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Freitag, 11. November 2016, 21:37

Kopf-Magnetisierungskennlinien gucken

Getrieben von der Neugier, wie die Magnetisierungskennlinie von Tonköpfen aussieht, habe ich eine kleine Schaltung gebastelt, mit der man sich den Verlauf der Magnetfluß-Variation in der Spule als Funktion des durch sie fließenden Stromes ansehen kann.
Die Messung basiert auf folgendem Prinzip:
Die Spannung an einer idealen Spule ist proportional zur zeitlichen Änderung des Magnetflusses. Eine reale Spule hat auch noch einen Gleichstromwiderstand und frequenzabhängige Verluste, die sich auch als zusätzlicher Serienwiderstand beschreiben lassen. Um zu einem Signal proportional zum Magnetfluß zu kommen, muß man also von der Spannung an der Spule den "resistiven" Anteil abziehen, den Rest integrieren und "fertisch".
Das macht dieses Kästchen:

An der Buchse hinten links geht Sinus aus einem Tongenerator rein, z.B. 1kHz und wird etwas verstärkt, damit man das Teil auch mit einem Smartphone-Tongenerator treiben kann. An den Schraub-Block wird das DUT (Device Under Test) geklemmt. An der Buchse hinten rechts kommt ein Signal proportional zum Strom durch die Spule raus. An der Buchse links davon kommt das "Fluß"-Signal raus. Gibt man die beiden auf die x- & y- Eingänge eines Oszilloskops oder gleichwertigen PC-Programms, kann man die dynamische Magnetisierungskennlinie gucken. Mit dem Potentiometer gleicht man den Abzug des resistiven Anteils ab.
Hier ein paar Beispiele:
Das Teil aus meiner Bastelkiste, dessen Kennlinie mit der von µ-Metall größte Ähnlichkeit hat, ist ein Mikrofon-Übertrager T165 der Fima Haufe. Die Messung zeigt die Primär-Wicklung bei 434 Hz und Imax ~ 15 mA. Mit einem anderen System habe ich an der Wicklung Rs=29,2 Ohm und Ls=1,48 H gemessen.


Hier eine vor Jahrzehnten gebaute Spule auf einem Topfkern mit 9 mm Durchmesser, vermutlich ohne Luftspalt: Rs=29 Ohm, Ls=298 mH.
Gemessen bei 1 kHz und Imax=20 mA.


Von meiner Uher Royal 784S habe ich noch die erste Kopf-Garnitur, die irgendwann in den 70er Jahren wegen unbefriedigendem Klang infolge Abschliff durch neue ersetzt wurden. Die Systeme haben einen Rs von 166...175 Ohm und Ls bei tiefen Frequenzen um 160 mH.
Aufnahmekopf, unteres System (die folgenden Messungen alle bei 1 kHz und Imax = 10 mA)
:

AK, oberes System:


Wiedergabekopf unteres System:


WK, oberes System:


Bogen-Kopf aus einem Uher-RdL Kopfträger, unteres System. Der Kopf ist so stark abgeschliffen, daß man über die ganze "Bandhöhe" einen mittigen durchgehenden Spalt sieht:

Der zweite Bogen-Kopf aus dem Kopfträger hat keinen durchgehenden Spalt, zeigt aber auch die gleiche lineare Kennlinie ohne jedes Indiz eines magnetischen Kerns Rs : 167...175 Ohm, Ls : 49 .. 50 mH.

Leider habe ich keinen einzigen neuwertigen Kopf wehrlos rumliegen. Deshalb muß ich eine solche Messung vorerst "schuldig" bleiben.

Zum Trost hier die fast vollständige Doku der Schaltung:


Ich nehme an, daß man mit dem Kistchen Tonköpfe auch "entmagnetisieren" kann, indem man den Pegel am Tongenerator langsam runterdreht oder ein Netzteil mit ausreichend großen Speicherkondensatoren einfach abschaltet. Dann klingen Betriebsspannung und Spulenstrom auch allmählich ab.

MfG Kai

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2

Samstag, 12. November 2016, 10:21

Hallo Kai,

faszinierend, was man alles "basteln" kann, wenn man sich auskennt - Respekt! Das weckt Erinnerungen an einen Praktikumsversuch, bei dem wir solche Kennlinien vom Oszi auf Klarsichtfolie abgemalt, ausgeschnitten und gewogen haben, um die Fläche zu bestimmen. O selige Zeiten 8)

Eine reale Spule hat auch noch einen Gleichstromwiderstand und frequenzabhängige Verluste, die sich auch als zusätzlicher Serienwiderstand beschreiben lassen. Um zu einem Signal proportional zum Magnetfluß zu kommen, muß man also von der Spannung an der Spule den "resistiven" Anteil abziehen


Ich mache mir von der Anordnung - inklusive Rs und Ls - gerade folgende Vorstellung - stimmt das so? Zweifel habe ich vor allem bei Ls?



Mit dem Potentiometer gleicht man den Abzug des resistiven Anteils ab.


Wie funktioniert der Abgleich? Rs vorher separat ausmessen, und dann das Poti auf den gemessenen Wert einstellen? Oder direkt im Oszi-Bild? Wahrscheinlich ganz einfach, und ich stehe nur auf dem Schlauch...

Viele Grüße
Andreas

3

Samstag, 12. November 2016, 12:16

Das ist so etwas wie ein aufgemotzter „Komponententester“ den viele Hamegoszis eingebaut haben.

http://www.hobby-bastelecke.de/messen/os…ententester.htm

Gruß Ulrich

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4

Samstag, 12. November 2016, 13:23

Die Messungen an den ausgemusterten Köpfen einer Uher Royal 784S habe ich nochmal mit größerer Auflösung (bzw. für einen kleineren Strombereich) wiederholt, damit man den Übergang vor der Sättigung in dieselbe besser sieht und die Stromgrenze klarer wird.
Zunächst alle vier Systeme bei 1kHz und Strom bis 5 mA.
AK, unteres System, Ls~156 mH, Rdc~163,5 Ohm:


AK, oberes System, Ls~141mH, Rdc~162,9 Ohm:


WK, unteres System, Ls~167,5 mH, Rdc~154,1 Ohm:


WK, oberes System, Ls~152,5 mH, Rdc~161 Ohm:


nochmal WK unten, jetzt im 3 mA Bereich:


Zu Andreas' Fragen:
Hier eine etwas zutreffendere Skizze:


Die Spule hat in sich verteilte Serien- und Parallelwiderstände, die bei einer bestimmten Frequenz durch einen Serienwiderstand Rs_schlange beschrieben werden können. Dieser Widerstand ist größer als der Gleichstromwiderstand Rdc und Frequenz-abhängig.
Es reicht also nicht, den Rdc zu messen. Man müßte Rs(f) vorher bei kleinem Signal messen.
Da es hier aber nicht um eine Präzisionsmessung geht, sondern nur ums Anschauen und erkennen, wo der Sättigungsbereich beginnt, kann man einfach das Poti empirisch so einstellen, daß die Phi(I) Kurve im Sättigungsbereich außen zum Strich wird. Bei falscher Einstellung öffnet sich die Kurve oder bildet eine Öse.

MfG Kai

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5

Samstag, 12. November 2016, 15:11

Zu Ulrich's Verweis auf den Hameg Komponententester, der die Spannung am DUT über dem Strom anzeigt :

Der würde für eine Spule mit ca. 160 mH und Rdc=175 Ohm auf einem Kern mit Hysterese die blauen Kurven anzeigen für eine sinusförmige Messspannung bei 1 kHz mit dreieckförmiger Hüllkurve, die allmählich ansteigt, bis Ströme von 30 mA fließen.


Meine Schaltung zeigt die roten Kurven.

MfG Kai

6

Samstag, 12. November 2016, 15:42

Ich schrieb ja auch so etwas wie ein aufgemotzter Komponententester.

So sieht ein Kopf mit einem realen Hameg-Komponententester aus:



Gruß Ulrich

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Samstag, 12. November 2016, 19:41

Hallo Kai,

Ich musste die Grundlagen nochmal hier auffrischen: https://de.wikipedia.org/wiki/Spule_(Ele….C3.A4relemente

Die Spule hat in sich verteilte Serien- und Parallelwiderstände, die bei einer bestimmten Frequenz durch einen Serienwiderstand Rs_schlange beschrieben werden können. Dieser Widerstand ist größer als der Gleichstromwiderstand Rdc und Frequenz-abhängig.


vielen Dank - auch die Skizze hat mir beim Verständnis sehr geholfen!

Viele Grüße
Andreas

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Dienstag, 15. November 2016, 21:53

Wenn man statt einesTongenerators mit konstanter Amplitude einen benutzt, der den Pegel auch noch periodisch verändert, kann man sich die Magnetisierungsschleifen als Funktion des Spitzenstromes durch die Spule ansehen. Früher hätte man zu einem Funktionsgenerator mit Amplitudenmodulations-Option gegriffen. Heutzutage schreibt man ein Programm auf dem PC, das entsprechende Signale auf der Soundkarte ausgibt. Wenn man die Signale an den x-/y-Ausgängen der kleinen Elektronik auf den Stereo-Eingang der Soundkarte schaltet und sie mit einem emulierten x-y-Scope grafisch ausgibt, kann auch der alte Oszi kalt in der Ecke stehen bleiben.

Als Beispiel hier die an einem Miniatur-Trafo aus den Anfangstagen der Transistorisierung gemessene Kurven.
Als die Transistoren noch keine billige Massenware waren, hat man versucht, aus möglichst wenigen Transistoren möglichst viel Leistungsverstärkung herauszuolen. Das gelingt mit Trafokopplung aufeinander folgender Stufen.
Dazu hat man solche Trafos benutzt:


Heißt T012 und stammt vermutlich auch von Fa. Haufe.
Die waren damals wohl billiger als die Transistoren. Heute wäre es sicher umgekehrt. Sind deshalb und aus anderen Gründen heute völlig ungebräuchlich und liegen deshalb unbenutzt in der Bastelkiste.
Die Wicklungen haben Gleichstromwiderstände von ca. 440 und 2450 Ohm wegen des sehr dünnen Drahtes. Die nieder-ohmige hat bei 340 Hz eine Induktivität von etwa 2,5 H. Bei Meßströmen bis 2 mApeak ergab sich dieses Bild:




Bei tieferen Frequenzen werden die Magnetisierungskurven schmaler.
Das zweite Bild wurde bei 185 Hz gemacht, das dritte bei vermutlich 70 Hz (leider versäumt, aufzuschreiben).

MfG Kai