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Grundlagen |
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| Ein Drehspulmesswerk arbeitet nur mit Gleichstrom.
Für Wechselstrom setzt man z.B. Dreheisenmesswerke ein. Allerdings
ist damit keine große Genauigkeit und Empfindlichkeit zu erreichen,
so dass ihr Einsatz sich im wesentlichen auf die Starkstromtechnik beschränkt.
Messgeräte für die allgemeine Elektronik verwenden dagegen entweder
Drehspulmesswerke oder digitale Messtechniken, die ebenfalls eine Gleichspannung
als Eingangsgröße benötigen.
Zur Messung von Wechselspannungen und Wechselströmen müssen diese zunächst gleichgerichtet werden. Prinzipiell kann dazu ein üblicher Vierweggleichrichter eingesetzt werden. Problematisch ist dabei allerdings das Verhalten bei kleinen Spannungen. Jede Diodenkennlinie zeichnet sich durch einen deutlichen Knick bei der Durchlassspannung aus. Auch bei kleinen Strömen gehen so an einer Si-Diode mindestens 0,5 V verloren. Unterhalb dieser Spannung ist keine Gleichrichtung möglich. Mit einem Vierweggleichrichter ergibt sich ein Spannungsabfall von etwa 1 V. Der Einsatz ist daher nur bei der Messung sehr hoher Spannungen sinnvoll. Bei einem Messbereich bis 250 V ist der Fehler durch den Gleichrichter tolerierbar. Hier eine typische Messschaltung: |
Ein Vierweg-Messgleichrichter
| Berechnet man den Messwiderstand zur Bereichserweiterung
wie im Gleichstromfall mit 2,5 MOhm für 100 µA und 250 V, dann
zeigt sich ein erheblicher Messfehler von ca. 11%. Statt 230 V würde
nur 207 V angezeigt. Der Unterschied beruht auf der Festlegung der Effektivspannung.
Ein Wechselspannungsmessgerät soll die effektive Wechselspannung anzeigen,
also die Spannung, bei der im Mittel an einem ohmschen Verbraucher dieselbe
Leistung umgesetzt wird wie im Gleichstromfall. Das Verhältnis von
Spitzenspannung zu Effektivspannung beträgt für sinusförmige
Wechselspannungen Wurzel aus Zwei = 1,414. Bei einer Spitzenspannung von
325 V ergibt sich so eine Effektivspannung von 230 V. Im Drehspulmesswerk
wird die gleichgerichtete Wechselspannung jedoch durch die Trägheit
des Systems arithmetisch gemittelt. Dabei ergibt sich ein Verhältnis
von Spitzenspannung zur gemittelten Spannung von Pi/2=1,571 , so dass der
angezeigte Messwert nur 90,03% des Effektivwerts beträgt. Die korrekte
Effektivanzeige ergibt sich, wenn man den Messwiderstand um den Faktor
0,9 verkleinert. Im vorliegenden Fall muss der Messwiderstand also nicht
2500 kOhm, sondern 2250 kOhm haben.
Bei kleineren Messbereichen sind die Schwellspannungen von Si-Dioden zu hoch. Mit Germaniumdioden oder Schottkydioden wird dieser Fehler etwas geringer. Mit einer Einweggleichrichtung beträgt er etwa 0,1 V bis 0,2 V. Man verwendet eine zweite Diode, um einen vollständigen Wechselstrom zu bekommen und die eigentliche Gleichrichterdiode vor zu hohen Sperrspannungen zu schützen. Der Gleichrichter führt zu einer leichten Verzerrung der Messskala, so dass übliche analoge Vielfachmessgeräte über eine eigene Skala für Wechselspannungsbereiche verfügen. Meist ist der kleinste Wechselspannungsbereich 10 V, weil bei Messbereichen unter 10 V die Dioden-Knickspannung zu stark ins Gewicht fällt. Aus dem gleichen Grunde arbeiten einfache Geräte bei Strommessungen nur mit Gleichstrom, da die geringen Spannungsabfälle am Shunt mit einem Messgleichrichter schwer zu beherrschen sind. |
Einsatz von Schottkydioden als Messgleichrichter
| Durch den Einsatz eines Messverstärkers lässt sich der Einfluss des Messgleichrichters fast vollständig eliminieren, so dass wieder einfache Si-Dioden eingesetzt werden können. Die Gegenkopplung erfolgt über den Spannungsabfall an einem Messwiderstand im Stromkreis des Messwerks. Dort bildet sich wieder die unverzerrte Messspannung. Die Durchlassspannungen an den Gleichrichterdioden werden mit der hohen Leerlaufverstärkung des OPV leicht aufgebracht, ohne dass es zu Verzerrungen des Stroms kommt. Die Schaltung eignet sich auch für sehr kleine Messspannungen im Millivoltbereich. |
Ein aktiver Messgleichrichter
| Ein Nachteil der Gleichrichterschaltung ist, dass die Ausgangsspannung nicht gegen Masse erscheint, sondern nur mit einem schwimmenden Potential am Messwerk liegt. Die folgende Schaltung zeigt einen Messgleichrichter, dessen Ausgangsspannung auf Masse bezogen ist und damit leicht weiterverarbeitet werden kann. Am Ausgang steht nicht eine gemittelte Spannung, sondern die gleichgerichtete Spitzenspannung. Bei einer Sinusspannung am Eingang mit Ueff = 1 V erscheint also eine Gleichspannung von 1,41 V am Ausgang. Im Prinzip besteht die Schaltung aus einem Einweggleichrichter mit Ladekondensator. Am Ausgang des OPV liegt nur dann eine positive Spannung, wenn die Spannung am Eingang gerade über der Ladespannung des Kondensators liegt. Der Einweggleichrichter leitet also nur in den kurzen Momenten der Spannungsspitzen. Eine zweite Diode verhindert, dass der OPV in der übrigen Zeit zu weit in den negativen Bereich aussteuert und dabei in die Sättigung kommt, was seine Ansprechzeit verschlechtern würde. |
Ein Spitzenwertgleichrichter <
