Meßtechnik in 6 Kapiteln
| Kapitel 1 Vorwort |
Kapitel 2 • DC • |
Kapitel 3 NF |
Kapitel 4 HF |
Kapitel 5 Gadgets |
Kapitel 6 Tester |
Bin SCHWER am arbeiten hier.
Das ist im Moment eine Baustelle, also am besten mal reinlesen.
Wenn ihr Ideen, Anregungen oder Kritiken habt, dann her damit!!!
Download aller Kapitel als gezipptes ASCII-File (demnächst)Kapitel 2 - Gleich- und Wechselspannung
In diesem Kapitel geht es um die Erzeugung von Gleichspannung und Wechselspannung im Bereich von 50Hz, also der Labor-Stromversorgung, der Messung und Kalibrierung von Spannung und Strom bis hin zur Vernichtung von richtig viel Leistung.-StromversorgungGrundlagen, ArbeitsweiseEigentlich die "Nummer Zwei" nach dem Multimeter, aber trotzdem unentbehrlich: DAS Universalnetzgerät! Idealerweise sollte es Gleich- und Wechselspannungen in stufenlos einstellbarer Größe mit viel Strom bereitstellen können, um möglichst alle denkbaren Baugruppen und Geräte (Halbleiter- und auch Röhrengeräte) testweise in Betrieb nehmen zu können. Das wäre aber dann die "Eierlegende Wollmilchsau" (EWMS). Die schwebt mir natürlich immer noch im Kopf herum, wird aber ein paar Pfund mehr wiegen als ein gekauftes Netzteil. Demnächst stelle ich hier mal meine Ideen und Realisierungsvorschläge vor.Es gibt sog. lineare Netzteile und Schaltnetzteile. Die ersteren arbeiten bei europäischen 50Hz oder amerikanischen 60Hz Netzfrequenz mit gewöhnlichen Transformatoren (Trafos), die sekundär die benötigten Spannungen bereitstellen. Schaltnetzteile arbeiten dagegen ein wenig anders: die gleichgerichtete Netzspannung wird mit einem Takt von 20 bis 100kHz wieder zerhackt und mit einem im Vergleich zu linearen Netzteilen winzigen Trafo (je höher die Frequenz, desto kleiner braucht der Trafo sein) auf die benötigten Spannungen transformiert und dann gleichgerichtet. Für Universalnetzgeräte sind Schaltnetzteile aber nicht geeignet. Zum einen stören sie ganz erheblich und zum anderen ist die Ausgangsspannung nicht so ohne weiteres stufenlos einstellbar. Braucht man eine oder mehrere Festspannungen mit einem hohen Strom, dann sind Schaltnetzteile die erste Wahl. Bestes Beispiel: Computernetzteile. Vorsicht: meist brauchen Schaltnetzteile eine sogenannte Vorlast, also einen Mindeststrom (Größenordnung 100mA-2A), um im Leerlauf korrekt funktionieren zu können. Bei einigen ist diese Vorlast in Form eines kleinen Widerstandes bereits eingebaut, im Zweifelsfall also nachschauen oder eine externe Vorlast vorsehen. Auf Schaltnetzteile möchte ich hier aber nicht weiter eingehen, weil sie doch eher die Exoten auf dem Meßplatz sind. Zurück zu den linearen Netzteilen. Ein Universalnetzteil besteht im wesentlichen aus einem passenden Trafo mit den gewünschten Spannungen und Strömen, dem Gleichrichter, Lade- und Siebelko, der einstellbaren Spannungsstabilisierung, einer einstellbaren Strombegrenzung und Meßinstrumenten (analog/ digital) für Ausgangsspannung und -strom. Sonderfälle der Stromversorgung: Ist bei einem Trafo die Sekundärspannung gleich der Primärspannung und sind beide Wicklungen galvanisch voneinander getrennt, spricht man von einem Trenntrafo. Er dient der Sicherheit im Labor, da die Sekundärspannung nicht mehr erdbezogen ist, das zufällige Berühren der Netzspannung (gegen Erde) also nicht lebensgefährlich ist. Die Spannung selbst ist es natürlich immer noch. An diesen Trafo wird nur das Gerät angeschlossen, an dem unter Spannung gemessen werden soll. (s. auch Elektrosicherheit). Es gibt auch Trafos, an denen man US-amerikanische Geräte betreiben kann, die also die 230V auf die in Übersee üblichen 110V runtertransformieren. Zur Not tut es auch ein Trafo mit symmetrisch geteilter Primärwicklung, den man als Spartrafo beschalten kann. So kann man zum Beispiel gut 110V-Lüfter aus Restbeständen für die Belüftung von Netzteilen oder Endstufen betreiben. Einen Ringkerntrafo mit freiliegender Sekundärwicklung und einem Schleifer, der darauf von Hand oder motorisch bewegt, verschiedene Spannungen von Null an (fast) stufenlos abnehmen kann, bezeichnet man als Stelltrafo (engl. Variac). Im Einzelfall sollte man auch hier der Sicherheit wegen auf galvanische Trennung von Primär- und Sekundärwicklung achten. Meist sind diese Ausführungen aus unerfindlichen Gründen etwas teurer. Mit einem solchen Stelltrafo kann man bei defekten Geräten die an der Netzseite anliegende Spannung langsam bis zum Nennstrom "hochfahren", um Netzteilfehler besser eingrenzen zu können. Ein weiterer Fall sind Wechselspannungsnetzteile. Sie bestehen im einfachsten Fall aus einem sogenannten Universaltrafo, der über einen Zweiebenenschalter oder Relais ähnlich einem Variac im Bereich bis etwa 40 Volt möglichst viele Spannungen in kleinen Schritten bereitstellen kann. Solche Netzteile braucht man zum Testen und Dimensionieren von Netzteilschaltungen, in denen es einfach noch keinen Trafo gibt. Hiermit kann man dann den richtigen Trafo auswählen oder beispielsweise die korrekte Funktion der Regelschaltung ausprobieren. Meine Eierlegende Wollmilchsau bekommt so ein Ding verpasst. Versprochen! Die letzte Sonderform sind Netzteile, die Spannungen und Ströme (Anoden- und Gittervorspannungen, Heizspannungen usw.) für Tests von Röhrenschaltungen bereitstellen können. Wenn man ernsthaft mit Röhrenschaltungen experimentieren will, kommt man meist auch nicht um ein Röhrenprüfgerät herum. Von diesem lassen sich in den meisten Fällen auch diese Spannungen nach draußen führen, um sie der Schaltung zuführen zu können. Auf Röhrenprüfgeräte komme ich in Kapitel 6 noch zu sprechen. Einkaufs- und BautipsSteht der Kauf eines Labornetzteiles an, sollte man mindestens auf folgende Punkte achten: 2 unabhängige Spannungen von bis zu 30V und 1,5 bis 3A. Die Spannung sollte mit einem Grob- und einem Feinsteller einstellbar sein. Die Strombegrenzung sollte ebenfalls einstellbar sein. Bessere Ausführungen gestatten das Koppeln der beiden Spannungen, um Schaltungen mit symmetrischen Spannungen versorgen zu können. Alle Spannungen sollten hier auch mit einem einzigen Tastendruck abschaltbar sein. Digitalanzeigen für Strom und Spannung sind in Labornetzteilen besser als analoge Anzeigen, weil sich im Regelfall nicht so schnell etwas ändert. "Nice to have" sind auch lokal programmierbare oder über RS-232 oder GPIB programmierbare sogenannte Systemnetzteile, um Prüfabläufe in der Produktion automatisieren zu können. In 99,9 Prozent der bei uns vorkommenden Fälle sind sie aber absolut nicht notwendig. Gute Netzteile haben auch einen oder mehrere Festspannungsausgänge (+5, ±12 oder 15V), die sehr sinnvoll sind. Hier zwei von meinen Netzteilen (Bild 36k), die ich am meisten benötige.Sehr gute neue Netzteile gibt es z.B. bei Conrad und ELV. Aber auch der Surplusmarkt ist voll von kommerziellen Labornetzteilen (Marke Lambda, Statron, Zentro, Gossen usw.) zu bastlerfreundlichen Preisen. Diese lassen sich im Fehlerfall auch sehr gut ohne Schaltplan selbst reparieren, weil sie meist sehr konservativ aufgebaut sind. Wenn sie geprüft angeboten werden, sollte man sie in die erste Wahl miteinbeziehen. Ein Labornetzteil ist eigentlich das erste Selbstbauprojekt, an dem man sich als Einsteiger versuchen kann und sollte. Man braucht es immer wieder und man kann eine Menge dabei lernen. Angefangen beim einfachen Festspannungsnetzteil mit 5 und ±12V/1A bis zur Luxusausführung von 0-30V/3A oder 13,8V/10A und mehr ist im Selbstbau alles möglich. Ein guter Anfang sind Bausätze, die ebenfalls z.B. von Conrad und ELV angeboten werden. Hier sind meist noch die Kosten für Kühlkörper, Trafo und Gehäuse zu berücksichtigen. ELV bietet auch Komplettbausätze an, sogar für Wechselspannungsnetzteile, die alle benötigten Teile bis hin zur gestalteten Frontplatte beinhalten. Nebenbei gesagt sind ELV-Bausätze qualitativ sehr hochwertig, da bekommt man noch was für sein Geld. Für den Anfang tun es auch Schaltungen mit Festspannungsreglern wie der 78XX-Reihe und einstellbaren Reglern wie dem 3170/ 3370, dem L200 und dem 723. Datenblätter mit Applikationsschaltungen sind bei den Chipherstellern und den Bausatzvertreibern leicht zu finden. Conrad bietet zum Beispiel unter der Bestellnummer 177750 eine kleine Broschüre mit dem Titel "Basiswissen Spannungsregler" an, die man sich auch über das Internet runterladen kann. WARNUNG: Beim Netzteilbau bekommt man es unweigerlich mit Netzspannung zu tun. Nochmal und immer wieder: wenn man sich nicht wirklich ganz sicher ist, was man da tut und was notwendig ist, um das ganze sicher zum laufen zu bekommen, HÄNDE WEG und unbedingt einen Fachmann zu Rate ziehen. Das ist keine Schande. Noch ein Tip: Bekommt man bei Surplus-Händlern oder Restposten-Vertreibern Trafos mit vielen einzelnen Spannungen angeboten: zuschlagen und bunkern. Denn eins ist sicher: wenn man sie braucht, dann sind sie schwer zu bekommen. Und noch ein Tip: Schalter mit vielen Kontakten und zwei Ebenen, die unterbrechend arbeiten, sind wie geschaffen dafür. "Unterbrechend" heißt in diesem Fall im englischen "break before make", also den alten Stromkreis unterbrechend, bevor ein neuer geschlossen wird. Denn es geht auch andersrum. Und das ist für so einen Trafo garnicht gut. Leider schweigen sich viele Anbieter darüber aus. Also zweimal hinschauen, bevor man zuschlägt. Die andere Variante "make before break" ist ideal geeignet für Selbstbau-Strommesser. Warum? Darauf komme ich weiter unten zu sprechen. -MultimeterGrundlagen, ArbeitsweiseDie Nummer EINS in unserer kleinen Werkstatt sollte uns einiges an Aufmerksamkeit wert sein. Wir kommen nicht ohne ein oder mehrere Multimeter aus; was für ein Luxus.Preiswerte Multimeter bis etwa 60 Mark erlauben die Messung von Spannungen, Strömen, Widerständen sowie Messungen an Transistoren, Dioden und haben einen akustischen Durchgangsprüfer. Teurere Geräte erlauben auch Messungen von Kapazitäten, Frequenzen und Temperaturen und haben eine quasianaloge Bargraph- und eine True-RMS-Anzeige sowie eine RS-232-Computerschnittstelle. Praktische Anwendungen für ein Multimeter sind:
Es gibt zwei Arten von Multimetern: analoge und digitale. Beide haben ihre Vor- und Nachteile. Digitale Multimeter sind heutzutage so preiswert, daß sich eigentlich jeder eines leisten kann. Sie sind einfach im Gebrauch und relativ genau. Die billigsten Digitalmultimeter haben außerdem meist Funktionen, mit denen analoge Multimeter in derselben Preisklasse nicht aufwarten können. Analoge Multimeter haben für einige Anwendungen große Vorteile. Sucht man ein Maximum oder ein Minimum bei einem Abgleichvorgang an einer Schaltung, dann ist eine Zeigerbewegung viel leichter für das Auge wahrnehmbar als eine umherspringende Ziffer auf einer Digitalanzeige. Trends sind so viel leichter zu erkennen. Besonders, wenn der absolute Wert in diesem Moment nicht so wichtig ist. Für solche Messungen haben gute Digitalmultimeter einen Bargraphen, eine zusätzliche Balkenanzeige zur Trendanzeige. Die meisten Tüftler haben trotzdem gerne ein echtes Analogmeter zur Hand, denn für manche Messungen sind sie einfach unersetzbar. Besonders, wenn man viel in Netzkreisen mißt und auch ältere Geräte reparieren will. Leider sind sie zu Unrecht sehr aus der Mode gekommen. Der Grund: normale Analogmeter sind im Vergleich zu DMM relativ niederohmig. Das Maß der Dinge ist der sogenannte Instrumenten-Innenwiderstand, der in kOhm pro Volt angegeben wird und für den Eigenverbrauch des Instrumentes steht. Diese Angabe muß man mit dem eingestellten Bereich (z.B. 20V) multiplizieren, um den Gesamtwiderstand auszurechnen, mit dem der Meßkreis belastet wird. Bei einem DMM beträgt er bereichsunabhängig ca. 10MOhm, bei einem ZMM je nach Qualität 15-30 kOhm/V. Achtung: Das gilt nicht für Zeiger-Multimeter, die mit einer hochohmigen FET-Eingangsstufe ausgestattet sind. Diese besitzen wie die DMM einen bereichsunabhängigen Eingangswiderstand von 10MOhm. Wer schon einmal ältere Schaltpläne gesehen hat, dem sind vielleicht die markierten Meßpunkte aufgefallen und die Spannungen, die dort jeweils angegeben sind. In irgendeiner Ecke stehen dann noch die Meßbedingungen, unter denen die Werte gemessen wurden und damit jederzeit reproduzierbar sind. Die Angabe lautet dann z.B.: "Alle Spannungen gegen Masse gemessen mit 15kOhm/V". Mißt man diese Spannungen mit einem DMM, liegen die Werte logischerweise immer über den angegebenen! In Geräten der Schutzklasse II (Schutzisolierung) ohne Schutzleiter, wie z.B. Videorecorder, sind die netzspannungsführenden Adern meist über sog. Ableitkondensatoren mit dem Metallteilen des Gehäuses verbunden. Steht man auf einem Teppich, kann es schon einmal kribbeln, wenn man das Gehäuse berührt. Mißt man mit einem DMM Gehäuse gegen Schutzleiter, dann sagt es in diesem Fall: "Netzspannung liegt am Gehäuse!!!" Weit gefehlt! Wiederholt man die Messung mit einem popligen Zeiger-Multimeter, zuckt das dabei nicht einmal. Ein weit verbreitetes Argument für DMM ist die Genauigkeit. Die Digital-Anzeige gaukelt hier eine Genauigkeit vor, die effektiv NICHT gegeben ist. Zwei oder drei Stellen hinter dem Komma sind schon beeindruckend, sagen aber absolut nichts über die Genauigkeit des Meßgerätes aus. DMM sind in einer erschwinglichen Preisklasse im allgemeinen nicht genauer als ZMM. Denn Genauigkeit hat ihren Preis: digitale System-Multimeter (z.B. das HP3458A) mit einer Anzeige bis zu 8,5 Stellen kosten nicht umsonst neu ca. 11.000.- Okulyten. Also völlig undiskutabel für uns arme Bastler. Einkaufs- und BautipsWorauf sollte man beim Kauf eines Digitalmultimeters noch achten? Ein Gleichstrommeßbereich von 20A ist sehr hilfreich beim Bau von Endstufen und Transceivern. Auch auf einen akustischen Durchgangsprüfer sollten sie Wert legen. Man braucht dann beim Prüfen die Augen nicht von den Meßpunkten zu nehmen und kann mit den Prüfspitzen nicht so leicht abrutschen und Kurzschlüsse verursachen. Das könnte teuer und gefährlich werden. Achten sie aber darauf, daß die akustische Meldung nicht verzögert erfolgt. Manche Multimeter warten erst ein paar Meßperioden ab, bevor sie eine Meldung abgeben. Man kommt so sehr leicht durcheinander beim Prüfen von vielpoligen Steckverbindern oder ähnlichem.Tisch-Multimeter sind ein kleines bischen aus der Mode gekommen. In den meisten Fällen sind sie nicht mit Batterien zu betreiben, sondern nur mit Netzspannung. Einige haben auch eingebaute Akkus. Man kann sie aber sehr gut in den Arbeitsplatz integrieren und muß nicht immer erst nach dem kleinen DMM kramen, um mal eben was zu messen. Oder die Batterie vom Kleinen ist gerade alle. Es ist eben ein Stück Komfort. Hierfür bieten sich gebrauchte Tisch-DMM geradezu an. Hier mein gebraucht und garantiert selbstgekauftes Metravo 464 (Bild 36k), für das ich 150 Märker gelöhnt habe. Ab diesem Preis bekommt man Teile von Metravo, Fluke, hp, BBC oder Tesla, die neu locker mehr als nur einen Tausender gekostet hätten und auch heute noch super funktionieren. Surplus rules! Wenn man sich ein ZMM zulegen möchte, sollte man auf eine Genauigkeitsklasse von 1,5 achten, das heißt der Fehler beträgt 1,5% vom Skalenendwert. Außerdem auf eine möglichst große und echte Spiegelskala, nicht nur so einen silberfarbener Streifen. Noch wichtig: besonders viele Meßbereiche; je feiner abgestuft, desto besser. Am besten im 1-2-5- oder 1-3-Raster. Hier lohnt sich ein Blick zu Surplus-Anbietern: gebrauchte, aber geprüfte und funktionsfähige ZMM (z.B. BBC-Metrawatt UNIGOR, AVO Universal-Multimeter oder das Angesichts dieser Preise lohnt sich ein Selbstbau fast nicht. Es sei denn, man treibt ein 100µA- bis 1mA-Drehspul-Meßwerk mit einer großen Spiegelskale auf und versieht es mit einem vernünftigen Schalter ("make before break"), guten 1%igen Meßwiderständen und einem schönen Gehäuse sowie den richtigen Formeln für die Dimensionierung. Dann hat man eine Chance auf ein robustes Meßgerät, das einem lange gute Dienste leistet und bei dem man noch was gelernt hat. In diesem Zusammenhang kann ich [20] sehr empfehlen. Hans, DJ4AZ, geht sehr detailliert auf Meßgenauigkeit, besser gesagt Meßunsicherheit, den Selbstbau von Multimetern und die dafür nötigen Grundlagen ein. Sehr lesenswert, sollte man sich nicht entgehen lassen! -DifferentialvoltmeterGrundlagen, ArbeitsweiseEin Differentialvoltmeter bietet eine extrem genaue Möglichkeit, Spannungen zu messen. Die Toleranz der Messung liegt typischerweise bei ±0,005% und der Meßpunkt wird durch den nahezu unendlich hohen Eingangswiderstand des Differentialvoltmeters nicht belastet. Diese Genauigkeit wird durch speziell designte interne Spannungsreferenzen und Präzisionsspannungsteiler erreicht. Genauer gesagt, vergleicht das Differentialvoltmeter die Meßspannung mit einer internen Referenz und zeigt die Differenz (daher der Name) auf einem Nullpunktinstrument an. Die meisten Differentialvoltmeter lassen sich als Transistorvoltmeter (TVM) betreiben, damit man erst einmal die grobe Höhe der Spannung abschätzen kann. Dann schaltet man um und kann mittels der dekadischen Stufenschalter das Instrument auf Null abgleichen und an den Schaltern die Höhe der Spannung ablesen.Nachteile: das Gerät ist relativ schwer, braucht Netzspannung, eine lange Aufwärmphase und die Messung dauert ein bischen, weil man den Meßwert nicht direkt ohne Handarbeit angezeigt bekommt. Vorteile: das Preis-/ Leistungsverhältnis ist für uns unschlagbar, weil... Einkaufs- und Bautips...Differentialvoltmeter werden nicht mehr hergestellt. Der technologische Fortschritt hat sie überholt. Heutzutage ist es eben einfacher, ein Digitalvoltmeter zu bauen, das fast dieselben technischen Daten aufweist. An denen klebt aber ein 5- oder 6-stelliges Preisschild. Also für uns völlig undiskutabel.Mein Differential-Voltmeter (37k), das 893A von Fluke, habe ich für ca. 70 Mark gebraucht gekauft, innen sieht es aus wie neu. Eine lohnende Investition, wie ich finde. Einige Surplus-Anbieter haben es noch im Programm. Man muß nur darauf achten, daß es überprüft wurde und die Unterlagen dabei sind. Den Selbstbau eines Differentialvoltmeters halte ich für überflüssig und fast nicht durchführbar. Aber ich lasse mich gerne vom Gegenteil überzeugen;-) -KalibratorenGrundlagen, ArbeitsweiseEinkaufs- und Bautips-Dummys und ShuntsGrundlagen, ArbeitsweiseEinkaufs- und BautipsMultimeter und Wheatstone-Brücke (34k)Stromversorgungen (36k) Multimeter-Zubehör (45k) NF-Generatoren (40k) 2Kanal-20MHz-Oszilloskop (40k) Oszilloskop-Zubehör (38k) Tischmultimeter und Counter (36k) UHF- und NF-Millivoltmeter (35k) Logicprobes (41k) 5V-Kalibrator (44k) 5V-Kalibrator-Innenleben (27k) HF-Generator hp608D (7k9) Abschwächer und Richtkoppler (37k) Koaxial-Zubehör (42k) |
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last update: 03.03.2001 |
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