatach cyfrowych, są one znane jako silniki z cewką drgającą (VCM).
Operacja
Przepływ prądu przez cewkę drgającą powoduje wytwarzanie pola magnetycznego . To pole magnetyczne powoduje, że cewka drgająca reaguje na pole magnetyczne z magnesu stałego przymocowanego do ramy głośnika, przesuwając w ten sposób stożek głośnika. Dzięki zastosowaniu kształtu fali dźwiękowej do cewki drgającej stożek odtworzy fale ciśnienia akustycznego odpowiadające oryginalnemu sygnałowi wejściowemu.
Rozważania projektowe
Ponieważ ruchome części głośnika muszą mieć małą masę (aby dokładnie odtwarzać dźwięki o wysokiej częstotliwości bez nadmiernego tłumienia przez bezwładność ), cewki drgające są zwykle wykonane tak lekko, jak to tylko możliwe, co czyni je delikatnymi. Przepuszczenie zbyt dużego prądu przez cewkę może spowodować jej przegrzanie (patrz ogrzewanie rezystancyjne ). Cewki drgające nawinięte spłaszczonym drutem, zwanym drutem taśmowym , zapewniają większą gęstość upakowania w szczelinie magnetycznej niż cewki z drutem okrągłym. Niektóre cewki są wykonane ze szpuli uszczelnionej powierzchniowo i materiałów kołnierza, aby można je było zanurzyć w ferrofluidzie , który pomaga w chłodzeniu cewki poprzez odprowadzanie ciepła z cewki do struktury magnesu. Nadmierna moc wejściowa przy niskich częstotliwościach może spowodować ruch cewki poza jej normalne granice, powodując zniekształcenia i prawdopodobnie uszkodzenia mechaniczne.
Obsługa mocy jest związana z odpornością cieplną izolacji przewodu, kleju i materiału szpuli i może na nią wpływać położenie cewki w szczelinie magnetycznej. Większość głośników wykorzystuje cewki drgające „zawieszone”, z uzwojeniami wyższymi niż wysokość szczeliny magnetycznej. W tej topologii część cewki przez cały czas pozostaje w szczelinie. Obsługa mocy jest ograniczona przez ilość ciepła, które można tolerować, oraz ilość ciepła, które można usunąć z cewki drgającej. Niektóre projekty magnesów zawierają aluminiowe pierścienie radiatora powyżej i poniżej szczeliny magnesu, aby poprawić chłodzenie przewodzące, znacznie poprawiając obsługę mocy. Jeśli wszystkie inne warunki pozostają stałe , powierzchnia uzwojeń cewki drgającej jest proporcjonalna do mocy cewki. Tak więc cewka drgająca o średnicy 100 mm i wysokości uzwojenia 12 mm ma podobną moc do cewki drgającej o średnicy 50 mm i wysokości uzwojenia 24 mm.
W konstrukcjach cewek drgających „podwieszanych” (patrz poniżej) cewka jest krótsza niż szczelina magnetyczna, co stanowi topologię, która zapewnia stałą siłę elektromotoryczną w ograniczonym zakresie ruchu, znanym jako X max . Jeśli cewka zostanie przesterowana , może opuścić szczelinę, powodując znaczne odkształcenie i utratę właściwości stali w zakresie pochłaniania ciepła, szybko się nagrzewając.
Wiele hi-fi i prawie wszystkie profesjonalne głośniki niskotonowe (woofery) zawierają otwory wentylacyjne w systemie magnesów, aby zapewnić wymuszone chłodzenie cewki drgającej. Działanie pompujące stożka i osłony przeciwpyłowej zasysa chłodne powietrze i usuwa gorące powietrze. Ta metoda chłodzenia opiera się na ruchu stożka, więc jest nieskuteczna przy częstotliwościach średnich i wysokich, chociaż wentylacja głośników średniotonowych i wysokotonowych zapewnia pewne korzyści akustyczne.
W najwcześniejszych głośnikach cewki drgające były nawijane na papierowe szpulki, co było odpowiednie dla niewielkich poziomów mocy. Gdy pojawiły się mocniejsze wzmacniacze, folia aluminiowa ze stopu 1145 została powszechnie zastąpiona szpulami papieru, a cewki drgające przetrwały zwiększoną moc. Typowe cewki drgające nowoczesnych głośników hi-fi wykorzystują materiały, które mogą wytrzymać temperatury robocze do 150°C, a nawet 180°C. W przypadku profesjonalnych głośników dostępne są zaawansowane termoutwardzalne materiały kompozytowe, które poprawiają żywotność cewki drgającej w przypadku jednoczesnego silnego obciążenia termicznego (<300°C) i mechanicznego.
Aluminium było szeroko stosowane w przemyśle głośnikowym ze względu na niski koszt, łatwość łączenia i wytrzymałość konstrukcyjną. Kiedy pojawiły się wzmacniacze o większej mocy, szczególnie w profesjonalnym dźwięku, obnażyły się ograniczenia aluminium. Dość skutecznie, ale niewygodnie przenosi ciepło z cewki drgającej do połączeń klejowych głośnika, degradując je termicznie, a nawet spalając. Ruch aluminiowej szpuli w szczelinie magnetycznej wytwarza prądy wirowe w materiale, które dodatkowo zwiększają temperaturę, utrudniając długoterminowe przetrwanie. W 1955 DuPont opracował Kapton, poliimid folia z tworzywa sztucznego, która nie miała wad aluminium, więc Kapton, a później Kaneka Apical, były szeroko stosowane w cewkach drgających. Chociaż te ciemnobrązowe folie z tworzywa sztucznego odniosły sukces w przypadku większości cewek hi-fi, miały one również mniej atrakcyjne właściwości, głównie ich koszt i niefortunną tendencję do mięknięcia pod wpływem ciepła. Hisco P450, opracowany w 1992 roku w celu rozwiązania problemu mięknienia w profesjonalnych głośnikach, jest termoutwardzalnym kompozytem cienkiej tkaniny z włókna szklanego, impregnowanej żywicą poliimidową, łączącą najlepsze właściwości poliimidu z odpornością na temperaturę i sztywnością włókna szklanego. Wytrzymuje brutalne obciążenia fizyczne i temperatury robocze do 300°C, a jego sztywność pomaga zachować „zimną” charakterystykę częstotliwościową głośnika.
Właściwy drut używany do uzwojenia cewki drgającej jest prawie zawsze miedziany, z powłoką izolacji elektrycznej, aw niektórych przypadkach warstwą samoprzylepną. Drut miedziany zapewnia łatwą w produkcji cewkę drgającą ogólnego przeznaczenia za rozsądną cenę. Tam, gdzie od głośnika wymagana jest maksymalna czułość lub rozszerzone pasmo przenoszenia wysokich częstotliwości, można zastąpić drut aluminiowy, aby zmniejszyć ruchomą masę cewki. Drut aluminiowy, choć dość delikatny w środowisku produkcyjnym, ma około jednej trzeciej masy równoważnego drutu miedzianego i ma około dwóch trzecich przewodności elektrycznej. Czasami używany jest drut aluminiowy pokryty miedzią, co umożliwia łatwiejsze nawijanie, a także użyteczne zmniejszenie masy cewki w porównaniu z miedzią.
Można zastosować płaski drut z anodyzowanego aluminium , który zapewnia izolującą warstwę tlenku bardziej odporną na przebicie dielektryczne niż powłoki emaliowane na innym przewodzie cewki drgającej. W ten sposób powstają lekkie cewki drgające o niskiej indukcyjności, idealnie nadające się do zastosowania w małych głośnikach o rozszerzonym zasięgu. Głównym ograniczeniem mocy takich cewek jest temperatura mięknienia termicznego klejów, które łączą drut ze szpulą lub szpulę z pająkiem i cewką.
Cewki drgające mogą być używane do zastosowań innych niż głośniki, gdzie wymagana jest liniowość siły czasowej i długie skoki. Niektóre środowiska, takie jak próżnia lub przestrzeń, wymagają szczególnej uwagi podczas poczęcia, aby usunąć straty cewki. W celu ułatwienia odprowadzania ciepła można zastosować kilka konkretnych metod.
Cewki zwisające i podwieszane
Powyższy obraz pokazuje dwa sposoby zanurzania cewki drgającej w polu magnetycznym. Najbardziej powszechną metodą jest zwisająca , w której wysokość cewki drgającej jest większa niż wysokość szczeliny magnetycznej. Konstrukcja podwieszana , stosowana głównie w głośnikach high-end, ma wysokość cewki mniejszą niż szczelina. Różnice, zalety i wady obu metod wymieniono poniżej.
|
Zwisająca cewka
|
Cewka podwieszana
|
Obie topologie mają ten sam cel: liniową siłę działającą na cewkę, aby przetwornik wiernie odwzorowywał przyłożony sygnał.
Inne zastosowania tego terminu
Termin „cewka drgająca” został uogólniony i odnosi się do dowolnego mechanizmu podobnego do galwanometru , który wykorzystuje solenoid do poruszania obiektu tam iz powrotem w polu magnetycznym.
W szczególności jest powszechnie używany w odniesieniu do cewki z drutu, która porusza głowicami do odczytu i zapisu w napędzie dysków z ruchomą głowicą . W tym zastosowaniu bardzo lekka cewka z drutów jest zamontowana w silnym polu magnetycznym wytwarzanym przez trwałe magnesy ziem rzadkich . Cewka drgająca jest częścią silnika układu serwo , która pozycjonuje głowice: elektryczny sygnał sterujący napędza cewkę drgającą, a wynikająca z tego siła szybko i dokładnie ustawia głowice.
Zobacz też
- [1] , Dobry artykuł na temat siłowników z cewką drgającą.
- Podręcznik cewki drgającej głośnika Hisco , wydanie 7, sierpień 2001. Hisco, Anaheim, CA 92807. 714 777 2665.
- Siłowniki z cewką drgającą , zasada i praktyka.