aktive PUs: Wieviel Draht?

[MiLe]

Mal 'ne vieeleicht ganz blöde Frage, aber ich stehe gerade auf dem Schlauch:

Ich will 2 aktive PUs wickeln. Von Lemme gibt's preamps mit 3facher, 2-6facher oder 15-60facher Spannungeverstärkung.

Ich will am Ende ein möglichst gutes Verhältnis aus Nutz- und Störsignal (Rauschen + Brummen).
Lege ich nun idealerweise die PUs sehr niederohmig aus und nehme eine höhere Spannungsverstärkung oder schaue ich lieber, dass ich viele Wicklungen reinbringe und dadurch eine niedrigere Spannungsverstärkung brauche.
Welche Variante rauscht/brummt am Ende weniger?

Mein erster Ansatz war, je weniger Verstärkung desto weniger Rauschen (was ja speziell mit ordentlich Gain durchaus relevant ist). Wenn ich mir aber anschaue, was gute Phono-Preamps aus den minimalen Spannungen (einige Systeme ca. 0,5 mV) eines MC-Pickups rausholen - ohne vernehmliches Rauschen.....bin ich wieder unsicher.

[capricky]

Es ist im Grunde völlig egal, wieviel Windungen und welcher Drahtdurchmesser auf dem Spulenkörper sind. Am Ende entscheidet nur die Qualität des Verstärkers über das Rauschen.
Das Beispiel mit dem Tonabnehmer vom Plattenspieler hattest Du schon genannt, ich füge noch "Tonkopf" von Tonbandgeräten, Kassettenrekorder und dynamische Mikrofone (Tauchspulmikrofone) hinzu. Alle diese Abnehmer sind "humbuckend", also doppelspulig gefertigt, damit es nicht brummt, mit übermäßigem Rauschen werden sie nicht auffällig.

capricky

[MiLe]

Bedeutet das, dass Rauschen nicht mit dem Verstärkungsfaktor korreliert?
Würde ja bedeuten, daß ich gerade so viele Umdrehungen auf die PUs wickle, bis mit Spannungsverstärkungsfaktor 60 der gewünschte Output (mit etwas Reserve ) rauskommt.
Mehr Wicklungen wären demnach unsinnig - das klingt ja fast zu schön, um wahr zu sein

mit übermäßigem Rauschen werden sie nicht auffällig.

Najaaa - die Teile jagt aber in der Regel auch niemand durch mehrere Gain-Stufen um jede noch so kleine Störung lupenmäßig über 'nen 15" direkt auf die Ohren zu geben

[capricky]

Die "Niederohmigkeit" hat ja auch den Vorteil, dass sich die Störungen durch elektrische Felder bereits in den Spulen reduzieren. Deshalb gehen ja Signale im µV - Bereich in den obengenannten "artfremden" magnetischen Aufnahmesystemen bei deren Dynamikumfang auch nicht im Störnebel unter.

capricky

[MiLe]

Na gut, überredet, Danke!!!!!
Ich werde mich beim Wickeln also zurückhalten, kommt mir mechanisch bei den nur 4 mm hohen Sidewindern auch ganz gelegen

[12stringbassman]

Naja, so gaaanz wurscht ist die Windungszahl und der Drahtdurchmesser nun aber auch wieder nicht. Je niederohmiger die Quell-Impedanz ist, desto weniger thermisches Rauschen entsteht vor dem Verstärker, das dieser dann um den Verstärkungsfaktor verstärkt (zuzüglich dem Eigen-Rauschen des Verstärkers selbst (Eingangs-Rauschspannungs-Dichte, Input-Noise-Density)).
Je weniger Windungen und je dicker der Draht, desto niederohmiger und weniger Rauschen, aber geringere Spannung, d.h. höhere Verstärkung erforderlich.
Da heißt es das Optimum zu erwischen.

Ein 10kOhm-Widerstand erzeugt bei 10kHz Bandbreite ca. 1,27µV Rauschspannung.
1kOhm entspricht 0,402µV,
100Ohm entspricht 0,127µV.
Ein schlechter OP-Amp (TL062) rauscht mit 4,2µV, ein guter (LT1112) mit 1,4µV und ein seht guter (LT1024) mit 0,3µV
(alles jeweils mit 10kHz Bandbreite und bei Raumteperatur 20°C = 293K).
Rauschquellen werden unkorreliert addiert, d.h. die Wurzel aus der Summe der Quadrate U=SQR(U1²+U2²+...+Un²). D.h. wenn eine der Rauschquellen deutlich größer ist als die anderen, dominiert deren Spannung alle anderen.

BTW: nicht mit jedem OP-Amp ist jede beliebiege Verstärkung machbar, Stichwort "Verstärkungsbandbreite" oder "Gain-Bandwidth-Product" (GBP). Beträgt GBP z.B. 750kHz (LT1112), so können bei 100-facher Verstärkung (+40dB) noch max. 7,5kHz übertragen werden.

Ich habe bisher 500, 750 und 1000 Windungen mit jeweils 0,15mm Draht gewickelt, ergibt ca. Rdc=130-300Ohm. Damit wird eine Standard Tonabnehmer-Spule (Gibson-Humbucker, 7ender-Jass-Bass) halb voll bis fast voll. Verstärkung 5-20-fach mit LT1112 (350µA pro Ämp) und alles wird gut.

Grüße

Matthias

[MiLe]

OK - das gibt mir jetzt eine ziemlich konkrete Orientierung mit dem Hintergrund den ich brauche um zu verstehen, warum ich was tue.

Große Klasse, Danke!

[zappl]

Noch zwei weiterführende Links falls Interesse besteht. Ich finde dort ist es ganz gut erklärt.

http://www.elektronikinfo.de/strom/wide ... uschen.htm
http://www.elektronikinfo.de/strom/op_rauschen.htm

[MiLe]

Danke, den ersten kannte ich schon, den zweiten noch nicht. Der tendiert aber auch schon dazu, meine Einarbeitungsbereitschaft etwas überfordern , aber das Grundprinzip ist mir dadurch schon klar geworden.
Die Darstellung von Matthias enthält ja alles was man braucht, um in die richtige Richtung zu wickeln. Kombiniert mit seinen eigenen Erfahrungswerten war das genau das, was ich als Info brauchte.

[dreieiei]

Mein erster Ansatz war, je weniger Verstärkung desto weniger Rauschen (was ja speziell mit ordentlich Gain durchaus relevant ist). Wenn ich mir aber anschaue, was gute Phono-Preamps aus den minimalen Spannungen (einige Systeme ca. 0,5 mV) eines MC-Pickups rausholen - ohne vernehmliches Rauschen.....bin ich wieder unsicher.

Zwei noch nicht genannte Gesichtspunkte:

+ Je niederohmiger die Signalquelle, hier die Spule, umso größer ist der Strombedarf des Vorverstärkers, wenn optimale Rauschwerte erreicht werden sollen. Ein neumodischer CMOS-OPAmp (Texas TVC2262) braucht für 14nV/sqrt(Hz) nur 200mü-Ampere Versorgungsstrom, ein AD797 mit 0.9nV/sqrt(Hz) glaube ich um einige milliAmpere. En 9V-Batterieblock hat eine Stromkapazität von etwa 250mA-Stunden.

+ Die Rauschwerte eines Gitarrenverstäkers sollten gegen die Signalgröße verglichen werden. 100mV Pegel dürften eine satte Aussteuerung darstellen, aber es können auch mal 2000mV werden. Jedenfalls kann man die üblichen Rauschberechnungen gut gegen 100mV vergleichen, und erhält dann selbst mit zB TL062 ausreichend gute Rauschabstände. So kritisch wie bei Plattenspielern ist das nicht! Der Störabstand sollte auch mal mit dem Pegel verglichen werden, den die Saiten der (Bass)Gitarre beim bloßen Rumliegen erzeugen. Alle möglichen Vibrationen werden von der Gitarre aufgenommen, und in den PU gespeist. Das Rauschen stellt wohl meist nicht die Grundlinie dar, sondern diese Saitenreaktionen auf kleinste Vibrationen in der Umgebung.

Im Ergebnis könnte die Windungszahl auf die erwünschte Resonanzfrequenz des PU abgestimmt werden. Weil die Induktivität grob quadratisch, die Resonanzfrequenz also grob linear, und der Pegel ebenso grob linear oder sogar günstiger von der Windungszahl abhängt, können es auch gut und gerne 2000 Windungen sein. So liegt die Resonanz immer noch gut über 20kHz.

[MiLe]

Naja - meine sehr hochomigen sidewinder (25 KOhm) fangen schon an, leicht zu rauschen. Der Rauschabstand mag auch nicht so wichtig sein, wenn unverzerrt gespielt wird, bei viel Gain und damit Kompression sieht die Welt schon etwas anders aus. Das Rauschen sehe ich deshalb eher problematischer als bei Plattenspielern.
Wie gesagt - ich bin kein Techniker der alles nachrechnet, dabei unterlaufen mir zu viele Fehler - ich beschränke mich weitgehend auf's hören und messen.

Um 2000 Wicklungen auf meine Minispulen zu bekommen, brauche ich dünnen Draht. Dadurch steigt der Widerstand, was die Resonanz bei der Eingangsimpedanz gängiger Preamps stark bedämpft. Ich benötige aber zumindest runtergezogen auf 1,5 - 5 KHz eine gewisse Güte - die Lage der Resonanzfrequenz stellt also nicht das Problem dar.

Es gilt halt, bei gegebener sehr kleiner Baugröße einen Kompromiss zu finden aus Resonanzfrequenz, Güte, Impedanz und Ausgangsspannung in Verbindung mit dem passenden Preamp. Ich denke, mit meinen 2x200 Wicklungen 0,15 und dem Lemme Pre 10-60 liege ich da in allen Bereichen ganz gut im Ziel

Interessant, daß Du den AD797 erwähnst: Genau den hatte ich mir vor rund 28 Jahren als OP für einen HiFi-Preamp auserkoren (naja - es war mehr ein Imedanzwandler), allerdings war mit überdimensioniertem und extrem gepufferten Netzteil die Stromaufnahme da kein Kriterium . Da gings eher um Rauschen, Klirr und slew rate.

[dreieiei]

Naja - meine sehr hochomigen sidewinder (25 KOhm) fangen schon an, leicht zu rauschen. ...
Es gilt halt, bei gegebener sehr kleiner Baugröße einen Kompromiss zu finden aus Resonanzfrequenz, Güte, Impedanz und Ausgangsspannung in Verbindung mit dem passenden Preamp. Ich denke, mit meinen 2x200 Wicklungen 0,15 und dem Lemme Pre 10-60 liege ich da in allen Bereichen ganz gut im Ziel

Wenn Du derart viele Parameter gegeneinander abwägen musst, um ein Optimum zu erreichen, dürfte Rechnen insgesamt weniger anstrengend sein als Probieren.

Zum Rauschen: ich habe meinen Bass auch schon mal auf dem Teppich liegen. Wird dann in der Küche gerade eine Spiegelei gebraten, kann ich das an den resonanten Zacken im Spektrografen sehen. Die sind also allemal lauter als das thermische Rauschen.

Das ist ähnlich wie beim alten Vinyl-Plattenspieler. Zwar kann man den Rauschabstand mit exponentiell steigendem (finanziellen) Aufwand auf das physikalisch mögliche Niveau optimieren. Nur, die Rille selbst schafft nicht mehr als 60dB - neu! Man hat also letztlich nichts davon, ausser "das gute Gefühl", nichts mehr verbessern zu können. (Für manchen Bastler das Ende der Welt

Ganz praktisch gesehen (gehört), solange jedwede noch so zärtliche Handhabung des Instruments gleich viermal lauter (ca 20dB) erscheint als das thermische Rauschen bin ich jedenfalls zufrieden.

Dass es bei 25kOhm schon rauscht erstaunt allerdings: der Rauschstrom des Pufferverstärkers könnte zu hoch sein, weil er (zu Recht) auf niedrigere Impedanzen optimiert ist. Dann ist aber fraglich, warum er nicht schon auf dem Resonanzmaximum anderer PUs auffällig geworden ist. Auf der Resonanzspitze liegt die Impedanz ja notwendigerweise um ein Vielfaches höher als bei DC. Zudem liegen die Resonanzen regelmäßig im Bereich maximaler Rauschempfindlichkeit des Gehörs, so zwischen 3kHz und 10kHz.

Siehe auch https://en.wikipedia.org/wiki/A-weighting, insbesondere die Erläuterungen zur "D"-Kurve "The large peak in the D-weighting curve is not a feature of the equal-loudness contours, but reflects the fact that humans hear random noise differently from pure tones, an effect that is particularly pronounced around 6 kHz."

[MiLe]

sorry - doppelt

[MiLe]

Zum Rauschen: ich habe meinen Bass auch schon mal auf dem Teppich liegen. Wird dann in der Küche gerade eine Spiegelei gebraten, kann ich das an den resonanten Zacken im Spektrografen sehen. Die sind also allemal lauter als das thermische Rauschen.

Auch bei High Gain und hochohmigen Pickups?

Ganz praktisch gesehen (gehört), solange jedwede noch so zärtliche Handhabung des Instruments gleich viermal lauter (ca 20dB) erscheint als das thermische Rauschen bin ich jedenfalls zufrieden.

Ich nicht - siehe oben

Dass es bei 25kOhm schon rauscht erstaunt allerdings: der Rauschstrom des Pufferverstärkers könnte zu hoch sein, weil er (zu Recht) auf niedrigere Impedanzen optimiert ist. Dann ist aber fraglich, warum er nicht schon auf dem Resonanzmaximum anderer PUs auffällig geworden ist. Auf der Resonanzspitze liegt die Impedanz ja notwendigerweise um ein Vielfaches höher als bei DC. Zudem liegen die Resonanzen regelmäßig im Bereich maximaler Rauschempfindlichkeit des Gehörs, so zwischen 3kHz und 10kHz.

Nenee - der 25 KÖhmer wird passiv verwendet - an einem Amp mit 1 MOhm Eingangswiderstand. Das Rauschen ist klar zu hören, bei HighGain wird's mir schon lästig.

Siehe auch https://en.wikipedia.org/wiki/A-weighting, insbesondere die Erläuterungen zur "D"-Kurve "The large peak in the D-weighting curve is not a feature of the equal-loudness contours, but reflects the fact that humans hear random noise differently from pure tones, an effect that is particularly pronounced around 6 kHz."

Ist schon klar - im Nebenberuf entwickle ich Lautsprecher-Chassis

[dreieiei]

Zum Rauschen: ich habe meinen Bass auch schon mal auf dem Teppich liegen. Wird dann in der Küche gerade eine Spiegelei gebraten, kann ich das an den resonanten Zacken im Spektrografen sehen. Die sind also allemal lauter als das thermische Rauschen.

Auch bei High Gain und hochohmigen Pickups?

Ja, ist aber ein Bass. Die Spitzen im sagen wir mal "Ruhe-Spektrum" lassen sich zwanglos den Saiten zuordnen. Dann hat es noch ein paar unspezifische aus der umgebenden Digitalwelt, 50-Hz-Brumm und dessen Obertöne. Rauschen im eigentlichen Sinne kommt hauptsächlich aus dem A/D-Wandler (resp dem 1MegOhm/FET/PreAmp).

Ich hoffe ich bekomme die Rechnung richtig aufgezogen. Schwierig ist es ja, den Referenzpegel für Rauschabstände anzugeben:

100dB ( ^= der CD, 16bit ) Rauschabstand relativ zu 1.4V effektiv entspricht 14müVolt Rauschspannung, entspricht 100nV/sqrt(Hz) Rauschspannungsdichte.

Soll der Referenzpegel nicht bei 1.4V (Mörderkrawall), sondern bei 140mV(laaauuut) effektiv liegen, vermindert sich der Rauschabstand auf noch immer 80dB - unter allen praktischen Nebenbedingungen unhörbar! (Sollte der Amp zu weit aufgedreht sein, erfolgt sofortige Vertäubung, die wiederum Rauschen überdeckt ... dauerhaft ...)

Ein 25kOhm Widerstand sollte eine Rauschdichte um 20nV/sqrt(Hz) aufweisen. Das wäre also, siehe oben viel weniger als eine CD rauscht!

Wenn das Rauschen der 25kOhm-Gitarre stören sollte, liegt aller Erfahrung mit CDs etc nach eine drastische Fehlanpassung vor. Vieleicht sind es ja auch "gespiegelte", an Nicht-Linearitäten demodulierte Ätherwellen?

[MiLe]

Ob bei einem Preamp mit 1 MOhm Eingangsimpedanz, einem Pickup mit 25 KOhm und einem Vol-Poti mit 1 MOhm eine Fehlanpassung vorliegt, musst Du ausrechnen - ich kann das nicht. Nach Erfahrungswerten sollte das allerdings im üblichen Rahmen sein.
Ich kann's nur hören: Parallel geschaltet (6,25 KOhm) hör' ich kein rauschen, seriell geshaltet (25 KOhm)schon. Und ja - ich rede von Rauschen, nicht von Brummen

[dreieiei]

Ob bei einem Preamp mit 1 MOhm Eingangsimpedanz, einem Pickup mit 25 KOhm und einem Vol-Poti mit 1 MOhm eine Fehlanpassung vorliegt, musst Du ausrechnen

Rauschen gibt's als Spannungs- und als Stromrauschen. Bei der Abwägung, wie man eine Eingangsstufe konstruiert muss das berücksichtigt werden. Insofern kann eine Fehlanpassung dann vorliegen, wenn die Signalquelle untypisch ist.

So untypisch ist Dein PU aber auch wieder nicht. Im Allgemeinen sollte ein 25kOhm-PU nur 3dB stärker rauschen als ein 12kOhm-PU. Der Unterschied wäre wohl kaum hörbar. Gegenüber 6kOhm sind es 6dB plus, sicher hörbar, aber wohl kaum von völlig egal auf schlimm störend springend.

Ich vermute das Problem woanders.

[MiLe]

Mir ist kein anderes Phenomän bekannt, welches bei serieller Schaltung zweier identischer Spulen ein Rauschen erzeugt und bei paralleler nicht. Zumindest mal in hörbaren Größenordnungen.
Eventuell verhält sich ja ein Pickup in der Hinsicht nicht wie ein idealer Widerstand. In Bezug auf die Induktivität tut er's ja auch nicht.

[12stringbassman]

Was bei der ganzen Rechnerei nicht vernachlässigt werden sollte, ist die Tatsache, dass bei Highgain-Ämps mit drei oder vier Verstärkungsstufen (aka "gain-stages") vom Eingang bis zum Master-Volume um >100dB verstärkt und gleichzeitig begrenzt wird.
Da macht sich jedes Fitzelchen Nebengeräusch unangenehm bemerkbar.

Seltsamerweise haben viele kommerziell produzierte Ämps am Eingang immer noch diesen ominösen 68kOhm-Widerstand vor dem Gitter der ersten Röhre. Da kann man noch so rauscharme Pickups bauen, dieser eine Widerstand rauscht mehr als alles andere.

Grüße

Matthias

[capricky]

Seltsamerweise haben viele kommerziell produzierte Ämps am Eingang immer noch diesen ominösen 68kOhm-Widerstand vor dem Gitter der ersten Röhre. Da kann man noch so rauscharme Pickups bauen, dieser eine Widerstand rauscht mehr als alles andere.

Ist ja nur eine Sicherheitsmaßnahme. Zwar gibt es inzwischen keine Mittelwellsender mehr, die man mit diesem Widerstand "stoppen" kann (gridstopper), aber wer weiß, vielleicht müssem die irgendwann wieder reaktiviert werden. Dann sind diese Ämps schon mal auf der sicheren Seite!
Einer meiner ersten Verstärker in der Beat Ära hatte den Spitznamen "Ostseeverstärker". Die Ostsee war die mir damals größte natürliche Rauschquelle. Platz 2 belegte mein Verstärker...
Wenn aber richtig laut gespielt wurde, war das Rauschen weg - einfach überdeckt. In den Spielpausen half aber auch kein "Volumepotitrick", ich musste den Amp leise stellen.
Heute ist doch Rauschen kein wirkliches generelles Problem mehr, eigentlich seit 35 Jahren schon nicht mehr, seit der Einführung von OpAmps mit Fet-Eingängen.

capricky

[dreieiei]

Mir ist kein anderes Phenomän bekannt, welches bei serieller Schaltung zweier identischer Spulen ein Rauschen erzeugt und bei paralleler nicht. Zumindest mal in hörbaren Größenordnungen.
Eventuell verhält sich ja ein Pickup in der Hinsicht nicht wie ein idealer Widerstand. In Bezug auf die Induktivität tut er's ja auch nicht.

Zum Vergleich dann also passiver Piezo
- baseline mit dickem Kissen auf den Saiten
- full scale in die Saiten gehauen
- einmal kurz gehustet bei freien Saiten

Im Ergebnis dürfte die Resonanzwilligkeit der Saiten unabhängig von den Verstärkereinstellungen den größten Teil der "Störspannung" ausmachen. Bitte unbedingt die Skalierung links beachten!

Folgend ein P-style seriell (9 kOhm) ohne (!) Poti, 500pF Kabel an Focusrite Scarlet mit 1Meg Instrumenteneingang.

- full scale Pegel ~-10dB ..-20dB
- baseline Rauschen mit Kissen auf den Saiten -130dB

... macht ca 110dB Rauschabstand, erheblich besser als CD-Qualität. Die tatsächlichen Störungen bestehen zum größten Teil aus - siehe Vergleich mit Piezo - magnetischen Einstreuungen um und oberhalb der Resonanzfrequenz von ca 1.5kHz.

Wie schon vorgerechnet sollte ein 25kOhm PU aus physikalischen Gründen kaum merklich mehr rauschen als der gezeigte P-style PU. Wenn doch, ist das äußerst untypisch.