Zum Inhalt gehen.

Menü



Valid XHTML 1.0 Strict
Valid CSS
RSS der Elektroniker Bude abonnieren

Schaltung zum Ermitteln der Brummspannung

Der Zweck des Messadapters ist es das Messen von kurzen Spannungspeaks mit einem handelsüblichen Multimeter zu ermöglichen. Die Schaltung »extrahiert« dazu die Maxima sowie die Minima des Spannungsverlaufs.

Als Beispiel stelle man sich folgende Schaltung vor:

Auf diesem Bild ist ein Schaltplan von einem Klassischen Netzteil zu sehen

Die Spannungsquelle V1 gibt eine sinusförmige Spannung mit einer Amplitude von 6V aus. Diese wird mit Hilfe der Dioden D1 bis D4 gleichgerichtet und mit dem Kondensator C1 geglättet. Der Widerstand R1 stellt die Last für dieses »Netzgerät« dar.

Man würde erwarten, dass man nach dem Gleichrichten und Sieben etwa 4,6V Gleichspannung hat. Da R1 mit 50Ω einen Laststrom von ca. 90mA fließen lässt sollte C1 mit 1mF also ausreichend sein, um eine fast saubere Gleichspannung zu erhalten. Die Simulation mit LTspice(externer Link) zeigt, wie es um die gleichgerichtete Spannung wirklich steht:

In diesem Bild ist zu sehen, wie sich die Ausgangsspannung des Netzteils wirklich verhält

Wie man sieht schwankt die Spannung zwischen 3,8V und 4,4V.

Um bei einem Netzgerät diese Schwankung messen zu können, soll der Messadapter je eine Spannung ausgeben, die der minimalen Spannung (im Beispiel 3,8V) sowie eine Spannung, die der maximalen Spannung (im Beispiel 4,4V) entspricht.

Um die maximale Spannung zu ermittelt wird mit einem Operationsverstärker ein Spannungsfolger aufgebaut, der aber nur positive Ströme liefern kann. Mit diesem wird ein Kondensator aufgeladen. Wenn die Eingangsspannung steigt, dann folgt die Spannung am Ausgang der Eingangsspannung. Wenn die Eingangsspannung nun wieder vom Maximum zu sinken beginnt, bleibt der Kondensator aber geladen. Auf diese Weise ist die Kondensatorspannung immer so groß wie das Maximum der Spannungsquelle.

Damit in dieser Schaltung verschiedene OPs verwendet werden können, sind vor den beiden Eingängen 4,7MΩ Widerstände. Sie verhindern ein zu schnelles Entladen des Kondensators. Bei Verwendung der gleichen Widerstände vor beiden Eingängen wird dadurch die Genauigkeit des OP nicht verringert. Der 1kΩ Widerstand in Reihe mit der Diode ist zum Laden des Kondensators. Durch die Diode kann der OP den Kondensator nur laden und nicht entladen. Der Widerstand begrenzt den Ladestrom zum Schutz des OPs bei einem schnellen Spannungssprung am Eingang.

An der gesiebten Gleichspannung vom Anfang verhält sich diese Schaltung so:

Dieses Bild zeigt den Schaltplan und die Simulation von dem Teil der Schaltung, der die Spannungsspitzen extrahiert

Um die kleinste Spannung ebenfalls anzeigen zu können, wird eine sehr ähnliche Schaltung verwendet. Der Unterschied ist die Diode, welche in die andere Richtung gerichtet ist und somit der Kondensator immer so weit entladen wird, wie die Eingangsspannung sinkt.

Die Simulation zeigt, dass sich so die Minima und die Maxima messen lassen.

Das Bild zeigt den Schaltplan und die Simulation der gesamten Schaltung zum Extrahieren der Zustände (Min- und Maxima)

Damit man diese Spannungen aber auch messen kann, ohne die Kondensatoren zu entladen, wird hinter jeden noch ein Spannungsfolger geschaltet.

Um für die Messung beide Kondensatoren zu entladen, werden noch je zwei Taster eingebaut, die es einem ermöglichen die Min- oder Max-Spannung zurückzusetzen. Der fertige Schaltplan sieht dann so aus:

Der fertige Schaltplan des Brummspannungsmessadapters

Da ich beim Aufbau dieser Schaltung meine erste Platine ätzen will, wird der Schaltplan in ein Layout übertragen. Nachdem mir das Ätzen und Bohren soweit gelungen ist, wird die Schaltung aufgebaut, und da ist sie:

Ein Foto der fertig aufgebauten Schaltung

Die im Schaltplan und in der Simulation angegebenen Werte sind die von mir verwendeten. Unter Umständen sind mit anderen Werten bessere Ergebnisse zu erzielen. Für den Fall, dass ein LM358N verwendet wird, kann die Schaltung mit maximal 30V versorgt werden. Die zu untersuchende Spannung sollte einige Volt kleiner als die Versorgungsspannung sein. So würde sich bei 30V Versorgungsspannung eine Messmöglichkeit bis etwa 27V gegeben. Der Abstand von etwa 3V gilt auch nach unten hin. Damit ist der Messbereich dann von 3V - 27V eingeschränkt. Besonders die Einschränkung nach unten ist sehr unpraktisch. Das sollte man bei einer zweiten Version der Schaltung ändern.

Es ist wichtig, dass die Platine nach der Fertigstellung ordentlich gesäubert wird, da es sonst zu sehr verfälschten Ergebnissen kommt. Werden die 4,7MΩ Widerstände kleiner gewählt, sinkt zwar die Störanfälligkeit durch Kriechströme, aber einzelne Spannungspeaks sind je nach OP schwer zu messen. Soll die Schaltung nur zum Messen von Brummspannungen und nicht für Spannungspeaks sein, dann sollten alle 4,7MΩ Widerstände weggelassen werden.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist es das Regelverhalten von Schaltnetzteilen zu untersuchen. Wird eine 12V Halogenlampe an ein Schaltnetzteil (Bsp.: Computernetzteil) angeschlossen, so bricht die Spannung etwas ein, da die Lampe einen sehr geringen Widerstand im kalten Zustand hat. Wie weit sie zusammenbricht, kann mit dem Messadapter festgehalten werden. Wird die Last vom Netzgerät genommen gibt es eine Spannungsspitze, wie stark diese ist, kann ebenfalls mit dem Messadapter gemessen werden.

Es bieten sich also mehrere Einsatzzwecke, wo er hilfreich sein kann.

Auf dem folgenden Bild kann man noch ein Mal sehen wie sich in etwa der Kondensator verhält, wenn es nur einen kurzen Peak gibt. In diesem Fall zeigt die Simulation einen 500mV starken Peak. Es ist zu erkennen, dass bereits nach 4ms fast die Spannung erreicht ist. Die Impulsstärke ist dabei nicht entscheidend. Bei dieser Betrachtung kann man die Entladeströme durch die großen Widerstände außen vor lassen.

Die Schaltung sollte also für alle Peaks länger als 5ms gut geeignet sein.

Dieses Bild zeigt die Simulation eines Spannungspeaks nach welcher Zeit der Kondensator sich auf die Stärke des Peaks aufgeladen hat.

Alles Weitere ist dem Tüftler überlassen. Ich habe die Schaltung bis jetzt nur bei einem einfachen Netzgerät ausprobiert. Leider habe ich nicht die Möglichkeit die Werte mit einem Oszilloskop zu überprüfen. Ich würde mich sehr freuen, wenn sich jemand mit einem Oszilloskop, der die Schaltung nachbaut, findet und ein paar Messungen vornimmt. Also schreibt mir.

Vielleicht interessiert Dich auch mein Online-Simulator zum Dimensionieren der Bauteile beim Gleichrichten.

Erstellt im Februar 08.