Impedanz eines Kohlemikrofons messen

Hallo Dagobert,
prinzipiell kann man den Ri eines Miks genau gleich messen wie den jedes anderen Generators. Und als Generator kann man jedes Gerät bezeichnen, das eine Spannung ausgibt.

Sicher ist, dass jeder Generator einen Ri hat, beim Kohlenmikrofon ist es der Ruhewert der Kohlekapsel. Und sicher ist, dass Ri = Ra ist, wenn die belastete Ausgangsspannung halb so gross ist wie die unbelastete. Wir können uns also vorstellen, wir hätten eine Generatos ohne Ri. Oder wir würden die Ausgangsspannung des Generators mit einem Instrument messen, das einen unendlich hohen Widerstand hat. Dann ist die Belastung des Ganerators praktisch nicht mehr vorhanden und somit wird dessen Ausgangsspannung nicht reduziert.

In der Zeichnung siehst Du das Mikrofon, die Batterie und den Übertrager, der die Wechselspannung auskoppelt und die Gleichspannung abtrennt. Im Mikrofon erkennst Du den Widerstand der Kohlekörner, welche durch die Membran mehr oder weniger zusammen gedrückt werden und damit den sich ändernden Widerstand ergeben. Diese Kohlekörner sind letztlich der Ri.
Jetzt haben wir am Ausgang, also nach dem Übertrager ein Poti als Last und ein Messinstrument. Wenn wir davon ausgehen, dass sich der Ri des Miks durch den Schall ändert, so ändert sich folglich der Strom durch das Mik und damit auch durch den Übertrager. Und daraus resultiert die Ausgangsspannung an der Sekundärseite des Übertragers.

Nun müssen wir zunächst dafür sorgen, dass am Mikrofon Schall vorhanden ist, also brauchen wir etwas, das (möglichst konstant) pfeift. Und wir messen diese Pfeifspannung. Und jetzt drehen wir das Poti so weit zurück, dass die Ausgangsspannung nur noch halb so hoch ist wie unbelastet. Wenn wir nicht mehr drehen und den Widerstand des Potis mit einem Ohmmeter messen, so haben wir den Ri des Miks (inkl. dem Übertrager) bestimmt.

Vielen Dank für die schnelle Antwort!

Die Impedanz ist von der Frequenz der Wechselspannung abhängig, oder? Und die Batterie liefert nur eine Gleichspannung (theoretisch).

Dagobertstone

Die Impedanz ist vom Druck auf die Kohlekörner abhängig und von deren Beschaffenheit. Mit der Frequenz hat dies insoweit zu tun, als theoretisch mit sinkender Frequenz die Membranauslenkung zunimmt und entsprechend ein grösserer Wechsel des Widerstandes entsteht, dementsprechend eine höhere Spannung. Da die Membran aber relativ starr ist wird die Auslenkung nicht mit fallender Frequenz grösser, sondern bleibt weitgehend konstant und damit auch die Ausgangsspannung.
Dass die Batterie eine Gleichspannung liefert ist klar, sie kann nichts anderes.

Was ich meinte war, dass man eine Wechselspannung durch das Mikrofon schicken sollte. Die Frequenz der Spannung ändert man dann. Die Kohlekörner haben ja nur einen ohmschen Widerstand und die Impedanz beschreibt doch die Wechelspannungwiderstände.

Und wie soll sich durch einen sich ändernden Widerstand die Frequenz einer Wechselspannung ändern?
In dem Mikrofon, das Du verlinkt hast gibt es im Wesentlichen einen Trafo und eine Batterie, also eine Gleichspannung. Das was Du Dir zusammenreimst ist nicht möglich!
Und eine Impedanz stellt den Wechselstromwiderstand dar. bei einem rein ohmschen Widerstand ist R (Widerstand) und Z (Impedanz) das Selbe. Wenn wir aber als Auskopplungsglied nicht nur einen Widerstand, sondern einen Trafo einsetzen, dann ist zwar R der Kapsel im Mittel konstant, zumindest ferquenzunabhängig, aber wir haben einen Trafo mit einer Primär-Induktivität, welche frequenzabhängig ist und somit Z ebenfalls frequenzabhängig wird. Das bedeutet, dass im Bassbereich die Kapsel (oder besser der Trafo) einen induktiven Anteil darstellt, in den Mitten und Höhen aber der konstante Wert der Kapsel überwiegt und damit entscheidend ist.
Es ist also richtig von der Impedanz des Mikrofons (nach Deinem Link) zu reden, weil dort nicht nur das Kohlemikrofon entscheidend ist, sondern AUCH der Trafo!

Man kann es ja an einem Frequenzgenerator anschließen und misst eine Verschiebung und die Ausgangsspannung mit einem Oszi.

Ich habe gesagt, dass sich die Frequenz des Generators nicht ändert, denn dafür ist der Generator zuständig und nicht die Last an dessen Ausgang. Die 50Hz des Stromnetzes ändern sich auch nicht, nur weil Du in der Wohnung das Licht an machst!!

Und Du willst ja normalerweise das Ausgangssignal des Mikrofons als elektrisches Spiegelbild des akustischen Signals, das auf die Membran trifft.
Wenn Du etwas basteln willst, das es so nicht gibt (ein schallabhängiger, variabler Hoch- oder Tiefpass), dann musst Du natürlich Deine Absicht erst kommunizieren!

Natürlich könnte man mit so einem Pass und einer variablen Verstärkung einen Generator bauen, der als Folge der Verschiebung der Fg eine variable Frequenz erzeugt. Nur ist die ganze Sache nicht so einfach, denn Du musst ja die Verstärkung so halten, dass sie knapp über 1 beträgt, damit der Generator a) nicht abreisst und b) nicht übersteuert und klirrt. Und ob das Kohlemikrofon auch im Bereich von 100MHz noch irgendwie eine brauchbare Impedanz aufweist (für diese Frequenzen ist es nicht gebaut) um einen Generator für UKW zu bauen ist fraglich.
Damit der Oszillator mit dieser Frequenz schwingt (bei einem LC-Oszillator), muss das L- und C-Verhältnis im Vergleich zu R ganz anders sein, als es das nahezu reine R des Mikrofons bietet. Da würde ein Schwingkreis so bedämpft, dass ein Schwingen des Oszillators eigentlich nicht möglich ist. Wenn wir uns aber vorstellen, wir wollten einen Pass bei 100MHz bauen und bedenken, dass wir zwangsläufig Verdrahtungskapazitäten haben werden, die schnell im Bereich von 10pF oder mehr liegen und sich nur schon dadurch ändern, dass wir das Mikrofon in die Hand nehmen, und wenn wir beachten, dass sich der Widerstand des Miks oder die Kapazität nur so stark ändern darf, wie die Frequenz variiert werden darf (100MHz +/-75kHz, also ein Verhältnis von 1.7%) dann ergäbe dies eine Änderung von 0.17pF (bei einem LC-Oszillator) beziehungsweise eine Änderung von 0.13pF bei einem Hoch- oder Tiefpass. Und auch R dürfte sich nur um 1,3% ändern. Wenn man das Kohlemikrofon nur leicht bewegt, sodass die Kohlekörner sich bewegen, dann ändert sich der Widerstand (von etwa 600 Ohm) schon deutlich, sodass der Oszillator seine Leerlauffrequenz von 100MHz auf 90 oder 110 MHz verschiebt.

Wenn Du mit einem Mikrofon direkt einen UKW-Sender bauen willst so kannst Du die Modulation des Oszillators mit einer Varicap-Diode bewerkstelligen oder Du verwendest direkt eine Kondensator-Kapsel. Das funktioniert nachweislich.

Also, erklär erst mal was Du damit anfangen willst. Und nochmals: Ein fester Generatort, den Du da einspeist ändert höchstens seine Ausgangsspannung (also AM) als Folge der Last, nicht aber seine Frequenz. Und einen Mittelwellensender wirst Du ja wohl kaum bauen. Und UKW schaffst Du nicht mit diesem Ding.

Okay, danke. Ich habe noch zwei Fragen:
Warum ist in dem Mikrofon eine Spule?
Und können Sie vielleicht einen Schaltplan des Modells erstellen?

In Beitrag 2 habe ich das Prinzip-Schaltbild gezeichnet. Zusätzlich habe ich da als Last ein Poti eingezeichnet (zur Bestimmung des Ri), was natürlich im Mikrofon nicht enthalten ist.

Ein tatsächliches Schaltbild kann ich nicht erstellen, weil ich kein solches Mikrofon habe und nach den Fotos lässt sich nichts genaueres sagen.

Die Spule ist eigentlich ein Trafo und dieser dient der Auskopplung des Tonsignals.
Das Kohlemik benötigt eine Betriebsspannung, daher ist eine Batterie im Mik vorhanden (oder sollte zumindest vorhanden sein). Da wir ja einen ohmschen Widerstand in Form der Kohlekörner haben, fliesst ein Strom von der Batterie durch das Mik und durch die Trafospule. Solange sich an dem Strom nichts ändert, ändert sich auch am Magnetfeld im Trafo nichts und damit wird keine Spannung auf der Sekundärseite induziert.
Bei Schall bewegt sich die Membrane und verändert den Druck auf die Kohlekörner. Mit höherem Druck machen die Körner besser Kontakt und damit verringert sich der Widerstand und der Strom steigt. Dies hat eine Induktionsspannung an der Sekundärspule zur Folge. Das könnte man auch mit einem ohmschen Arbeitswiderstand und einem Kondensator zur Gleichspannungsabtrennung erreichen. Mit dem Trafo kann man auf die anderen Bauteile verzichten und bekommt eine Anpassung an denVerstärkereingang.

Dynamische Mikrofone haben normalerweise einen Übertragungsbereich von etwa 60 Hz bis 8 kHz (besser ist möglich), sie liefern aber gerade mal 1mV bei normalem Schalldruck. Piezo-Mikrofone, wie sie zu jener Zeit üblich waren liefern etwa 10mV (allerdings sehr hochohmig!). Dynamische Mikrofone sind sehr niederohmig (200 Ohm), daher wurden bei Röhrenschaltungen Eingangstrafos mit einem Übersetzungsverhältnis 1:10 verwendet, sodass die hochohmige Röhre ein Signal mit 10mV bekommen hat. Damit war das dynamische Mikrofon mit einem Piezo vergleichbar, auch im Frequenzbereich.
Bei einem Kohlemikrofon, das auch recht niederohmig ist (meist auch zwischen 200 und 600 Ohm) war die Spannung rund 10mV bis etwa 50mV. Hatte man einen Verstärker mit einem Plattenspieler-Eingang so war die Empfindlichkeit für ein dynamisches oder Piezo-Mikrofon zu gering. Hat man aber ein Kohlemikrofon verwendet und dessen Impedanz mit einem 1:10 Trafo erhöht, bekam man eine Spannung zwischen 100mV und 0.5V, was einem Plattenspieler entsprach.

Das Problem am Kohlenmikrofon ist der Gleichstrom durch den Trafo. Damit eine gute Basswiedergabe möglich ist müsste die Belastung hochohmig sein. Bei einer Spule haben wir aber keine gleichmässige Last sondern eine frequenzabhängige. Nun könnte man eine grosse Spule und einen grossen Eisenkern verwenden, nur hat man dann grosse Probleme mit der Vormagnetisierung aus dem Gleichstrom. Darum sieht dieser Trafo nicht nach Trafo aus, sondern eben nach Spule mit einem offenen Eisenkern. So bekommt man eine höhere Induktivität als bei einer Luftspule und auch eine bessere magnetische Kopplung, aber trotzdem eine geringe Magnetisierung des Eisenkerns.

Das Kohlemikrofon wurde in der Telefonie ohne Verstärker verwendet, was mit keinem anderen Mikrofon sinnvoll möglich ist. Zwangsläufig musste man halt die Nachteile wie Speisung, schlechter Frequenzgang und hohe Störspannung in Kauf nehmen. Und da die ersten Verstärker nicht fähig waren, so kleine Signale ohne nennenswertes Eigenrauschen zu verstärken blieb damals nur das Kohlemikrofon als Möglichkeit.
Mit der Verbesserung der Verstärkertechnik war man nicht mehr auf so hohe Eingangsspannungen angewiesen und damit kamen die besseren Mikrofone (dynamisches Mik oder Kondensatormik) vermehrt zum Zuge.
Heute hat das Kohlemikrofon eigentlich keine Einsatzzwecke mehr.

Es tut mir leid, dass ich so wenig weiß. Warum ist

Damit eine gute Basswiedergabe möglich ist müsste die Belastung hochohmig sein.

?

Du wolltest die Impedanz des Mikrofons wissen. Impedanz bedeutet, dass der "Widerstand" des Dings (Mikrofon oder was auch immer) frequenzabhängig sein kann.
Der Ri, also der innere Widerstand eines Dings bildet mit dem Lastwiderstand einen Spannungsteiler. Angenommen, der Ri (oder dann richtiger Zi) steigt mit sinkender Frequenz, ist also kapazitiv (Kondensator- oder Piezomikrofon), dann wird bei einer konstanten Last der Bass schwächer, weil sich ja ein Spannungsteiler aus C und R bildet (ein RC-Glied als Hochpass).
Oder im anderen Fall haben wir einen rein ohmschen Ri, alsLast aber eine Spule, deren Impedanz mit der Frequenz ansteigt. Auch das bildet einen Spannungsteiler, welcher bei hohen Frequenzen eine höhere Ausgangsspannung ergibt, bei tiefen Frequenzen eine kleinere (induktive Last).

Das Kohlemikrofon als solches wäre relativ linear, da rein ohmisch. Der Trafo aber mit seiner Spule ist induktiv und belastet daher das Mik im Bass stärker als in den Höhen.
Das Kohlemikrofon entstammt hauptsächlich der Telefonie und da war ein nicht linearer Frequenzgang von 300Hz bis 3kHz angesagt. Damalige Versuche haben gezeigt, dass mit so einem (ansteigenden) Frequenzgang bei minimaler Bandbreite eine brauchbare Verständlichkeit zu erreichen ist. Daher würden die Hörer auf diese Übertragung ausgelegt, ebenso die Mikrofone und die Trafos (beim Telefon hauptsächlich für den Hörer).

Du bist übrigens aus Beitrag 8 noch eine Antwort schuldig, was Du nämlich mit dem Kohlemikrofon anfangen willst? Würde man dies erfahren, könnte man Dir gezielter die Sachlage erklären!!!

Ich wollte mit dem Mikrofon ein paar Messungen machen, die Charakteristiken eines solchen Mikrofons zu bestimmen. Frequenzgang, Klirrfaktor, usw.
In Wikipedia liest man, dass ein normales Mikrofon eine Impedanz von 800 Ohm hat. Zu welcher Frequenz bezieht sich das dann? Was haben die Impedanzwerte für eine Bedeutung, ist sie ein wichtiges Charakteristikum?
Eines verstehe ich nicht. Ich habe mal zwei Lautsprecher, eins mit 60, eins mit 200 Ohm. Aber der mit dem höheren Widerstand war bei gleichem Strom und Spannung lauter?!
Übrigens habe ich nun die Impedanz gemessen und bekam dies raus...[thumb]318158[/thumb]
Wenn der Bassbereich belastet wird, warum funktionieren die hohen Frequenzen nicht? Außer, dass das Granulat zu träge ist. [quote]Der Trafo aber mit seiner Spule ist induktiv und belastet daher das Mik im Bass stärker als in den Höhen. [/quote]

Du möchtest also die ganzen Eigenschaften eines Kohlemiks heraus finden? Das ist beinahe unmöglich!

Nehmen wir den Frequenzgang. Dieser wird erstens durch das Wandlerprinzip bestimmt. Bei einem dynamischen Mik haben wir im Grunde eine lineare Wiedergabe, weil die Ausgangsspannung von der Membran-Schnelle abhängt und sich damit so verhält wie die Luftbewegung. Das bedeutet, dass ein tiefer Ton mit seiner langsamen Veränderung eine hohe Auslenkung braucht für eine bestimmte Spannung, ein hoher Ton mit der schnellen Änderung aber nur eine kleine Auslenkung.
Ein Kondensatormikrofon ist auslenkungs-linear. Da hängt die Ausgangsspannung von der Veränderung der Auslenkung (Kapazitätsänderung) ab und nicht von der Schnelle.
Beim Kohlemikrofon entsteht die Spannung durch die konstante Speisung, welche über einen festen Widerstand dem Mikrofon zugeführt wird und der veränderliche Widerstand des Miks zusammen mit dem festen Widerstand ergibt den Teiler, welche eine variable Ausgangsspannung liefert. Und da der Widerstand der Kohlekörner zu einander von der Kraft abhängt, welche auf diese Körner wirkt ist dieses Mikrofon ebenfalls auslenkungs-linear.
Theoretisch ist es also so, dass sich das dynamische Mikrofon gleich verhält wie die Luft, das Kondensatormik, das Pioezomik und das Kohlemik aber auslenkungs-linear sind. Um diese Auslenkungs-Linearität zu erreichen baut man die Kapseln so, dass sie eine hohe mechanische Eigenresonanz haben.

Nimm mal einen Lautsprecher (bezw. seine Daten) so hast Du bei angenommenen 50Hz seine Eigenresonanz. Diese sieht man ganz deutlich im Impedanzverlauf. Das bedeutet, dass unterhalb der Resonanz die Auslenkung schwächer wird statt stärker, wie man dies brauchen würde. Also kommt unterhalb der Eigenresonanz nichts gescheites mehr raus. Und so ist es eigentlich auch mit dem dynamischen Mik.
Beim Kondensatormik setzt man die Resonanz ganz hoch an, dann hat man unterhalb der Resonanz einen "Bassabfall", bezogen auf die Luftdruckänderung. Bezogen auf die Auslenkung ist die Sache aber linear.
Wir müssen also beim Mik diese Resonanz richtig legen, damit wir die entsprechende Auslenkung oder Schnelle bekommen. Bei einem Kondensatormikrofon haben wir eine sehr dünne Membran, die durch eine hohe mechanische Spannung eine harte Feder darstellt, die aber gleichzeitig eine sehr geringe Masse hat. Damit bekommt man die hohe Resonanz und daraus die lange linerare Kennlinie bezogen auf die Auslenkung.
Beim dynamischen Mik müssen wir mit der weichen Aufhängung und der höheren Masse die Resonanz tiefer legen und im Ganzen dafür sorgen, dass die Schnelle über den Frequenzbereich konstant bleibt. Das ist nicht so einfach.
Wenn wir nun das Kohlemikrofon betrachten, so haben wir die Membran, die wir hoch abstimmen könnten. Aber diese Membran wird dauernd durch die Kohlekörner mechanisch gebremst und dies abhängig davon wie viele Körner wo liegen. Es wird als bei jedem Schüteln des Mikrofons ein anderer mechanischer Widerstand auf die Membrane wirken und damit wird sich die Eigenresonanz dauernd verändern. Wenn also die Resonanz für die Umsetzung des Wandlerprinzips wichtig ist, so ist es extrem wichtig, dass diese Resonanz unverändert bleibt, was aus dem Gesagten beim Kohlemik nicht der Fall wäre.
Nun kann man hergehen und eine grosse schwere Membran extrem hart einspannen und wenig Kohle verwenden. Dann haben wir eine mechanische Resonanz, welche relativ konstant ist. Aber die schwere Membran bringt man nicht mehr wirklich bei hohen Frequenzen in Bewegung. Also gibt es da keine genügende Auslenkung mehr. Damit gibt es auch keine Höhen.
Betrachten wir das Kondensatormikrofon, so haben wir da eine so geringe Membranmasse, dass wir problemlos eine Auslenkung gewünschter Art und Stärke selbst bei 20kHz erreichen. Beim dynamischen Mik brauchen wir eine stabile Membran, welche bei den grossen Bass-Auslenkungen mit macht wie auch bei den schnellen Höhen.

Die Umsetzung des Prinzips ist in der Praxis beim Kohlemikrofon nicht wirklich möglich, beim dynamischen schwierig und nur beim Kondensatormik eigentlich einfach. Daher hat man beim Kondensatormik keine Probleme, einen weiten, linearen Frequenzgang hin zu bekommen, beim dynamischen werden Hohlraum-Resonatoren eingesetzt, um dieszu erreichen und beim Kohlemik hat man keine Chance.

Und betrachten wir den Klirr, so wird sich beim Kohlemikrofon (wie beim Beton auf der Baustelle) das Granulat durch die Vibration im Lauf der Zeit verdichten und damit ist es aus mit Mikrofon. Hatte man am Telefon dieses Problem, hat man den Hörer gegen die Hand geschlagen, um die Körner zu lockern. Und je nach Verdichtung und Lage der Körner ist die Widerstandsänderung nicht linear mit dem Druck und das ist Klirr.

Die Richtcharakteristik ist beim Kohlemik eine Kugel, denn da ist die Blechmembran, das Granulat und die Gegenelektrode und das Ganze in einem geschlossenen Gehäuse, damit das Granulat nicht raus kann. Also reagiert die Membran nur auf den Durck, es kommt also zum Druckempfänger und der hat Kugelcharakteristik.

Das generelle Problem ist, dass sich durch die unterschiedliche Verdichtung des Granulats die Eigenschaftne laufend ändern. Natürlich bleibt die Richtcharakteristik erhalten, aber Klirr, Frequenzgang und Empfindlichkeit ändern sich dauernd. Die Parameter eines üblichen Mikrofons lassen sich bestimmen, jene des Kohlemikrofons eigentlich nur theoretisch.

Vielen Dank für die ausführliche Antwort.
Dann mache ich mal die theoretischen Sachen.
Warum ist der Mikrofon ein LC-Kreis?

Dagobertstone (Beitrag #15) schrieb:

Warum ist der Mikrofon ein LC-Kreis?

Es ist nicht im üblichen Sinn ein LC-Kreis.
Das L stammt vom Übertrager (wie erklärt) und das C-Verhalten hat damit zu tun, dass bei einem kapazitiven Mikrofon die Ausgangsspannung proportional zur Membran-Auslenkung steht und nicht zu deren Schnelle.

Ich weiß nichts über Elektrotechnik,
was ist ein Bassabfall und warum genau die Eigenresonanz wichtig für die Impedanz?
Und was ist eine lineare Wiedergabe? Eine Gerade? http://masterclass-s...amischesmikrofon.htm

Entschuldige, aber wenn Du keine Ahnung von Elektrotechnik und Elektronik hast, dann frage ich mich, was Du mit diesem Thread überhaupt erreichen willst?
Wozu willst Du die Impedanz des Kohlemikrofons messen, wenn Du nicht die aller minimalsten Grundlagen kennst? Da können wir uns die Finger franslig schreiben......

richi44 (Beitrag #18) schrieb:

was Du mit diesem Thread überhaupt erreichen willst?

`ne Eins in Physik vielleicht?