Lautsprecher

Ob Türklingel, Rauchmelder mit Sprachansage, Smartphone oder Hi-Fi-Box – fast überall, wo ein Gerät spricht oder Musik spielt, arbeitet ein dynamischer Lautsprecher. Für die Elektronik ist er eine Last mit wenigen Ohm, die einen kräftigen Wechselstrom braucht. Wer ein Sprachmodul an einen Mikrocontroller hängt, muss deshalb wissen, was Impedanz und Belastbarkeit bedeuten und warum ein Lautsprecher nie direkt an einen Portpin gehört.

Aufbau und Funktionsweise

Ein dynamischer Lautsprecher arbeitet mit der Kraft, die ein Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter ausübt – der Lorentzkraft (siehe Elektromagnetismus). Seine Teile:

• Magnet und Polplatten: Ein Dauermagnet aus Ferrit oder Neodym erzeugt mit Polkern und Polplatte einen schmalen, ringförmigen Luftspalt mit starkem, radial gerichtetem Feld (siehe Magnetismus).
• Schwingspule: eine leichte Spule aus wenigen Lagen dünnen Kupfer- oder Aluminiumdrahts auf einem Röhrchen, die frei im Luftspalt hängt.
• Membran: ein Konus aus Papier, Kunststoff oder Metall, fest mit der Schwingspule verbunden.
• Sicke und Zentrierspinne: elastische Aufhängungen am äußeren Rand und an der Spule. Sie halten Membran und Spule mittig und ziehen sie in die Ruhelage zurück.
• Korb: das Gestell, das alles zusammenhält.

Fließt Strom durch die Schwingspule, wirkt im Luftspalt eine Kraft auf sie, je nach Stromrichtung nach vorn oder hinten. Ein Wechselstrom lässt Spule und Membran im Takt des Signals schwingen, die Membran schiebt die Luft an und erzeugt Schall. Umgekehrt funktioniert das auch: Bewegt man die Membran, induziert die Spule eine Spannung (siehe Induktion). Ein Lautsprecher kann deshalb als einfaches Mikrofon dienen.

Eine Membran kann nicht alle Frequenzen gleich gut abstrahlen. Für tiefe Töne muss sie viel Luft bewegen und braucht eine große Fläche und einen weiten Hub. Bei hohen Tönen ist eine große, schwere Membran zu träge, ihre Wiedergabe fällt ab, und Teile der Membran schwingen gegeneinander. Deshalb teilen Mehrwegeboxen den Frequenzbereich auf: Tieftöner für den Bass, Mitteltöner, Hochtöner mit kleiner, leichter Kalotte. Eine Frequenzweiche aus Spulen und Kondensatoren verteilt das Signal, nach dem Prinzip der RC- und RL-Glieder.

Ohne Gehäuse heben sich vor allem tiefe Töne auf: Der Überdruck vor der Membran gleicht sich mit dem Unterdruck dahinter aus – der akustische Kurzschluss. Ein geschlossenes Gehäuse trennt Vorder- und Rückseite, eine Schallwand verlängert den Umweg.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist ein kleines Rechteck für den Antrieb mit einem Trichter, der die Membran andeutet. Das Kurzzeichen ist LS oder SP (Speaker), manche Pläne verwenden B oder BZ. Die Anschlüsse sind oft mit „+“ und „−“ oder einem roten Punkt markiert. Die Polarität spielt für einen einzelnen Lautsprecher keine Rolle, mehrere Lautsprecher müssen aber gleichphasig angeschlossen werden. Mehr findest du unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Die Nennimpedanz ist nicht der Widerstand, den dein Multimeter misst. Der Gleichstromwiderstand der Schwingspule liegt meist bei 70 bis 85 % der Nennimpedanz, bei einem 8-Ω-Lautsprecher also etwa 6 bis 7 Ω. Über der Frequenz ändert sich die Impedanz stark: Bei der Eigenresonanz der Membran steigt sie auf ein Vielfaches an, und zu hohen Frequenzen hin steigt sie durch die Induktivität der Schwingspule wieder (siehe induktiver Blindwiderstand). Die Nennimpedanz ist ungefähr das Minimum oberhalb der Resonanz.

Der Kennschalldruck sagt, wie laut ein Lautsprecher bei einem Watt ist. Jede Verdopplung der Leistung bringt 3 dB mehr, jede Verdopplung des Abstands kostet 6 dB. Wie Dezibel und Schalldruck zusammenhängen, erklären Dezibel und Schallpegel.

Bauformen

• Konuslautsprecher in Boxen und Radios, von 5 cm bis über 30 cm Durchmesser.
• Kalottenhochtöner mit einer kleinen, gewölbten Membran aus Gewebe oder Metall.
• Kleinlautsprecher mit 20 bis 50 mm Durchmesser und Kunststoffmembran für Geräte, Spielzeug und Sprachausgabe; oft wasserabweisend.
• Mikrolautsprecher in rechteckigen Flachgehäusen für Smartphones und Wearables, wenige Millimeter dick.

Daneben gibt es Schallwandler nach anderen Prinzipien: Ein Piezo-Summer ist billig und sparsam, gibt aber vor allem Pieptöne in einem schmalen Frequenzbereich wieder. Für Sprache und Musik ist der dynamische Lautsprecher die Regel.

Ansteuerung

Ein Mikrocontroller-Pin liefert höchstens 20 mA und hat einen Ausgangswiderstand von einigen zehn Ohm. An 8 Ω würde er weit überlastet, und der Ton wäre leise und verzerrt. Zwischen Signalquelle und Lautsprecher gehört ein Verstärker. Heute nimmt man fast immer einen Class-D-Verstärker: Er schaltet die Ausgangsstufe mit einigen hundert Kilohertz und erreicht 80 bis 90 % Wirkungsgrad. Viele Typen nehmen das Signal digital über I²S entgegen, etwa der MAX98357A, oder analog, wie der PAM8302.

Die meisten dieser Verstärker arbeiten in Brückenschaltung (BTL): Zwei Ausgangsstufen treiben die beiden Lautsprecheranschlüsse gegenphasig. Der Lautsprecher sieht damit die doppelte Spannungsschwankung und – weil die Leistung mit dem Quadrat der Spannung wächst – die vierfache Leistung. Außerdem liegt an beiden Anschlüssen dieselbe Gleichspannung, ein Koppelkondensator entfällt.

Bei einem Eintakt-Verstärker liegt der Ausgang im Ruhezustand auf halber Versorgungsspannung. Ein Koppelkondensator in Reihe zum Lautsprecher hält den Gleichstrom fern. Er bildet mit dem Lautsprecher einen Hochpass mit der Grenzfrequenz f_g = 1 / (2 · π · R · C). Für 100 Hz an 8 Ω brauchst du C = 1 / (2 · π · 100 Hz · 8 Ω) ≈ 200 µF, gewählt 220 µF. Nachrechnen kannst du das hier:

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst Größe und Bauform nach dem Platz und dem gewünschten Frequenzbereich: Für Sprachausgabe genügen 300 Hz bis einige Kilohertz, für Musik braucht es mehr Membranfläche. Dann prüfst du Nennimpedanz und Belastbarkeit gegen den Verstärker und den Kennschalldruck gegen die gewünschte Lautstärke.

Häufige Fehler:

• Lautsprecher direkt am Portpin: Der Pin wird überlastet, das Signal ist leise und verzerrt. Nimm einen Verstärker oder für reine Pieptöne einen Piezo-Summer.
• Brückenausgang gegen Masse gelegt: Bei BTL-Verstärkern ist keiner der Lautsprecherausgänge Masse. Verbindest du einen davon mit Masse, schließt du eine Ausgangsstufe kurz.
• Zu kleine Impedanz: Ein 4-Ω-Lautsprecher an einem Verstärker, der nur für 8 Ω ausgelegt ist, zieht den doppelten Strom und überhitzt die Endstufe.
• Einbau ohne Gehäuse oder Schallwand: Der akustische Kurzschluss schluckt die tiefen Töne; schon eine geschlossene Kammer hinter dem Lautsprecher hilft deutlich.
• Lautsprecher nahe am Magnetsensor oder Kompass: Der Dauermagnet stört Hallsensoren, Magnetometer und Reedkontakte in der Nähe.

Selbsttest