Messung elektrischer Größen bei verschiedenen Spannungsformen

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Laborversuch
Messung elektrischer Größen bei
verschiedenen Spannungsformen
Begleitend zum Modul Messtechnik und EMV
Dipl.-Ing. Ralf Wiengarten
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
2
3
Einführung
Verständnisaufgaben
Versuchsblätter
1 Einführung
Die meisten Strom- und Spannungsmessgeräte sind entweder spulenbasiert
aufgebaut oder mit einem Operationsverstärker und anschließendem Analog-DigitalUmsetzer (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)
R
U
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
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.
VCC
Anzeige
Ui
R1
R2
ADU
Uo
VEE
Bild 2: Skizze nicht invertierender Verstärker mit ADU und Anzeige. Bei R2 = 10 kΩ und
R1 = 90 kΩ würde U2 = 10· UM 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.
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
R1
Ui
Uo
R2
Bild 3: Links: Nichtinvertierende Operationsverstärkerschaltung. Rechts Anschlüsse
Operationsverstärkers. Modell: TL081 (Quelle: Datenblatt Fa. Texas Instruments).
eines
Der im Bild 1 links mit „+“ gekennzeichnete Eingang ist der sog. „NON-INVERTINGINPUT“ und entsprechend der mit „–„ gekennzeichnete Eingang der „INVERTINGINPUT“. 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).
UB
RP
OFFSET NULL
+
A
RB
B
RB
C
OFFSET NULL
V-
Bild 4: Links: Bereitstellung von drei Potenzialen. Rechts: Anschlüsse für den Offsetabgleich des TL081.
Steht eine Spannungsquelle mit nur zwei Potenzialen zur Verfügung (z.B. 18VBatterie) lässt sich durch eine Reihenschaltung zweier gleicher ohmscher
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:
Ui
R1
VCC
RA
R2
Masse
Uo
RB
RP
VEE
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.
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.
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 4mmLaborleitungen. 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
3 Arbeitsblätter Versuch
Aufgabe 2: Innenwiderstände der Strommessgeräte
Es sollen die Innenwiderstände einiger Strommessgeräte bestimmt werden. Diesmal
müssen Sie durch den Widerstand RX = 1 kΩ ihre Spannungsquelle in eine
Stromquelle wandeln. Der gewünschte Strom ergibt sich dann aus I = U/RX. 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
3 Arbeitsblätter Versuch
Aufgabe 3: Bestimmung des Verstärkungsbandbreiteprodukts des TL081
Zur Messung des Verstärkungsbandbreiteprodukts BV 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 R1 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 Uo des Verstärkers ab. Wahrscheinlich müssen Sie dazu die
zeitliche Auflösung auf dem Oszilloskop variieren.
Skizze der Schaltung:
Verstärkung
1000
100
10
Anstiegszeit tr/ms
Vergleichen Sie mal mit dem Datenblatt!
Bandbreite B
BV = B·V
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