Messung elektrischer Größen bei verschiedenen Spannungsformen

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1 Laborversuch Messung elektrischer Größen bei verschiedenen Spannungsformen Begleitend zum Modul Messtechnik und EMV Dipl.-Ing. Ralf Wiengarten

2 Messung elektrischer Größen bei verschiedenen Spannungsformen Vorwort Bitte lest vor dem Versuch die Einführung und bearbeitet die Verständnisaufgaben. Bringt die Unterlagen, die ihr beim Bearbeiten angefertigt habt zum Versuch mit. Bringt auch die Unterlagen mit, wenn ihr eine Aufgabe nicht vollständig bearbeitet habt, dann kann man gemeinsam die Probleme besprechen. Wer nicht vorbereitet ist kann auch nicht an dem Versuch teilnehmen!! Inhalt 1 Einführung 2 Verständnisaufgaben 3 Versuchsblätter 1 Einführung Die meisten Strom- und Spannungsmessgeräte sind entweder spulenbasiert aufgebaut oder mit einem Operationsverstärker und anschließendem Analog-Digital- Umsetzer (ADU) ausgestattet. Bei den spulenbasierten Messgeräten erzeugt ein elektrischer Strom ein Magnetfeld, das einen Zeigerausschlag proportional zu Spannung oder Strom zur Folge hat. Mit Hilfe einer Skala kann der Nutzer dann Strom oder Spannung ablesen. Elektrische Spule (Induktivität) U R I Mechanische Feder Bild 1: Prinzip eines Drehspulinstruments Bei der Strommessung wird ein geringer Innenwiderstand des Messgerätes gefordert um den Einfluss des Messgerätes auf die Strommessung zu minimieren. Daher sollte eine Spule mit wenigen Windungen genutzt werden. Um mit derselben Spule über mehrere Dekaden Strom messen zu können, besteht die Möglichkeit die Spule mit ohmschen Widerständen parallel zu beschalten (Stromteiler). Mit diesen Widerständen lassen sich entsprechend verschiedene Bereiche einstellen. Bei der Spannungsmessung wird ein großer Innenwiderstand gefordert. Entsprechend ist eine Spule mit vielen Windungen vorteilhaft. Hier ist das Vorschalten von großen Widerständen eine Möglichkeit mehrere Bereiche mit derselben Spule abzudecken. Soll ein Wechselstrom/eine Wechselspannung gemessen werden muss eine Diode in

3 Reihe zur Spule geschaltet werden. Je nachdem welcher Wert (Gleichrichtwert, RMS-Wert, Scheitelwert...) gefragt ist, sind noch weitere Beschaltungen erforderlich. Messgeräte für Strom oder Spannung die auf einen Operationsverstärker und anschließendem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) basieren, verfügen meistens auch über eine numerische Anzeige. Der ADU hat selber meist einen geringen Innenwiderstand im Vergleich zu einem OP - und ist oft nur innerhalb einer Dekade linear. Daher ist eine Operationsverstärkerschaltung sowohl für Strom- und Spannungsmessung vorzuschalten. V CC Anzeige U i R 2 R 1 U o ADU V EE Bild 2: Skizze nicht invertierender Verstärker mit ADU und Anzeige. Bei R 2 = 10 kω und R 1 = 90 kω würde U 2 = 10 U M verstärkt. Eine typische Beschaltung des Operationsverstärkers (OP) ist die nichtinvertierende Beschaltung. Die zu messende Spannung wird auf den nichtinvertierenden Eingang des OP geführt. Der Operationsverstärker erzeugt eine Spannung am Ausgang, die er steigert, bis die Potenzialdifferenz zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang verschwindet. Die dafür notwendige Energie muss von außen hinzugeführt werden (über VCC und VEE). Wie im Bild 2 wird ausgenutzt, dass die Spannung am Ausgang so lange gesteigert wird, bis die Differenz an beiden Eingängen Null ist. Wird zwischen Ausgang und Masse ein Spannungsteiler geschaltet, mit Beispielsweise 10 kω und 90 kw, so muss bei einer Differenz von 100 mv am Eingang die Ausgangspannung auf 1 V gesteigert werden. Hier ist also gleichzeitig noch eine Verstärkerschaltung realisiert. Von grundlegenderer Bedeutung ist aber der hohe Eingangwiderstand des Operationsverstärkers der oft im Terra-Ohmbereich liegt. Die folgende informationsverarbeitende Schaltung darf auch Eingangswiderstände im kω-bereich haben. Der OP kann die geforderte Spannung bereitstellen, da er über eine externe Energieversorgung verfügt und nicht die elektrische Energie des zu messenden Stromkreises benötigt.

4 Soll ein Strom gemessen werden, so muss ein Shunt in den Stromkreis geschaltet werden. An diesem Shunt wird eine Spannung abgegriffen und vom Operationsverstärker weiter geleitet an die informationsverarbeitenden Bauteile. Zur Messung einer Wechselspannung von 50 Hz sollte vor dem OP keine Diode geschaltet werden. Diese oder eine vergleichbare Schaltung kann in dem weiterverarbeitenden Teil der Schaltung realisiert werden. Die Verstärkung von Messsignalen mit Operationsverstärkern (OP) ist weit verbreitet. Die Vorteile liegen in der großen Eingangsimpedanz und des großen Linearitätsbereichs. Ein Nachteil ist die oft geringe Bandbreite - vor allem bei hoher Verstärkung. Daher sollen diese Eigenschaften in diesem Praktikum näher untersucht werden. Auch das unerwünschte Einkoppeln von elektromagnetischen Signalen aus der Umwelt soll hier als begrenzende Größe für OP-Schaltungen untersucht werden. Eine typische Grundschaltung, welche in diesem Praktikumsversuch verwendet wird, ist der nicht invertierende Verstärker (Bild 1). + - Out U i R 1 U o R 2 Bild 3: Links: Nichtinvertierende Operationsverstärkerschaltung. Rechts Anschlüsse eines Operationsverstärkers. Modell: TL081 (Quelle: Datenblatt Fa. Texas Instruments). Der im Bild 1 links mit + gekennzeichnete Eingang ist der sog. NON-INVERTING- INPUT und entsprechend der mit gekennzeichnete Eingang der INVERTING- INPUT. Die meisten Standardoperationsverstärker benötigen bezüglich der Masse eine positive und eine negative Spannung zwecks Energieversorgung. Im Bild 1 rechts ist V- der Anschluss für die negative Versorgungsspannung und V+ der Anschluss für die positive Versorgungsspannung. Da die weitere Beschaltung auch eine definierte Masse braucht sind drei Potenziale bereitzustellen (siehe Bild 2 links). + U B OFFSET NULL R P OFFSET NULL A R B B R B C V - Bild 4: Links: Bereitstellung von drei Potenzialen. Rechts: Anschlüsse für den Offsetabgleich des TL Steht eine Spannungsquelle mit nur zwei Potenzialen zur Verfügung (z.b. 18V- Batterie) lässt sich durch eine Reihenschaltung zweier gleicher ohmscher

5 Widerstände ein drittes Potenzial erzeugen. Würde Potenzial B als Masse genutzt, wäre Potenzial A automatisch UB/2 und Potenzial C +UB/2. Ohne weitere Beschaltung weisen OPs jeweils einen Offset auf. Um diesen zu kompensieren nutzt man üblicherweise einfache Potentiometer (Potis). Der einstellbare Abgriff wird mit einer der Versorgungsspannungen verbunden (beim TL081 die negative). Je nach Stellung des einstellbaren Abgriffs fließt mehr oder weniger Strom in die Eingänge Offset Null. Dadurch lässt sich ein vorhandener Offset kompensieren. Im Folgenden Abschnitt ist eine Versuchsplatine dargestellt, mit der Sie im zweiten Teil des Praktikums arbeiten: U i R 1 V CC Masse R A R 2 U o V EE R B R P Bild 5: Versuchsplatine für die Aufgaben mit dem Operationsverstärker. Im linken Teil ist die Energieversorgung des Verstärkers zu sehen. Eine Spannung UL = VCC VEE wird über die Widerstände RA = RB aufgeteilt. Der Punkt zwischen RA und RB wird hier als Masse genutzt. Der Offset des Operationsverstärkers wird auf dem unteren teil der Platine ausgeglichen durch das Poti RP. Ein Widerstand ist vor das Poti in Reihe geschaltet. Die Verstärkung von Ui zu Uo wird über R1 und R2 eingestellt.

6 2 Verständnisfragen 1. Welche elektrischen Bauelemente können sie typischerweise in digitalen bzw. in analogen Spannungsmessgeräten erwarten? 2. Warum ist die Eingangsimpedanz eines analogen Spannungsmessgerätes im Allgemeinen niedriger als die eines digitalen? 3. Warum kann die Eingangimpedanz eines analogen Spannungsmessgerätes nie unendlich groß sein? 4. Zeichnen Sie die Schaltung zur Versuchsplatine aus Bild 5. Beschriften Sie die Bauteile und tragen Sie die Spannungen ein. Leitungen die ohne Punkt kreuzen sind nicht verbunden. 5. Erklären Sie was unter dem Begriff Verstärkungsbandbreiteprodukt zu verstehen ist. 6. Zeichnen Sie eine Messschaltung zur Bestimmung eines Innenwiderstandes Ri eines Strommessgeräte A. Es wird vorausgesetzt, dass nur reale Stromund Spannungsmessgeräte, aber eine ideale Gleichspannungsquelle vorhanden sind. 7. Geben Sie einen Ausdruck für den systematischen Fehler der Schaltung aus 7 an.

7 3 Arbeitsblätter Versuch Aufgabe 1: Innenwiderstände der Spannungsmessgeräte Es sollen die Innenwiderstände einiger Spannungsmessgeräte bestimmt werden. Stecken Sie die vorhandenen Geräte dazu zusammen mit Hilfe der 4mm- Laborleitungen. Achtungen Sie auf eine gut nachvollziehbare Farbwahl. Bevor Sie die Spannungsquelle einschalten, bitten Sie die Bettreuung um eine Kontrolle ihres Aufbaus. Skizze der Schaltung: Messgerät Messbereich / V Angelegte Spannung U/V Gemessener Strom i/ma Innenwiderstand Ri/Ω

8 3 Arbeitsblätter Versuch Aufgabe 2: Innenwiderstände der Strommessgeräte Es sollen die Innenwiderstände einiger Strommessgeräte bestimmt werden. Diesmal müssen Sie durch den Widerstand R X = 1 kω ihre Spannungsquelle in eine Stromquelle wandeln. Der gewünschte Strom ergibt sich dann aus I = U/R X. Stecken Sie die vorhandenen Geräte dazu zusammen mit Hilfe der 4mm-Laborleitungen. Achtungen Sie auf eine gut nachvollziehbare Farbwahl. Bevor Sie die Spannungsquelle einschalten, bitten Sie die Bettreuung um eine Kontrolle ihres Aufbaus. Skizze der Schaltung: Messgerät Messbereich / A Angelegter Strom I/A Gemessene Spannung u/mv Innenwiderstand Ri/Ω

9 3 Arbeitsblätter Versuch Aufgabe 3: Bestimmung des Verstärkungsbandbreiteprodukts des TL081 Zur Messung des Verstärkungsbandbreiteprodukts B V wird die Antwort des Verstärkers bei verschiedenen Verstärkungsfaktoren V auf ein Eingangssignal in Sprungform gemessen. Schließen Sie dazu an den Eingang der Verstärkerschaltung den Signalgenerator an. Zum Messen der Sprungantwort verbinden Sie den Ausgang der Verstärkerschaltung mit dem Oszilloskop. Stellen Sie durch passende Wahl des Widerstandes R 1 eine Verstärkung von 1000 ein. Lassen Sie den Aufbau durch die Betreuung kontrollieren, die dann erst die Versorgungsspannung einschaltet! Geben Sie nun auf den Eingang eine Rechteckfolge mit der Frequenz 10 Hz. Stellen Sie das Oszilloskop derart ein, dass der Trigger das Rechteck erfasst und Sie den Bildschirm des Oszilloskops optimal ausnutzen können. Lesen die die Abstiegszeit tr des Ausgangssignals U o des Verstärkers ab. Wahrscheinlich müssen Sie dazu die zeitliche Auflösung auf dem Oszilloskop variieren. Skizze der Schaltung: Verstärkung Anstiegszeit t r /ms Bandbreite B B V = B V Vergleichen Sie mal mit dem Datenblatt!

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