Frequenzgang eines Kopfhörerverstärkers ermitteln

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Frequenzgang eines Kopfhörerverstärkers ermitteln

    










BID = 777112

Consystor

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Hallo zusammen!

Vor ein paar Jahren habe ich diesen Kopfhörerverstärker (KHV) zusammengesetzt und dabei einen anderen IC verwendet. Der KHV funktioniert auch ohne Probleme, doch ich hatte nie die Zeit ihn zu vermessen.

Und zwar geht es um den Frequenzgang. Einen Oszillator (Nordmende SRG 389) habe ich, wie auch ein Oszilloskop. In Theorie weiß ich (glaube ich), wie ich vorgehen muss und zwar wird für verschiedene Frequenzen die Ausgangsspannung gemessen und mithilfe der Eingangsspannung der Verstärkungsfaktor ermittelt.

Doch leider fehlt mir die Praxis. Deshalb habe ich folgende Fragen:

  • Wäre eine Eingangsspannung von 1V am KHV richtig oder sollte sie geringer eingestellt werden? Wovon hängt diese bei einer realitätsnahen Messung ab?
  • Welche Ausgangsimpedanz muss am Oszillator gewählt werden (möglich sind 50, 60, 75, 200 und 600 Ohm)? Hängt diese vllt. von der Eingangsimpedanz des KHV (220kOhm) ab?
  • Eine Messung des Verstärkers ausgangsseitig im Leerlauf wäre doch sicher nicht realitätsnah. Ich denke, dass ich den Ausgang an einen Widerstand anschließen und die Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop messen muss, doch welchen Wert sollte der Widerstand haben? Hängt dieser von der Ausgangsimpedanz des KHV (3 mOhm) ab?


Über Antworten auf diese Fragen und weitere Hinweise würde ich mich sehr freuen.
Natürlich bitte ich keinen mir alles hier vorzukauen. Gerade weil ich verstehen will, wäre ich für allgemeine Hinweise warum etwas so und so gemacht werden muss sehr dankbar. Hinweise auf andere Quellen, in denen die praktische Durchführung einer Messung des Frequenzgangs eines Verstärkers erklärt wird, wären ebenfalls toll. Aber meine Kenntnisse sind auf ein E-Technik Grundstudium beschränkt (hatte ich nur als Nebenfach).

Viele Grüße

BID = 777118

perl

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Zitat :
Wäre eine Eingangsspannung von 1V am KHV richtig oder sollte sie geringer eingestellt werden?

Das kommt auf die Verstärkung an.
Auf keinen Fall darf der Verstärker übersteuert werden.

Neben der bekannten Übersteuerung, bei der die Verzerrung durch Abschneiden der Spitzen entsteht, gibt es noch eine weitere, nicht so offensichtliche Form, die bei hohen Frequenzen auftritt und daher rührt, daß die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des Verstärkers endlich ist.

Letztlich handelt es sich dabei aber immer um Nichtlinearitäten und deshalb ist kein Fehler den Klirrfaktor bzw. mit einem Spektrumsanalysator die Oberwellen im Auge zu behalten.
Auch keramische Kondensatoren und die unterschiedliche Aufheizung der Transistorchips während einer Periode können zum Klirrfaktor beitragen.

Daß bei der Messung der Verstärker richtig belastet werden muß, und daß du nicht davon ausgehen kannst, daß der Generator selbst keinen Frequenzgang hat und du deshalb auch die Eingangsspannung kontrollieren musst, versteht sich ja wohl von selbst.








BID = 777149

Consystor

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Beiträge: 56
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Hallo perl,

vielen Dank für die Hinweise! Dass ich die Eingangsspannung im Auge behalten muss, habe ich schon vermutet - gut, dass Du es erwähnst.

Bleiben noch die andere Fragen. Und zwar bzgl. eines Widerstands am Ausgang. Da habe ich mir überlegt, dass ich einen Kopfhörer anschließen könnte, doch würde dieser die Messung beeinflussen, oder nicht? Ich frage mich also, was man normalerweise anschließt, wenn man einen KHV vermisst.

Zudem weiß ich nicht, inwieweit die Einstellung der Ausgangsimpedang des Oszillators wichtig ist. Ich habe gelesen, dass wenn man diese nicht definiert, man die Verstärkung mit dBV angibt und nicht mit dB. So gesehen müsste ich dann aber auch die Impedanz am KHV Ausgang definieren. Andere Quellen im Internet machen diesbzgl. wiederum keinen Unterschied.

Was den Line-In angeht, so habe ich gelesen, dass dieser mit max. 1V RMS angesteuert wird. Somit wären 1V wohl viel zu viel und deshalb frage ich mich, mit welcher Eingangsspannung eine derartige Messung draußen in der Realität gemessen wird. Ob es da also einheitliche Regeln gibt.
Ich kann natürlich eine Spannung wählen, bei der ich am Ausgang keine Verzerrungen sehe, doch wie Du schon schreibst, sind manche Verzerrungen nicht so offensichtlich.

Ich hoffe deshalb auf weitere Hilfe. Mir genügen auch kurze stichhaltige Sätze, falls einer keine Zeit hat, mir das lange zu erklären.

Grüße


[ Diese Nachricht wurde geändert von: Consystor am 23 Jul 2011 17:34 ]

BID = 777162

perl

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Zitat :
Ich frage mich also, was man normalerweise anschließt, wenn man einen KHV vermisst.
Generell werden Verstärker an der vorgesehen Last, oder, wenn die nicht verfügbar oder schlecht definiert ist, an einer Ersatzlast (Dummy) gemessen.
Hier bietet sich ein ohmscher Widerstand in Höhe der Nennimpedanz des Kopfhörers, also vielleicht 16 Ohm an.

Da die meisten Lasten aber nicht rein ohmsch sind, auch der Kopfhörer hat Resonanzen und verhält sich in deren Umgebung wie eine verlustbehaftete Induktivität oder Kapazität, prüft man oft auch noch das Verhalten mit Blindlasten.
Insbesondere an kapazitive Lasten können manche Verstärker anfangen zu schwingen und u.U. zerstört werden, und bei Leistungsverstärkern werden durch die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung gelegentlich die Endtransistoren überlastet und brennen ab.
Das sind dann also, ebenso wie der Test mit einem Kurzschluß als Last, potentiell destruktive Tests.


Zitat :
Zudem weiß ich nicht, inwieweit die Einstellung der Ausgangsimpedang des Oszillators wichtig ist.
Auch hier sollten die Eigenschaften des Generators nach Möglichkeit die Eigenschaften der später verwendeten Quelle entsprechen.
Darum wird es nicht verkehrt sein, wenn du dafür 600 Ohm wählst.
Allerdings entspricht dieser Wert der in Telefonanlagen üblichen Impedanz und deshalb es ist möglich, dass das Signal nur an einem symmetrischen Ausgang zur Verfügung steht.
Notfalls nimmst du eben eine niederohmige Einstellung und schaltest einen 1k-Widerstand in Reihe.
P.S.:

Zitat :
doch wie Du schon schreibst, sind manche Verzerrungen nicht so offensichtlich.
Miss einfach möglichst genau bei verschiedenen Pegeln.
Wenn der Verstärkungsfaktor dabei nicht exakt gleich ist, sind bestimmt Verzerrungen im Spiel.

[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 23 Jul 2011 18:39 ]

BID = 777171

Consystor

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Hallo perl!

...für Deine ausführlichen Antworten, die mir sehr weitergeholfen haben.
Ich glaube, dass ich mit diesen Informationen messen kann.

Am Ausgang werde ich einen 70 Ohm Widerstand anschließen und damit meine Sony MDR-SA3000 simulieren. Und dann noch einen 300 Ohm Widerstand, um zu sehen, wie sich der KHV beim Anschluss eines höherohmigen KHs (wie Sennheiser HD650) tendenziell verhalten würde.

Ich habe gelesen, dass die Impedanz eines Line-Out normalerweise zwischen 100Ohm und 1kOhm liegt. Ich nehme an, dass Du deshalb den 1kOhm Widerstand vorgeschlagen hast. Daran soll es nicht scheitern.

Also werde ich die fehlenden Bauteile mit meiner nächsten Bestellung mitbestellen und diese Messungen durchführen, sobald ich dazu komme. Bin schon gespannt, was dabei rauskommt...

Und Dir wünsche ich noch einen angenehmen Abend!

BID = 777178

dl2jas

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Wenn es mit häuslichen Mitteln möglichst genau werden soll...

Meist reicht es, wenn Du mit einem Zweikanaloszilloskop Eingang und Ausgang betrachtest wie Eingang an Kanal I und Ausgang an Kanal II. Verhalten sich Oszilloskopeingänge und Tastköpfe nicht gleich, baut man sich einen Messfehler ein. Den kann man umgehen, wenn man den selben Eingang und Tastkopf benutzt. Dann bleibt nur doch als eventuelle Fehlerquelle der Spannungsteiler des Oszilloskops übrig. Die kann man praktisch ausschließen. Selbst bei Billigoszilloskopen wird sich der Spannungsteiler nicht nennenswert frequenzabhängig verhalten, wenn es sich um NF handelt.

DL2JAS

_________________
mir haben lehrer den unterschied zwischen groß und kleinschreibung und die bedeutung der interpunktion zb punkt und komma beigebracht die das lesen eines textes gerade wenn er komplizierter ist und mehrere verschachtelungen enthält wesentlich erleichtert

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perl

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Zitat :
Am Ausgang werde ich einen 70 Ohm Widerstand anschließen und damit meine Sony MDR-SA3000 simulieren. Und dann noch einen 300 Ohm Widerstand, um zu sehen, wie sich der KHV beim Anschluss eines höherohmigen KHs (wie Sennheiser HD650) tendenziell verhalten würde.
Wenn die 3mOhm, von denen du schriebest, auch nur halbwegs stimmen, dürfte dabei keinerlei Unterschied zu sehen sein.

Ich habe inzwischen noch einen kleinen Nachtrag bezüglich der dBs geschrieben:

Als erstes solltest du wissen, daß sowohl das Dezibel wie auch das vor dem 2.Wk in Deutschland verwendete Neper http://de.wikipedia.org/wiki/Neper_%28Hilfsma%C3%9Feinheit%29 ursprünglich aus der Fernsprechtechnik stammen und dort eigentlich Dämpfungsmaße waren.
Man konnte also einfach 1km Leitung mit einer Dämpfung von 4dB/km und 2km mit 5db/km miteinander verbinden und wußte dann, dass das Gesamtgebilde 14dB Dämpfung hat.
Positive Werte waren Dämpfung, negative Werte kamen seltener vor, das waren dann Verstärker.

Die logarithmischen Rechenregeln bringen es mit sich, daß die Ausdrücke a/b oder b/a beim Logarithmieren den gleichen Zahlenwert, lediglich mit umgekehrtem Vorzeichen, ergeben, und so wurden mit der zunehmenden Verbreitung der dB aus den bei Verstärkern negativen dB allmählich positive.
Vermutlich, weil das den Kaufleuten besser gefiel, weil die eine Allergie gegen negative Zahlen haben.


Grundsätzlich geht es hier aber um Leistungen, nicht um Spannungen.
Sonst könnte man anstelle des Verstärkers ja auch einen Transformator nehmen.
In der HF-Technik ist es üblich, daß mit Leistungsanpassung (meist 50 oder 75 Ohm) gearbeitet wird, und dann kann man anstelle der Leistungen auch mit den leichter zu messenden Spannungswerten arbeiten.
Man man muß dabei lediglich den Faktor 2 bzw 1/2 verwenden, der den quadratischen Zusammenhang zwischen Spannung und Leistung berücksichtigt.

In der NF-Technik liegt Leistungsanpassung eher selten vor, sondern meist eine erhebliche Fehlanpassung.
Du siehst es an deinem Kopfhörerverstärker: 3 mOhm Ausgangswiderstand 32 Ohm Last bzw. 220k Eingangswiderstand vs. 1kOhm oder weniger Quellwiderstand.
Das bedeutet, dass die Quellen praktisch im Leerlauf arbeiten und ihre Ausgangsspannung durch die Last nur minimal beeinflusst wird.

Aus diesem Grund misst man hier i.A. nur die Spannungsverstärkung.
Wollte man hier die Leistungsverstärkungen angeben, so müsste man anhand der Lastwiderstände die zu den gemessenen Spannungen gehörenden Leistungen ermitteln und diese ins Verhältnis setzen.
Dabei kämen gigantische Werte heraus. Selbst bei keinerlei Spannungsverstärkung (also Uin=Uout) wären das z.B. bei deinem Verstärker über 40dB! (220k/16)



BID = 777238

Consystor

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Guten Abend!

@dl2jas
Leider bin ich nicht im Besitz eines Zweikanaloszilloskops. Trotzdem vielen Dank für die Hinweise. Ich werde also abwechselnd am Eigang und am Ausgang messen. Die Messungenauigkeit durch den Wechsel muss ich dann hinnehmen. Ich glaube (hoffe) das wird weniger ausmachen, als meine Ableseungenauigkeit.

@perl

Zitat :
Wenn die 3mOhm, von denen du schriebest, auch nur halbwegs stimmen, dürfte dabei keinerlei Unterschied zu sehen sein.

Ich habe den Wert von dieser Seite hier mit den technischen Daten des KHV, die dessen Entwickler angibt und mit denen er ziemlich erfolgreich zu sein scheint. Ich wollte jetzt selbst auch einmal nachmessen (so gut, wie ich es eben schaffe), wie der Frequenzgang meines KHV aussieht.
Soweit ich die Schaltung richtig verstanden habe, kann man zudem die Impedanz ausgangsseitig (per Jumper) auf 110 Ohm anheben.


Zitat :
Als erstes solltest du wissen, daß sowohl das Dezibel wie auch das vor dem 2.Wk in Deutschland verwendete Neper http://de.wikipedia.org/wiki/Neper_%28Hilfsma%C3%9Feinheit%29 ursprünglich aus der Fernsprechtechnik stammen und dort eigentlich Dämpfungsmaße waren.
Man konnte also einfach 1km Leitung mit einer Dämpfung von 4dB/km und 2km mit 5db/km miteinander verbinden und wußte dann, dass das Gesamtgebilde 14dB Dämpfung hat.
Positive Werte waren Dämpfung, negative Werte kamen seltener vor, das waren dann Verstärker.


Das klingt lustig - habe von der Einheit nie etwas gehört. Ich glaube einer unserer Profs hat diese Tatsache mit dem umgekehrten Vorzeichen einmal angesprochen aber nicht die Einheit. Jedenfalls gut zu wissen!



Zitat :
Vermutlich, weil das den Kaufleuten besser gefiel, weil die eine Allergie gegen negative Zahlen haben.





Zitat :
Grundsätzlich geht es hier aber um Leistungen, nicht um Spannungen.
Sonst könnte man anstelle des Verstärkers ja auch einen Transformator nehmen.

Ich verstehe. Das Argument mit dem Transformator ist wirklich gut.
Wenn ich es richtig verstehe, dann kommt es beim "eigentlichen" Verstärker (Endstufe) also auf die Leistungsverstärkung an und nicht unbedingt auf die Spannungsverstärkung, oder?



Zitat :
In der HF-Technik ist es üblich, daß mit Leistungsanpassung (meist 50 oder 75 Ohm) gearbeitet wird, und dann kann man anstelle der Leistungen auch mit den leichter zu messenden Spannungswerten arbeiten. Man man muß dabei lediglich den Faktor 2 bzw 1/2 verwenden, der den quadratischen Zusammenhang zwischen Spannung und Leistung berücksichtigt.

Diese Impedanzen sind mir von div. Antennen oder Messschaltungen bekannt. Leider wird in der Uni oft nur vermittelt, was gemacht wird aber nicht warum und in der Praxis tauchen dann noch ganz andere Probleme auf. Nun verstehe ich, warum hauptsächlich die Spannung beachtet sind - weil die Widerstände bei den Messungen "gleich" bleiben und man somit die Spannungswerte selbst vergleichen kann.



Zitat :
In der NF-Technik liegt Leistungsanpassung eher selten vor, sondern meist eine erhebliche Fehlanpassung.
Du siehst es an deinem Kopfhörerverstärker: 3 mOhm Ausgangswiderstand 32 Ohm Last bzw. 220k Eingangswiderstand vs. 1kOhm oder weniger Quellwiderstand.
Das bedeutet, dass die Quellen praktisch im Leerlauf arbeiten und ihre Ausgangsspannung durch die Last nur minimal beeinflusst wird.

Stimmt - das war mit so gar nicht richtig bewusst. Wieder was verinnerlicht.



Zitat :
Aus diesem Grund misst man hier i.A. nur die Spannungsverstärkung.
Wollte man hier die Leistungsverstärkungen angeben, so müsste man anhand der Lastwiderstände die zu den gemessenen Spannungen gehörenden Leistungen ermitteln und diese ins Verhältnis setzen.
Dabei kämen gigantische Werte heraus. Selbst bei keinerlei Spannungsverstärkung (also Uin=Uout) wären das z.B. bei deinem Verstärker über 40dB! (220k/16)


Dieser Verstärkungsfaktor klingt gut (und ist auch richtig, wenn ich das richtig verstanden habe), doch anscheinend kann es nicht darauf ankommen. Ferstehe ich Deine Aussagen insg. also richtig:
Ich ermittle das Spannungs- und nicht das Leistungsverstärkung. Normalerweise würde zwar die Leistungsverstärkung eine große Rolle spielen (gerade bei einer Endstufe) aber in meinem Fall, bei dem es um die Beurteilung der "Linearität" des KHV geht, kommt es eben nicht auf die Leistungsverstärkung an, sondern auf die Spannungsverstärkung, weil die Spannung eine Größe ist, auf die es bei der Bewertung der "Originaltreue des Ausgangssignals" in Bezug auf das Eingangssignal, ankommt. Oder liege ich falsch?

---
Wobei für mich ohnehin nur der relative Verlauf des Amplitudengangs von Bedeutung ist, da ich lediglich sehen will, bei welchen Frequenzbereichen die Spannung am Ausgang des KHV einbricht (in Relation zu anderen Frequenzbereichen), nicht wahr?
---

Bitte verstehe meine Fragerei nicht so, als würde ich irgendwie nachhaken wollen. Ich versuche nur die Zusammenhänge richtig zu verstehen und Schlussfolgerungen zu vergleichen, um zu sehen, ob ich richtig verstanden habe.

Grüße

BID = 777243

perl

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Zitat :
Wobei für mich ohnehin nur der relative Verlauf des Amplitudengangs von Bedeutung ist, da ich lediglich sehen will, bei welchen Frequenzbereichen die Spannung am Ausgang des KHV einbricht (in Relation zu anderen Frequenzbereichen),
Korrekt.
Um den Frequenzgang zu ermitteln reichte prinzipiell die Messung der Ausgangsspannung bei verschiedenen Frequenzen aus, aber dazu müsste man sicher sein, daß die Eingangsspannung konstant bleibt.
Schon Lenin wußte aber: Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser.


Zitat :
Leider bin ich nicht im Besitz eines Zweikanaloszilloskops
Aber vielleicht ist deines für X-Y-Betrieb geeignet...

Am besten stellst du die Eingangsspannung so ein, daß ihre Spitzen stets genau auf zwei Rasterlinien liegen und mißt die zugehörige Ausgangsspannung.

BID = 777253

Consystor

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Mein Oszilloskop ist auch nicht für XY-Betrieb geeignet. Sprich: Keine schönen Lissajous-Figuren möglich.

Ich habe mir vor etwa 6 Jahren einen Philips PM3200 Oszillografen für nur 35EUR ersteigert (samt Bedienungsanleitung mit Schaltplänen zum Nachbauen ). Eigentlich nur für Spielereien, weil ich als Jugendlicher gerne eins haben wollte. Es scheint bis heute einwandfrei zu funktionieren. Wenn ich also die Kurven am Oszilloskop mit den Einstellungen am Oszillator vergleiche, dann bemerke ich keine Diskrepanzen und die Triggerung macht keine Schwierigkeiten. Meinen Messkopf konnte ich heute ebenfalls abgleichen.

Den Oszillator (Nordmende SRG 389) habe ich vor 5 Jahren für meinen KHV und andere Experimente gekauft. War damals für ca. 10EUR eigentlich auch ein Schnäppchen, weil er zwar innen kaputt war aber nur mechanisch (Skaleneinstellung defekt). Den habe ich repariert und er lief ohne Probleme. Leider musste ich heute aber feststellen, dass er bei Einstellungen der Skala zwischen 0,3 und etwa 0,9 korrekt funktioniert (egal welchen Faktor man wählt) aber zwischen 1,0 und 3,0 setzt er (ebenfalls egal welchen Faktor man wählt) nach einer gewissen Zeit aus: Das Signal fängt erst an komisch zu pulsieren, bis es dann auf 0V o.ä. abfällt.

Ich habe es kurz nach dem Kauf mit dem Oszilloskop für kleine Experimente genutzt und da hat es funktioniert. Dann stand es paar Jahre in einem Schrank. Eigentlich wollte ich mit beiden Geräten mehr anstellen, doch es kam anders. Jetzt will ich meinem KHV aber endlich ein schönes Gehäuse etc. spendieren und es vermessen, wie ich von Anfang an wollte. Mal sehen, was sich machen lässt.

Aufgeschoben ist schließlich nicht aufgehoben.

Vielen Dank auch für diesen Tipp und für das "Mitdenken". Bevor ich hier schrieb hatte ich meine Zweifel, doch ich bin sehr froh hier gefragt zu haben.


[ Diese Nachricht wurde geändert von: Consystor am 24 Jul 2011  1:40 ]

BID = 777258

perl

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Zitat :
einen Philips PM3200 Oszillografen für nur 35EUR ersteigert
Aber auch das ist zu teuer, wenn man mit dem Gerät nicht vernünftig arbeiten kann.
Bei den Philips-Geräten gab es oft auch Ärger mit Wackelkontakten in den Schaltern. So etwas muß nicht sein.

Bei dem SRG vermute ich vertrocknete Elkos als Ursache.
Insbesondere die mechanisch kleinen und solche in der Nähe von Wärmequellen fallen zuerst aus, wähernd die dicken im Netzteil meist noch ok sind.
Vermutlich kannst du den Fehler mit Fön und Kältespray lokalisieren, aber bei diesem Alter kann man die Elkos auch auf Verdacht erneuern.

BID = 777282

Consystor

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Guten Morgen!

Also mit dem Philips Oszilloskop bin ich sehr glücklich. Das funktioniert 1A. Weder mechanisch noch elektrisch ist etwas defekt. War wohl sehr wenig in Gebrauch.

Was den SRG angeht:
Ich muss mal sehen, ob das Problem nach einer Zeit auftaucht oder sich sofort bemerkbar macht. Bei einer gewissen Freuenzeinstellung war es gestern jedenfalls so, dass das Signal pulsiert hat. Wenn ich das SRG aber aus- und sofort wieder eingeschaltet habe, war die ersten Sekunden kein Pulsieren zu sehen, bevor es dann wieder kam. Eigentlich dürfte sich in dieser kurzen Zeit kein Kondensator abgekühlt und durch ein anderes Bauteil so schnell wieder aufgeheizt haben.
Für mich sieht es deshalb nach einem Bauteil aus, welches selbst in Sekundenschnelle warm werden kann.

Am liebsten würde ich aber auch einfach alle Elkos austauschen. Würde dem Gerät sicher nicht schaden. Da muss ich aber mal reinsehen, wie viele das sind. Doch jetzt schau ich, inwieweit das Problem wärmeabhängig ist, indem ich sein Verhalten aus dem komplett kalten Zustand betrachte. Leider fehlt mir zum SRG 389 die Anleitung und damit auch der Schaltplan mit der Ersatzteillite. Muss mal etwas googlen...

Grüße

BID = 777363

Consystor

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Hallo nochmal!

Ich habe den SRG 389 nun genauer getestet und meine Erkenntnisse im zugehörigen Unterforum hier zusamengefasst.

Grüße


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