Bias-Einstellung per Schnittstelle

[andreas42]

Hallo Kai,

das ist sehr eindrucksvoll! Ich brauche aber noch eine Weile zum Verdauen - möglicherweise erst am Wochenende.

Viele Grüße
Andreas

[andreas42]

Hallo,

ein kurzes Lebenszeichen von mir:

Bevor ich mit der HF-Seite weitermache, habe ich mich zwischendurch der Ansteuerung für den Prototypen gewidmet. Diese günstige (<10€) 8-Kanal-Relaiskarte hat mir der Arduino-Bastelboom beschert:

   

Jetzt endlich habe ich das passende Kabel gelötet, um sie an der Parallelport anzuschließen:

   

Dabei musste ich mich erst noch mit den elektrischen Gepflogenheiten solcher Schnittstellen vertraut machen - schienen doch Dioden und Optokoppler auf der Relaiskarte falsch gepolt zu sein. Nun habe ich gelernt, dass ein Parallelport mehr Strom versenken als liefern kann, und das eine durchaus übliche Beschaltung ist. Diese Anleitung war für mein Verständnis äußerst hilfreich. Nur brauche ich dann eben noch eine 5V-Versorgung

Die Spulen der Relais sind vom Steuer-Port durch Optokoppler getrennt. Das wollte ich natürlich nicht aufgeben, deswegen werden die Relais aus einem alten Steckernetzteil, und die Schnittstelle kurzerhand aus dem USB des gleichen Rechners versorgt. Das sieht dann so aus:

   

Ein kurzer Funktionstest (ohne Parallelport, sondern mit einer Drahtbrücke) war positiv. Später am Tage (oder auch erst in den nächsten Tagen) versuche ich das dann auch mit Rechner

Weil ich kaum Widerstände herumliegen habe, musste ich welche einkaufen:

   

Diese werde ich dann in der weiter oben gezeigten Weise an die Karte klemmen, danach "trocken" den Gesamtwiderstand bei verschiedenen anliegenden Daten messen - und zuletzt das Ganze auch an der B77 probieren.

Mühsam nährt sich das Eichhörnchen im Winter...

Viele Grüße
Andreas


Nachtrag: Auch am Rechner funktioniert der Aufbau in der erwarteten Weise - bisher auch ohne erkennbare Schäden am Parallelport 8) Relais-Klackern anhören oder Lauflichter anschauen ist zwar 5 Minuten lang interessant - aber nutzt sich auch schnell ab: Ich muss wohl doch weitermachen

[kaimex]

Andreas hat mir (für einen hoffentlich guten Zweck) einen B77 Aufnahme-Kopf mit der Bezeichnung 022 zur Verfügung gestellt.
An dem hab ich heute erste Messversuche gemacht mit einem alten Audio-Messplatz, den ich mal (im vorigen Jahrhundert) für Lautsprecher-Prüfungen (Thiele-Small & Co.) gebaut habe.
Ist also für eher kleine Impedanzen gedacht (und nicht für 150 kHz). Aber was man selbst verbrochen hat, läßt sich leichter modifizieren als Fremdprodukte.
Anbei ein Plot des Betrags der Impedanz der unteren Wicklung im Frequenzbereich 200 Hz - 25 kHz:
   
Mit einem Stromgenerator kann das System nicht dienen. Deshalb ich einmal mit Quell-Widerstand 2757 Ohm gemessen (blau Z1a), und als ich merkte, daß das am oberen Ende des Frequenzbereichs schon zu niederohmig ist, nochmal mit auf 25287 Ohm erhöhtem Innenwiderstand (gräulich Z2a). Für letztere gibt es auch noch eine (tentativ) um den Innenwiderstand korrigierte Kurve (rot gestrichelt Z2ak).
Bei der zweiten Messung mußte ich die Empfindlichkeit "aufreissen", deshalb sieht sie insbesondere am unteren Ende zappeliger aus und gibt den vom Gleichstom-Widerstand hochkommenden Anfang der Kurve nicht so gut wieder wie die erste Messung. Rdc1 wurde per Multimeter als ~14,3 Ohm ermittelt. Die am Audioplatz benutzten Strippen haben dem noch 1,1 Ohm hinzugefügt, so daß die blaue Kurve bei Messung ab 20 Hz bei etwa 15,4 Ohm begann (hier nicht zu sehen).
Zum Vergleich ist noch der Impedanzverlauf einer idealen 6,6 mH Induktivität (hellgrün) geplottet.
Die dickere schwarz gestrichelte Kurve zeigt einen Modell-Fit an die Kombination von blauer Kurve (200-4000 Hz) und rot-gestrichelter Kurve (4k-25kHz). Hier das Modell:
   
L1 und L2 ergeben zusammen knapp 6,6 mH. R1 und R2 sind Verlustwiderstände der Wicklung. R3 der Gleichstrom-Widerstand (plus Strippen).

MfG Kai

[andreas42]

Hallo Kai,

vielen Dank - damit wäre das Verhalten über den Audiobereich schonmal bekannt.

Ich kann es aber mangels Erfahrung nicht einordnen - sieht das "normal" aus, hättest Du es etwa so erwartet?

Viele Grüße
Andreas

[kaimex]

Mehr Erfahrung mit Tonköpfen hab ich bestimmt nicht.
Er ist wesentlich nieder-ohmiger als die paar Köpfe, die ich bisher in Fingern hatte.
Soweit ich mich erinnere, liegen/lagen die Induktivitäten bei Uher Royal und RdL bei 150 mH und 100 mH (50 mH hab ich da bei zwei ganz abgeschliffenen gesehen), und die Gleichstrom-Widerstände etwa 10-mal so hoch.
Den Wert bei der N4504 hab ich vergessen, war aber wohl auch nicht so auffällig niedrig.
Das waren aber auch 4-Spur-Köpfe, bei denen vermutlich aus Platzgründen deutlich dünnerer Draht verwendet wurde.

Vielleicht hat man den AK 022 so mit so niedriger Impedanz versehen, damit er für die hohe Biasfrequenz von 150 kHz noch taugt. Bei den Uher-Geräten liegen die Frequenzen wohl eher bei 60..80 kHz.

Die Verluste und die Induktivitätsabnahme zu hohen Frequenzen werden durch die Kopplung zum Metallgehäuse bestimmt (Wirbelströme) und Skin- & Proximity-Effekt in den eigenen Drähten. Wenn da aus Bequemlichkeit Volldraht verwendet wurde, sieht es bei letzteren Effekten schlechter aus.
Bei ganz starken Wirbelstrom-Effekten würde die Impedanz nur noch etwa mit Wurzel(f) zunehmen (statt mit f) und der frequenzabhängige Verlustwiderstand (hier durch verteilte Festwiderstände approximiert) mit Wurzel(f) ansteigen.

Die Effekte sind hier aber gering. Das sieht bei den Schwingspulen mancher Lautsprecher viel drastischer aus, so daß die Angabe einer Schwingspulen-Induktivität eigentlich gar keinen Sinn macht.

MfG Kai
Nachtrag: Wenn man die Hoffnung hegt, man könne bei der Bias-Frequenz durch Ausnutzung eines Resonanz-Effektes HF-Speisespannung einsparen, darf man nicht den Sperrkreis zum NF-Teil vergessen: Der könnte bei schlechter Güte die edle Absicht noch vermasseln...
Er liegt nämlich über 3nF nach Masse HF-mäßig so gut wie parallel zum AK.

[kaimex]

Heute hab ich bei Frequenzen von ca. 2kHz bis 250 kHz gemessen. Leider versagte die in #50 beschriebene Methode bei Frequenzen oberhalb 80 kHz indem sich keine Minima mehr fesstellen ließen. Deshalb bin ich dann zu anderen Meßmethoden übergegangen. Da ich das alles lieber nochmal überprüfe, hier noch keine Details, sondern nur ein Wert für 149,7 kHz.
Da bekomme ich "momentan" raus Z=R+jX=2369 + j 1342 Ohm. Der Wert von X entspräche, wenn er auf einer Induktivität (omega L) beruhen würde, einem L ~ 1,427 mH.
Wegen der geringen Güte ist damit nur ein Pegelgewinn von schlappen 1.2 dB möglich.

MfG Kai

[kaimex]

Die gute Nachricht zuerst:
Überprüfung und anschließende Neumessung nach einer verfeinerten Methode führten zu günstigeren Spulen-Werten.
Die schlechte Nachricht:
Trotzdem reicht es nicht zum Glücklich-Werden.
Hier Serien-Widerstand R, Reaktanz X und Betrag der Impedanz |Z| zwischen 6 und 155 kHz:
   
|Z| (rot) und X (türkis) steigen unterproportional mit der Frequenz f an, zum Vergleich schwarz gestrichelt eine 6,2 mH Spule,
R (grün) steigt überproportional mit f an.

Die Folge ist, daß die Spulen-Güte Q=X/R mit zunehmender Frequenz immer kleiner wird:
   
Bei 150 kHz ergeben sich hier Q ~ 1,19.
Bei diesen Werten erreicht man mit Spannungsspeisung über eine Serien-Kapazität von 362.8 pF einen 3.83 dB (156 %) höheren Spulenstrom, bzw. man erreicht mit 64.3 % der Spannung den gleichen Strom. Statt der Maximalspannung laut B77-Manual von 55 Veff käme man also mit 35 Veff aus (sofern die HF-Sperre die Güte nicht weiter reduziert).

Betrachtet man X/(2 pi f) als Induktivität, so nimmt die von über 6 mH auf ~ 3.1 mH @ 150 kHz ab.
   

Diese Messungen fügen sich ohne Bruch an die bei tieferen Frequenzen aus #53 an:
   

MfG Kai

[andreas42]

Hallo Kai,

vielen Dank für Deine Messung! Wenn sich auch bei einem möglichen Oszillator-Neuentwurf durch eine Serienkapazität nicht viel Betriebsspannung sparen lässt, so haben wir doch jetzt immerhin ein tragfähiges Modell für Z(ω), mit dem man bei solchen Entwürfen arbeiten könnte

Wie sind denn jetzt in diesem Lichte die für den Kopf angegebenen 10 mH zu verstehen? Wenn man in Deine |Z|-von-Frequenz-Diagramm eine Gerade für 10 mH einzeichnet, dann schneidet sie die Messdaten wahrscheinlich bei der Frequenz, für die 10 mH gemessen und angegeben wurden, oder?

Weiter oben hattest Du davon gesprochen, dass es Polstellen geben kann und der Kopf dann jenseits davon "kapazitiv" wird - also |Z| mit steigender Frequenz wieder sinkt. Davon ist hier also nichts zu sehen.

Neumessung nach einer verfeinerten Methode

Aus Neugier - wahrscheinlich kann ich ja dabei was lernen: Wie hast Du denn jetzt gemessen?

Betrachtet man X/(2 pi f) als Induktivität, so nimmt die von über 6 mH auf ~ 3.1 mH @ 150 kHz ab.

In der ganzen Diskussion habe ich mich schon länger gefragt, wie sehr ich mich an die 150 kHz Oszillatorfrequenz der B77 gebunden fühlen will. Immerhin verwendet die A77 den gleichen Kopf mit 130 kHz, und in anderen Geräten kommen durchaus mal 100 kHz oder weniger vor. Gut, nach Deinem Q(f)-Diagramm würde das auch nicht viel ändern.

Ist eigentlich ein Zusammenhang zwischen Bandeigenschaften (also dem Datenblatt) und der Bias-Frequenz bekannt? Ich habe noch nicht davon gehört, und die Bias-Frequenz ist auch in den Datenblättern normalerweise nicht angegeben. Peter, liest Du mit, und weißt Du mehr?

Viele Grüße
Andreas

[kaimex]

Das passende Modell zu dieser Messung hatte ich noch nicht angegeben.
In den Bezeichnungen des zweiten Bildes von #53 hat es die Werte:
R1=12.56 kOhm, L1=4.354 mH, R2=321,2 Ohm, L2=2.147 mH, R3= 15.4 (14.3) Ohm.

10 mH sehe ich da nicht. Der größte Wert lag bei ~ 6.6 mH.
Es stellte mal jemand die Frage, ob man an der Induktivität den Verschleiß/Abschliff des Kopfes sehen könnte.
Dazu müßte man mal einen garantiert unbenutzten typischen Kopf vermessen und die normale Streung der Parameter kennen.
Aufmagnetisierung reduziert wohl auch das L. Andereseits sollte man Nominalwerte auch nicht "überbewerten".

Wenn man das Serien-Ersatzschaltbild der Spule in das Parallel-Bild umrechnet, hat man bei 150 kHz ein Lp um 5 mH. Nimmt man 30 pF Streu-Kapazität an, käme man auf eine Parallel-Resonanzfrequenz von >411 kHz, da die Induktivät bis dahin ja weiter abnimmt. Man müßte also bei höheren Frequenzen messen, um davon etwas zu sehen. Bei Köpfen von Heimgeräten mit 50-150 mH liegen die Frequenzen deutlich tiefer.
Übrigens verläuft die Frequenzabhängigkeit des dazu gehörigen äquivalenten Parallel-Widerstandes Rp nahezu perfekt entlang einer Wurzel(f)-Kurve, wie es die Skin-Effekt Theorie beschreibt. (Lehrbeispiel in Standardwerken der Elektrotechnik).

Das Nicht-Erkennen des flachen Dips durch Serien-Resonanz oberhalb ~80 kHz lag wohl daran, daß die Empfindlichkeit meines Millivoltmeters bei höheren Frequenzen allmählich abfällt. Das verformt den Dip zu einer Art Tiefpass-Shelf -Funktion , also zu einer abschüssigen Stufe. Nachdem mir das klar wurde, hab ich einen alten Oszillografen genommen, der größere Bandbreite hat, den Hochpunkt der Halbbrücke (Messpunkt1 im Bild in #50) an den X-Kanal angeschlossen, den Meßpunkt2 zwischen Kopf und Fußpunkt-Widerstand (Helipot) an den Y-Kanal, nach wie vor das Millivoltmeter zum Einstellen auf 50% an Messpunkt 2, die Frequenz so eingestellt, daß die Lissajous-Figur auf dem Oszi zum diagonalen Strich wird. Vor dem Y-Eingang des Oszi mußte ich vorher noch mit einem Serien-RC Tiefpass die kleinere Bandbreite des X-Kanals ausgleichen, da sonst bei Anzeige gleicher Signale über X und Y die Ellipse schon etwas geöffnet ist. Tut man das nicht, gleicht man auf zu hohe Frequenzen ab.
Besser und bequemer wäre Messung mit einer Voll-Brücke, Referenz-Kanal fest auf 50%, und einem Differenz-Verstärker ausreichender Bandbreite im Brückenzweig, über den man dann Null-Abgleich mittels Frequenz und Fußpunkt-Widerstand in der ersten Halbbrücke durchführt.

Bei einer Güte von 2 (um 50 kHz) würde man ~ 7 dB gewinnen, bei Q=4 bereits ~ 12 dB (Faktor 4).

In der Literatur, die mir bisher unter die Augen kam, habe ich nur die "imperative" Aussage wahrgenommen, daß die Hysteresekurve beim Aufnahmevorgang im abklingenden Feld hinter der Hinterkante des Aufnahmekopfes noch möglichst vielfach durchlaufen werden sollte. Konkrete numerische Beschreibung der Abhängigkeit von der Bias-Frequenz sind mir nicht bekannt.
Viele Heim-Tonbandgeräte haben ja bekanntermaßen mit Bias/Löschfrequenzen deutlich unter 100 kHz auch bei 19 cm/s zufriedenstellend funktioniert.

MfG Kai

[andreas42]

Hallo,

aus gegebenem Anlass wollte ich mich nun auch an einer Impedanzmessung versuchen, habe aber dazu nebenan einen neuen Thread eröffnet, um die Themen ein wenig zu trennen: Impedanzmessung per Soundkarte.

Vor allem wollte ich sehen, wie sich mein Relaikarten-Widerstands-Aufbau dabei benimmt. Mit aller gebotenen Vorsicht, bevor die Fehler der Methode verstanden sind: Wie eine Induktivität scheint die Impedanz zu hohen Frequenzen anzusteigen:

   

Später mehr - jetzt ist erstmal die Familie dran

Viele Grüße
Andreas