Messen mit der Soundkarte: Induktivität | Soundcard Measurement: Inductance
Spulen messen
mit der Soundkarte
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von Michael Gaedtke
Letzte Änderungen vom 23. September 2006
Passive Frequenzweichen für Lautsprecherkombinationen werden mit Kondensatoren, Widerständen und Spulen aufgebaut. Deshalb ist man beim Lautsprecher-Selbstbau immer wieder einmal mit der Frage konfrontiert, welchen Induktivitätswert eine unbekannte Spule wohl haben mag oder ob die erforderliche Induktivität von einer bestimmten Spule auch tatsächlich mit hinreichender Genauigkeit erreicht wird. Die Messung von Kapazitäten ist inzwischen zu einer Standardausstattung von vielen besseren Digital-Vielfach-Metern geworden. Für die Messung von Induktivitäten gilt das leider nicht – und ein kommerzielles L-Messgerät ist nicht so billig, dass sich die Anschaffung für gelegentliche Messungen lohnen würde.
Auch beim Bau von Röhrenverstärkern (und erst recht beim Radiobasteln) wird man mit der Frage nach der Induktivität von Spulenbauteilen konfrontiert – Übertrager und Trafos benötigen eine bestimmte Primärinduktivität; Drosseln für Röhren-Netzteile sollen für maximale Brummunterdrückung eine vorgegebene Induktivität erreichen. Wer solche Bauteile selbst wickeln will, kommt auf Dauer nicht darum herum, den Erfolg seines Tuns zu verifizieren. Bei mir hat sich das Problem gestellt, als ich an die Konstruktion eines Übertragers für meine Bändchenlautsprecher-Experimente gegangen bin.
Eine Recherche im Internet fördert eine ganze Reihe teils ziemlich ähnlicher Bauanleitungen für L-Meter zu Tage. Häufig sind die Schaltungen mit PIC-Bausteinen bestückt und liefern den gemessenen Induktivitätswert sehr komfortabel auf einem LC-Display. Die Art der Messung ist dabei fast immer die gleiche: Die unbekannte Induktivität bildet mit einer bekannten Kapazität den Resonanzkreis einer einfachen Generatorschaltung; der Wert der Induktivität wird aus der gemessenen Resonanzfrequenz errechnet.
Die aufwändige Auswertungselektronik macht dabei nichts anderes, als die Frequenz auszählen, führt eine einfache Schwingkreisberechnung durch und erledigt die Ansteuerung des Displays. Da lag die Idee nahe, diese Aufgaben dem ohnehin vorhandenen PC zu übertragen. Wenn man dafür sorgt, dass die zu messende Resonanzfrequenz im Bereich des Audio-Spektrums von rund 20 bis 20.000 Hz liegt, dann bietet sich als Messschnittstelle die heute in praktisch jedem PC vorhandene Soundkarte an. Eine geeignete Software-Anbindung für die Soundkarte hatte ich für andere Messaufgaben schon programmiert – was lag also näher, als diese Schnittstelle auch für die Messung von Induktivitäten zu nutzen?
1. Der LC-Generator
Durch die Nutzung eines PC-Programms für die gesamte Auswertung reduziert sich die Messschaltung auf eine kleine Platine mit einem LC-Generator. Der Generator arbeitet mit einer festen Kapazität Cmess und der unbekannten Induktivität Lx, die parallel geschaltet einen Resonanzkreis ergeben, der auf der Frequenz
schwingt. Das ist die bekannte Thomson-Formel, mit der sich aus Induktivität und Kapazität die Resonanzfrequenz eines LC-Schwingkreises errechnen lässt. Der englische Physiker Lord Kelvin hat sie 1853 aufgestellt, als er noch nicht geadelt war und bürgerlich William Thomson hieß. Nach einer kleinen Umstellung der Gleichung kann man eine unbekannte Induktivität errechnen.
Den Referenz-Kondensator sollte man mit einem Kapazitäts-Messgerät ausmessen, das es z.B. als Bestandteil vieler digitaler Multimeter gibt, um möglichst genaue Messergebnisse erzielen zu können. Der Generator wird entweder mit einer 9-Volt-Blockbatterie versorgt oder mit einem kleinen Steckernetzteil. Wenn man einen Betriebsschalter vorsieht, sollte der Schaltzustand durch eine LED angezeigt werden, sonst ist die Batterie bald leer.
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Der Messgenerator ist auf einer kleinen Platine um den integrierten Komparator LM311 herum aufgebaut und benötigt nur wenige zusätzliche Bauteile. Der Kondensator Cmess bildet die bekannte Kapazität. Ich habe dafür einen 0,47 µF Folientyp ausgewählt, weil sich mit dieser Kapazität innerhalb des von der Soundkarte bewältigten Frequenzbereiches von rund 20 Hz bis 20 kHz die in der NF-Technik üblichen Induktivitäten messen lassen. Den Kondensator sollte man mit einem Kapazitäts-Messgerät ausmessen, das es z.B. als Bestandteil vieler digitaler Multimeter gibt, um möglichst genaue Messergebnisse erzielen zu können. |
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Zum guten Schluss habe ich den Generator in ein kleines Gehäuse (aus dem Alubos-Programm, gibt’s bei Reichelt) eingebaut. Hinzu gekommen ist noch ein simpler 7812er Spannungsstabilisator, damit man den Generator mit einem Steckernetzteil betreiben kann. Eine Sicherung auf der Platine schützt das Innenleben und eine Leuchtdiode zeigt den Schaltzustand an. Über eine Cinch-Leitung wird der Generator mit dem Eingang der Soundkarte verbunden. So kann man ziemlich komfortabel messen. |
Der Generator, dessen Schaltbild hier gezeigt ist, wird entweder mit einer 9-Volt-Blockbatterie versorgt oder mit einem kleinen Steckernetzteil. Wenn man einen Betriebsschalter vorsieht, sollte der Schaltzustand durch eine LED angezeigt werden, sonst ist die Batterie bald leer. Der Rechteckgenerator ist eine einfache Standardschaltung ohne Besonderheiten, für die es im Internet mehrere Vorlagen gibt. Wichtig ist die recht hohe Verstärkung des verwendeten Komparators LM311, weil sie ein zuverlässiges Anschwingen des Generators begünstigt. Am Ausgang des Generators wird das Rechteck-Signal mit Hilfe eines einstellbaren Spannungsteilers auf eine soundkartenverträgliche Spannung von maximal einem Volt geteilt. Ein kleiner Kondensator filtert hochfrequente Störungen aus . Mit dem gewählten Kondensator können Induktivitäten zwischen rund 0,22 mH und 10 H gemessen werden.
Der Generator wird an den LineIn-Eingang der Soundkarte angeschlossen. Dazu wird – je nach Soundkartentyp – meist entweder eine Cinch- oder eine Miniklinken-Verbindung notwendig sein. Das Programm erwartet das Messsignal auf dem linken Kanal der Soundkarte. Das Programm setzt eine Soundkarte voraus, die mindestens den PCM-Standard der CD erreicht, also 2 Kanäle mit 16 Bit Auflösung und einer Abtastrate von 44.100 Hz im Voll-Duplex-Betrieb.
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Um die Karte zu aktivieren ruft man den Windows-Mixer durch einen Doppelklick auf das kleine Lautsprechersymbol im Systray auf. Im Menü Optionen wählt man Eigenschaften aus und aktiviert Aufnahme (gelegentlich auch als Eingang oder Record bezeichnet).
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Daraufhin öffnet sich das WaveIn Fenster, in dem der LineIn-Eingang ausgewählt werden muss. Die Lautstärke sollte voll aufgezogen werden. |
Nach dem Start des Programms wird aus Resonanzfrequenz und Messkapazität die angeschlossene Induktivität errechnet und angezeigt. Unter dem Induktivitäts-Feld ist die bereits erwähnte Aussteuerungsanzeige für die Signalstärke in Prozent. Das Eingangssignal sollte ungefähr zwischen 50 und 80 Prozent betragen, um Rausch- und Übersteuerungseinflüsse auf die Messung zu vermeiden. Wird die Signalstärke zu niedrig, um eine sichere Frequenzmessung zu ermöglichen, so wird im Resonanz-Feld "Kein Signal" angezeigt. Ist das Eingangssignal zu schwach oder zu stark, so muss dies am Windows-Mixer oder ggfs. an der Schaltung korrigiert werden.
Ganz ohne Stromquelle kommt man mit dem nebenstehend gezeigten Generator aus, der mit der Gleichspannung betrieben wird, die am Mikrofon-Eingang der meisten Soundkarten zur Verfügung steht, weil damit der FET-Vorverstärker in den üblichen Elektret-Mikrofonkapseln betrieben wird. Die Spannung wird hier zur Versorgung eines LC-Generators zweckentfremdet, der mit zwei Transistorstufen arbeitet. Vom Resonanzkreis im der bekannten Mess-Kapazität C2 und der unbekannten Induktivität Lx im Kollektorkreis von T2 führt eine Mitkopplung zurück auf die Basis von T1, der mit einer möglichst hohen Verstärkung betrieben wird.
Transistor T3 dient zur Auskopplung des Signals an die Soundkarte. Das generierte Wechselspannungssignal wird auf der gleichen Leitung an den „heißen“ Pol des Mikrofoneingangs gegeben wie das Gleichspannungssignal. Im Eingang des Mikrofonverstärkers der Soundkarte trennt ein Koppelkondensator die beiden Signale. Meist stehen am Mikrofoneingang rund 2,5 Volt zur Verfügung, die bei Belastung wegen des internen Seriewiderstands auf rund 2,0 Volt zurück gehen. Für den Betrieb des Generators reicht das aus. Der Generator geht auf einen Schaltungsvorschlag meines Freundes Burkhard Kainka zurück, der eine ähnlich Schaltung als HF-Generator für Radio-Zwecke verwendet hat. Anlässlich eines ausgedehnten Bastelabends haben wir sie auf die neue Verwendung getrimmt.
Mit dem gewählten Kondensator können in diesem Fall Induktivitäten zwischen rund 0,47 mH und 10 H gemessen werden. Ein Problem kann es geben, wenn die angeschlossene Induktivität große Wirbelstromverluste oder Eisenverluste aufweist, wie das leider gerade bei Übertragern mit eisernen Trafoblechen gelegentlich der Fall ist. Im Ersatzschaltbild werden diese Verluste durch einen Widerstand parallel zur Hauptinduktivität repräsentiert – sie liegen bei der Messung damit auch parallel zum LC-Schwingkreis. Sie werden verursacht, weil das Magnetfeld im Kern der Spule Wirbelströme verursacht, die wieder eigene Magnetfelder haben, die dem ursprünglichen Feld entgegen gerichtet sind.
Die Verstärkung der beiden Transistorstufen ist nicht so hoch wie die des Komparators LM311. Deshalb kann es bei dieser Schaltung bei sehr hohen Verlustwiderständen der gemessenen Spule vorkommen, dass der Generator nicht sicher anschwingt. Das betrifft allerdings vornehmlich die Messbereichsgrenzen. Dafür hat man den Vorteil, ohne zusätzlich Batterie auszukommen. Der Verdrahtungsaufwand ist sehr gering, denn selbst ein Schalter wird eingespart.
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Wenn diese Transistor-Variante des LC-Generators verwendet werden soll, dann muss der Mikrofon-Eingang der Soundkarte aktiviert werden. Dazu wird im Wave In Mixer der entsprechende Eingang ausgewählt. Die Lautstärke zieht man wieder voll auf. Wenn durch eine solche starke Bedämpfung des Schwingkreises der LC-Generator der Messanordnung einmal nicht mehr anschwingen sollte, bekommt das Messprogramm kein Resonanzsignal. In manchen Fällen hilft es dann, der zu messenden Induktivität eine sehr verlustarme Spule (Luftspule, Ferrit-Rollen- oder Glockenkernspule mit dickem Leiterquerschnitt) in Serie zu schalten. So addieren sich die Induktivitätswerte – was bei der Berechnung natürlich berücksichtigt werden muss – und die Güte nimmt so weit zu, dass der Generator anschwingen kann. Im Regelfall reicht die hohe Verstärkung des LM311-Komparators aber aus. Diese Generatorschaltung wird übrigens auch in zahlreichen anderen Induktivitäts-Messgeräten verwendet.
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Der LM311-Generator wird an den Line-Eingang der Soundkarte angeschlossen; der Transistor-LC-Generator entsprechend an den Mikrofon-Eingang. Dazu wird – je nach Soundkartentyp – meist entweder eine Cinch- oder eine Miniklinken-Verbindung notwendig sein. Das Programm erwartet das Messsignal auf dem linken Kanal der Soundkarte.
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Jetzt sollte das Programm nach dem Start bei angeschlossenem und eingeschaltetem LC-Generator (mit einer angeklemmten Induktivität) ein Signal in der kleinen Aussteuerungsanzeige und dem großen Induktivitäts-Feld anzeigen. Andernfalls sind die Einstellungen des Mixers und die Kabelverbindungen nochmals zu überprüfen. Die Signalstärke gleicht man mit dem Trimmpoti so ab, dass ungefähr 50 bis 70 Prozent erreicht werden. |
Die Funktionen des Programms sind schnell erklärt:
Die Start-Taste startet den Messvorgang.
Mit der Stop-Taste wird der Messvorgang angehalten.
Unterhalb der Start-Taste gibt es ein Feld für die Mess-Kapazität.
Beim ersten Start trägt das Programm hier den Default-Wert 0,5 µF ein. Wenn man
einen ausgemessenen Kondensator verwendet, kann man mit der kleinen Taste
rechts vom Feld in den Editier-Modus wechseln und die bekannte
Mess-Kapazität eintragen. Beim nächsten Start der Messung wird dieser Wert
übernommen. Das Programm merkt sich den Wert in einer INI-Datei, so dass man
ihn so lange nicht neu einzugeben braucht, bis man einmal den Kondensator
wechselt.
Unter der Stop-Taste wird die gemessene Resonanzfrequenz
angezeigt. Das Programm ermittelt diesen Wert alle 0,2 Sekunden und errechnet
daraus die Induktivität.
Aus Resonanzfrequenz und Messkapazität wird die Induktivität
errechnet und in dem entsprechenden großen Feld angezeigt.
Unter dem Induktivitäts-Feld ist die bereits erwähnte Aussteuerungsanzeige
für die Signalstärke in Prozent. Das Eingangssignal sollte ungefähr zwischen 50
und 80 Prozent betragen, um Rausch- und Übersteuerungseinflüsse auf die Messung
zu vermeiden. Wird die Signalstärke zu niedrig, um eine sichere Frequenzmessung
zu ermöglichen, so wird im Resonanz-Feld "Kein Signal" angezeigt. Ist
das Eingangssignal zu schwach oder zu stark, so muss dies am Windows-Mixer oder
ggfs. an der Schaltung korrigiert werden.
Das Programm wurde in DELPHI 6 geschrieben, einer objektorientierten Programmiersprache in der Nachfolge von PASCAL. Für den lesenden und schreibenden Zugriff auf die Soundkarte habe ich eigene Komponenten geschrieben. Die Recorder-Komponente, die viele interessante Mess-Anwendungen ermöglicht, zeichnet das Signal am gewählten Eingang der Soundkarte nicht nur auf, sondern ermittelt auch wichtige Kenngrößen wie Peak- und RMS-Amplitude und die Frequenz, soweit ein periodisches Signal feststellbar ist. Diese Eigenschaft wird hier für die Resonanzmessung verwendet.
Das Programm greift über die Windows-Treiber auf die Hardware-Ebene zu. Eine Garantie für die Funktion wird nicht übernommen. Die Nutzung ist kostenfrei und erfolgt wie üblich ausschließlich auf eigene Gefahr. Bei Weitergabe ist der Autor anzugeben. Das Programm kann hier geladen werden.
