Messtechnik ist meiner Meinung nach das wichtigste überhaupt was der Elektrotechniker beherrschen sollte.
In der Elektronik hat man es zu tun mit Phänomene die man in der Regel weder sehen noch hören , noch sonst mit einer der
vielen Sinne eines Menschen wahrnehmen kann.
Deshalb ist es ungemein wichtig sich mit Hilfsmittel den Phänomenen zu nähern wenn man Dinge verstehen möchte !
Und dazu gehört das Messen, weshalb ich mich hier diesem Thema widme.
Qualität eines Netzteil messen.
Damit hat es folgende Bewandtnis.
dargestellt ein reines Sinus Signal dargestellt welches sich um die Null-Linie befindet.
Es kann aber auch sein das mein Sinus Signal nicht aus einem reinen Sinus Signal besteht, sondern dieses Signal mit einer
Gleichspannung behaftet ist wie im unteren Teil des Bildes dargestellt.
Das untere Signal hat so in etwa einen Gleichspannungsanteil von 2 Volt weshalb es auf dem Display etwas höher dargestellt ist.
Um das (unten dargestellte) mit Gleichspannung behaftete Signal aber genauso im Display dar zu stellen wie das oberer Signal
gibt es beim Oszilloskop die Möglichkeit der AC/DC Umschaltung.
Diese Umschaltung bewirkt nur, das am Eingang des Messkanal eine Kondensator vorgeschaltet wird.
Kondensatoren sperren eine Gleichspannung und lassen nur die Wechselspannungen durch so das anschließend nur noch die Wechselspannung ,
also die Sinuswelle auf dem Display dargestellt wird.
Damit liegt das Signal wieder um die Null Linie wie im Bild oben dargestellt.
Merke: Ist der Oszilloskop Eingang auf AC eingestellt kommen nur Wechselspannung zum tragen, während Gleichspannung heraus gefiltert werden.
Um also immer das richtige vollständige Signal zu erkennen sollte der Eingang in der Regel auf DC stehen.
Aber wenn es grundsätzlich besser ist den Wahlschalter auf DC stehen zu haben wozu wird er denn überhaupt benötigt ?
Angenommen ich habe ein Gleichspannung behaftetes Signal und möchte mir die Struktur des Signal etwas genauer ansehen
so würde das Signal nach oben hin aus dem Display austreten wenn ich es zum Beispiel vergrößern würde indem ich eine andere Vertikale Auflösung wähle .
Damit dies nicht geschieht filtere ich erst einmal die Gleichspannung heraus indem ich den AC/DC Schalter auf AC stelle ,
damit erscheint das Signal genau um die Null Linie und ich kann es dann vergrößert darstellen ohne das es aus dem Sicht rahmen fällt.
Der Schalter AC/DC sollte aber auch aus einen anderen Grund immer auf DC stehen,denn natürlich hat ein vorgeschalteter
Kondensator immer auch eine, wenn auch geringe Wirkung auf mein dargestelltes Signal und das sollte wenn möglich immer
ausgeschlossen werden.
Besonders bei Mikrocontroller oder anderen Geräten die mit Daten oder Kommunikations Schnittstellen arbeiten kann es sehr
relevant sein.
Weil durch unsaubere Spannungen sehr oft Störungen auftreten die man sich so auf Anhieb nicht erklären kann und evtl. durch
Störungen auf der Versorgungsleitungen der Spannungsversorgung zurück zu führen sind.
Um diese Fehlerquellen aus zu schließen ist es angebracht wenn möglich als Versorgungsquelle eine Batterie zu bevorzugen.
Netzgeräte gleich welcher Art sind fast immer geregelt, entweder besitzen sie ein Spannung oder Stromregelung oder beides .
Dadurch entstehen auf der Versorgungsleitung immer Störspannungen , die wenn sie zu groß werden unangenehme folgen haben können.
Dabei vergrößern sich diese Störungen mit zunehmender Belastung.
Besonders die neuen Schaltnetzteile die zwar kostengünstig und von ihrem Gewicht angenehm leicht sind, bergen die Gefahr
einer unsauberen Spannung.
Besser noch sind die alten Netzteile die noch mit einem sogenannten Längsregler arbeiten, zu erkennen an ihr meist deutlich
höheres Gewicht.
Bei denen ist die Spannung oft viel sauberer , dafür sind diese Geräte aber nicht so effizient und haben oft große Verluste.
Sehen wir uns einmal die Qualität eines (Schaltnetzteil) Labornetzteil etwas genauer an.
Um die Qualität beurteilen zu können nehmen wir ein handelsübliche Labornetzgerät wie es die meisten Elektroniker ihr eigen nennen,
und sehen uns die Qualität auf dem Oszilloskop Bildschirm an.
Dazu ist es sinnvoll unser Netzgerät mit einer bestimmten Last zu belasten.
Je höher die Last umso auffälliger werden die Störungen angezeigt.
Die folgenden Beispiele wurden mit einen Laststrom von 2 Ampere durch geführt.
Also nehmen wir das Netzgerät stellen es auf zum Beispiel 10 Volt Ausgangsspannung ein und belasten es mit einen Widerstand
von 5 Ohm.
Dabei muss beachtet werden das die Stromregelung falls vorhanden voll aufgedreht ist so das sie nicht ansprechen kann.
Bei 10 Volt und einen Widerstand von 5 Ohm müsste dann ein Strom von 2 Ampere fließen und den Widerstand mit
20 Watt belasten .
Nun hat aber nicht jeder einen passenden 20 Watt Widerstand zu Hause herum liegen, so kann man alternativ eine Glühlampe
benutzen .
Ich nutze hier eine 12 Volt Scheinwerfer Halogenleuchte aus dem KFZ Bereich.
Dazu stelle ich am Netzgerät den Stromregler auf Maximum und schließe die Glüh oder Halogen Leuchte an und und regel
dann die Spannung so weit herauf bis sich der gewünschte Amperewert einstellt.
Bei mir eben 2 Ampere.
Die Stromstärke ist nicht wichtig und soll eigentlich nur sicher stellen das ich bei verschiedenen Messungen immer den gleichen
Referenzwert habe um besser vergleichen zu können.
Je nach vorhandenen Netzteil reichen auch 1 Ampere oder ähnlich.
Um aber nicht die ganze Spannung zu messen also auch die Gleichspannung stelle ich den Eingangswahlschalter des Oszilloskop
auf AC ein.
So zeigt mir das Oszilloskop nur die Wechselspannung Störungen an , und genau diese sind es ja die eine eventuell angeschlossenen
Schaltung nicht sauber arbeiten lässt.
Und so stellt sich das Ergebnis dar.
Man erkennt beim Einschalten der Spannungsversorgung deutlich einen Spannungssprung und auch beim Abschalten der Spannung.
Aber das Störende an diesem Signal ist der Bereich dazwischen.
Dort sieht man Störungen die der gewünschten Spannung überlagert sind.
Diese Störspannungen liegen im Bereich bis zu 1 Volt nach unten wie auch nach oben und können schon signifikante Probleme
verursachen.
Sehen wir uns ( unten) das gleiche an , aber gemessen an einen Netzteil das herkömmlich noch mit Längsregler arbeitet.
Man kann diese noch vorhandenen Störungen mit Filter ( Spulen usw.) verringern , aber in der Regel nie 100% eliminieren.
Grundsätzlich habe ich die geringsten Störungen wenn ich eine Schaltung nur an einer Batterie betreibe.
Denn eine Batterie hat einen 100% sauber Gleichspannung Spannung und ist fast immer die beste Lösung.
Das aber nur wenn nach der Batterie keine Regelung erfolgt und einen möglichst kleinen Innenwiderstand besitzt,
damit die Spannung bei Belastung nicht in die Knie geht.
Merke :
Die sauberste Gleichspannung kann ich nur aus einer Batterie entnehmen, wenn sie keine Regelung besitzt.
Nun sollte man wissen das ein natürliches Signal immer einer Sinus-Welle entspricht.
Alle anderen Signale sei es ein Rechteck , Dreieck , und alle hier nicht genannten Signal haben einen künstlichen
Ursprung .
Es sind alles Signale die sich aus der Addition mehrere Sinus Signale zusammen setzen.
Schaut man sich ein Rechteck Signal an, ist es quasi die Addition vieler verschiedener Sinus Spannungen mit
verschiedenen Frequenzen und unterschiedlichen Amplituden.
Wobei die Grundschwingung des Rechteck-Signal aus der Niedrigsten Sinusfrequenz besteht.
Nimmt man als Beispiele ein 10 KHz Rechteck-Signal, so setzt sich dieses Signal zusammen aus einer Grundwelle
von 10 KHz Sinus und eine Reihe von Oberwellen mit jeweils ein vielfaches der Grundfrequenz.
Zum beispiel 30 KHz Sinus mit einer etwas kleineren Amplitude, weiter noch aus ein 50 KHz Sinus mit noch kleiner
Amplitude und so weiter.
| Rechtecksignal mit 10 KHz |
besteht aus folgenden Frequenzen/Hz |
| 1.Oberwelle |
10 000 |
| 2.Oberwelle |
30 000 |
| 3.Oberwelle |
50 000 |
| 4.Oberwelle |
70 000 |
| 5.Oberwelle |
90 000 |
| 6.Oberwelle |
110 000 |
| 7.Oberwelle |
130 000 |
Die aus einen 10 KHz Rechteck-Signal resultierenden Oberwellen bestehen immer aus aus eine 10 KHz Grundwelle und
mehreren Oberwellen die aus einer Ungeraden Vielzahl der Grundwelle bestehen, aber mit zunehmender Frequenz in
ihrer Amplitude abnehmen.
Je steiler ein Rechteck Signal an seinen Flanken steigt oder abfällt um so größer ist der Anteil der Oberwelle.
Da aber die Frequenzen der Oberwellen immer größer sind wie die der Grundwelle, ist es wichtig wenn man mit einen
Oszilloskop diese Rechteck Signal nur optisch vernünftig darstellen kann wenn auch das Oszilloskop die nötige Bandbreite
besitzt um auch die Oberwellen erfassen zu können.
Um also ein Rechtecksignal mit einem Oszilloskop vernünftig messen zu können gibt es eine Faust -Formel die besagt das
die Bandbreite mindestens um den Faktor 100 größer seine sollte als das zu messende Signal.
Bei einer Messung eines 10 KHz Rechteck-Signal sollte also die Bandbreite mindestens 1 MHz betragen.
diesen Geräten arbeitet ist es immer wieder eine Herausforderung die Bilder oder Kennlinien zu diagnostizieren.
Folgend eine Sammlung :
Das zweite Signal (lila) ist das Ausgangs Signal , dabei sieht man eine abschrägende Signalspitze ,die Folge einer
einsetzender Strombegrenzung .
Die Erscheinung war nicht mehr vorhanden bei reduzierter Spannungsversorgung.
Die Stromversorgung wurde von einem Labor Netzgerät mit Stromregelung bereit gestellt,offensichtlich hat die
Stromregelung nur bei höher eingestellter Spannung eingesetzt .
Aktualisiert
09.06.2024