QUICK-MV-1

Unterrichtseinheit (Version 1.0)

- Leseprobe -

Übersicht:

1. Vorbemerkungen

1.1 Unterrichtliche Voraussetzungen

1.2 Die Unterrichtseinheit als Einstieg zur umfassenderen Behandlung von Schaltungen mit Operationsverstärkern

1.3 Die Ausweitung des Stoffgebietes zur Kybernetik (Messen, Steuern, Regeln) hin

1.4 Das Schaltzeichen des Operationsverstärkers

2. Grundsätzliche Überlegungen zur Messung der Größen Ladung, Spannung und Stromstärke

3. Aufgabenblatt I

4. Anmerkungen zum Aufgabenblatt I

5. Der Operationsverstärker (OV)

5.1 Allgemeine Grundlagen

5.2 Die Stromversorgung

5.3 Die Eingänge des OVs

5.4 Der Ausgang des OVs

5.5 Die einfachste OV-Schaltung

6. Aufgabenblatt II

7. Anmerkungen zum Aufgabenblatt II

8. Der OV in Mess-Schaltungen

8.1 Das einfachste Ladungsmessgerät mit OV

8.2 Erste Schaltungsverbesserung

8.3 Zweite Schaltungsverbesserung

8.4 Eine wichtige Schaltungsvariante

8.5 Die Variante der Variante

8.6 Die Messung der Stromstärke

8.7 Zusammenfassung

9. Aufgabenblatt III

10. Anmerkungen zum Aufgabenblatt III

11. Die Nullpunkts-Korrektur

12. Die Anschlussbelegung des OV-IC

13. Der Blick auf die Platine



1.1 Unterrichtliche Voraussetzungen

Durch die einfache Schaltungsweise ist die Besprechung des Funktionsprinzips sogar in der Sekundarstufe I (10. Jgst.) möglich.

Die Schüler müssen das OHMsche Gesetz kennen und mit ein paar Übungsaufgaben und der Anwendung auf die Spannungsteilerschaltung aus zwei Widerständen vertieft haben. Ebenso sollte die Parallelschaltung zweier Widerstände bekannt sein.

Informationen über Innenwiderstände von Stromquellen und Messgeräten und deren Auswirkungen sind hilfreich (und letztendlich auch wichtig für das Verständnis so manchen "sonderbaren" Effekts).

Die Schaltzeichen der grundlegenden Bauteile Batterie, Schalter, Widerstand, Sicherung und Kondensator werden als bekannt vorausgesetzt.

Die Beziehung Q=CU wird für die Erklärung benötigt. Da sie in der Sek.I normalerweise nicht behandelt wird, hilft hier notfalls der "kurze Weg" der nicht weiter begründeten Nennung. In der Sek.II wird man sicher anders verfahren, da dort Q ~ U am Plattenkondensator unter Einsatz des Messverstärkers erst mal gewonnen werden soll. Wenn die SchülerInnen dann die Parallelschaltung zweier Kondensatoren kennengelernt haben, liegen auch hier die benötigten Grundlagen für die UE vor.



1.4 Das Schaltzeichen des Operationsverstärkers

Es gibt seit wenigen Jahren ein neues Schaltzeichen für den OV, mit dem sich viele Elektroniker jedoch nicht anfreunden können. Daher findet sich in zahlreichen Publikationen auch heute noch das ältere, dreieckige Schaltzeichen, das auch in dieser Schrift verwendet wird.

Natürlich sollte man sich stets an das Neueste und Normgerechte halten, doch hat das neue Schaltzeichen die für das Verständnis unvorteilhaften Eigenarten, dass die Versorgungsanschlüsse nicht eingezeichnet werden, dass der Ausgang mit einem u.U. irreführenden "+" versehen wird und dass die rechteckige Form (aus der Familie der Digital-Schaltzeichen abgeleitet) der Funktion wenig gerecht wird.



altes Schaltzeichen - neues Schaltzeichen

Die Anordnung von +in und -in im Schaltzeichen kann vertauscht werden, wenn sich dadurch eine bessere Übersichtlichkeit im Schaltplan ergibt.









2. Grundsätzliche Überlegungen zur Messung der Größen Ladung, Spannung und Stromstärke

"Das Denken ist eine höchst zwecklose Beschäftigung,

solange man nichts von Tatsachen weiß."

G.B.Shaw



Dies könnte der Leitspruch für die Experimentalphysik sein.

Messungen als entscheidender Griff nach den Tatsachen beinhalten Probleme:

Spannungsmessung: Die ideale Spannungsmessung müsste möglich sein, ohne Ladungen durch das Messgerät fließen zu lassen, da hierdurch die Messung bereits verfälscht wird.

Stromstärkemessung: Durch die Messung sollte der Stromfluss (Ladungsfluss) nicht behindert werden.

Ladungsmessung: Wie soll man eine normalerweise gigantische Zahl nicht sichtbarer Ladungen zählen?



Wie kommt man den idealen Messbedingungen für diese Fälle möglichst nahe?

Spannungsmessung: Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst hoch sein. Die üblichen Digital-Multimeter haben 10 MOhm, die besten Messverstärker erreichen 1015 Ohm.

Stromstärkemessung: Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst klein sein. Die üblichen Multimeter weisen im Messbereich 200µA den bemerkenswert hohen Wert 1 kOhm auf. Wollte man den Messbereich 2 µA verwirklichen (was bei normalen Drehspulmessgeräten allerdings nicht möglich wäre), müsste man also 100 kOhm in Kauf nehmen.

Ladungsmessung: Ein kleiner Trick wird angewandt: Die Ladungsmenge wird auf einen Kondensator mit bekannter Kapazität gebracht. Wegen Q=CU kann Q indirekt über die Spannung erfasst werden, die von dieser Ladungsmenge verursacht wird. Entscheidend für die Genauigkeit der Messung ist vor allem die Toleranz des verwendeten Kondensa-tors und der Ladungsverlust bei der Spannungsmessung.

Der ideale Messverstärker müsste also die Spannung messen, ohne dass ein Messstrom fließt (Eingangswiderstand unendlich hoch), die Stromstärke mit dem Spannungsabfall an einem Widerstand, dessen Wert gegen null geht (Spannungsverstärkung gegen unendlich) und die Ladungsmenge, ohne dem Messkondensator Ladungen zu entnehmen (Eingangswiderstand unendlich hoch).

Erfreulicherweise gibt es eine elektronische Baueinheit, die diese Forderungen nahezu erfüllt: der Operationsverstärker.

aus Kap.5: Der Operationsverstärker

5.3 Die Eingänge des OV:

An beiden Eingängen des OV liegt jeweils eine Spannung an, die i.a. gegenüber Masse angegeben bzw. gemessen wird. Der OV verstärkt die Differenz dieser beiden Eingangsspannungen in einem sehr hohen Maße (typischerweise 100.000-fach!). Darin besteht der eigentliche "Trick" des OV.

Damit dem Meßobjekt möglichst wenig Meßstrom entnommen wird, sollen die Eingangswiderstände des OV möglichst hoch sein (1 MOhm bis 100 TOhm, Tera = 1012). Je nach OV-Typ sind das dann wenige µA oder sogar weniger als 1 pA (Piko = 10-12).

Ein Beispiel: Wenn die Ausgangsspannung 3 Volt betragen soll, darf die Differenz der Eingangsspannungen nur 3V : 100.000 = 30µV betragen. Die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen ist also sehr, sehr klein!

Warum gibt es zwei verschiedene Eingänge?

Wenn die Spannung an +in positiv gegenüber der Spannung an -in ist, dann ist die Ausgangsspannung des OV positiv. Wenn die Spannung an +in allerdings gegenüber der an -in negativ ist, dann ist die Ausgangsspannung negativ. Das geht, weil die Spannungen ja gegenüber Masse betrachtet werden!

(Der +in - Eingang wird auch als nichtinvertierender Eingang bezeichnet, der

-in - Eingang entsprechend als invertierender Eingang.)



5.4 Der Ausgang des OV:

Der ideale OV nimmt an den Eingängen überhaupt keinen Strom auf und ist in der Lage, am Ausgang beliebig hohe Ströme zu liefern (die er natürlich von der Stromversorgung bezieht). Dazu müsste er auch am Ausgang beliebig hohe Spannungen bereitstellen können, denn ohne Spannung kein Stromfluss.

Diesem Ideal sind in der Praxis enge Grenzen gesetzt : Der normale OV kann Ausgangsstromstärken von 20 - 50 mA verkraften und Ausgangsspannungen von ± 15 Volt bereitstellen (aber natürlich nie mehr als die Versorgungsspannung !).

aus Kap.6: Aufgabenblatt II

4. Berechnung zur Schaltung in Kap. 7.1:

Die Kapazität des Messkondensators sei 1 µF. Am Ausgang des OV sei ein vierstelliges DMM (Digitalmultimeter) angeschlossen, das als kleinsten Messbereich 200mV aufweist.

4.1 Welche Auflösung hat das DMM bei diesem Messbereich?

(Als Auflösung bezeichnet man die kleinste ablesbare Anzeigenveränderung. Bei Zeigerinstrumenten ist das etwa ein Hunderstel des Messbereichs. Bei einem sehr guten DMM kann das ein Millionstel des Messbereichs sein!)

4.2 Welcher Ladungsmenge entspricht es, wenn C auf 1 mV aufgeladen ist?

4.3 Welche Auflösung bei der Ladungsmessung hat man also?

aus Kap.7: Anmerkungen zum Aufgbl. II

Zu 4:

0,1 mV; 1 nC; 100 pC;

Die gute Auflösung bei einem vierstelligen DMM verleitet dazu, diese Auflösung mit der Genauigkeit gleichzusetzen. Hier ist es also angebracht, die Auflösung mit der Messgenauigkeit des QUICK-MV-1 zu vergleichen. Daraus ergibt sich die Erkenntnis, dass es unsinnig wäre, viel Geld für ein fünf- oder gar sechsstelliges DMM als Anzeigegerät auszugeben.

aus Kap.9: Aufgabenblatt III

3. Der Messwiderstand für die Stromstärke ist laut Schaltbild in vier Einzelwiderstände von je 1,00 kOhm aufgeteilt, die so verschaltet sind, dass sie zusammen wieder 1,00 kOhm ergeben. Zunächst erscheint diese Maßnahme unsinnig.

Im QUICK-MV-1 werden Metallfilmwiderstände mit einer Toleranz von 0,1% und einer Belastbarkeit von 0,6 Watt verwendet.

(Zunächst eine Anmerkung zur Belastbarkeit: Wenn durch einen Widerstand Strom fließt, dann erwärmt er sich. Welche Heizleistung der durchfließende Strom hat, kann mit der Formel P=UI berechnet werden. Dabei ist U die Spannung an dem Widerstand in Volt und I die Stromstärke durch den Widerstand in Ampere. Das Produkt gibt man mit der Einheit Watt an.)

Metallfilmwiderstände gleicher Präzision, aber 1,5 Watt Belastbarkeit kosten etwa das 10-fache.

Stellen Sie auf der Basis dieser Informationen dar, inwiefern die o.g. Maßnahme doch nicht unsinnig ist.

aus Kap.10: Anmerkungen zum Aufgbl. III

Zu 3: Die Feinsicherung spricht bei 32 mA an. Bei dieser Stromstärke beträgt die Belastung des Messwiderstandes knapp 1 Watt. Es müsste also ein wesentlich teurerer Widerstand eingebaut werden. Vier 0,6W-Widerstände sind nicht nur billiger, sondern mit zusammen 2,4 Watt auch nicht so stark von einer Widerstandsänderung durch Erwärmung betroffen. (Der Temperaturkoeffizient beträgt 25 ppm pro Kelvin.)

13. Der Blick auf die Platine

Beachten Sie bitte vor dem Öffnen des Gehäuses des QUICK-MV-1 die Hinweise in der Gebrauchsanweisung!

Der erste Anblick der Platine ist verwirrend, denn sie enthält weit mehr Bauteile, als nach der bisherigen Besprechung zu erwarten wäre. Das liegt an zahlreichen Schutzmaßnahmen, die für einen langen, störungsfreien Einsatz des QUICK-MV-1 sorgen sollen. Die besprochenen Schaltungselemente lassen sich aber leicht finden.

Als Orientierungspunkt soll der OV dienen, der in der Mitte der Platine in einer Fassung steckt.

Die Feinsicherung ist links hinten leicht zu entdecken.

R1 (braun-schwarz-braun-gold) befindet sich links vor der Sicherung.

Die vier Widerstände, die zusammen R2 bilden, sind rechts neben dem großen, roten Messkondensator, zu dem ggf. zur Erreichung der geforderten Genauigkeit noch ein zweiter (dritter) Kondensator parallelgeschaltet ist.

Der Widerstand R3 führt direkt vom Taster an der Frontplatte zum Masseanschluss, befindet sich also gar nicht auf der Platine.

Die beiden Spannungsteiler-Widerstände 100 kOhm und 100 Ohm sind rechts von den vier

R2-Widerständen eingelötet.

Die restlichen Bauelemente dienen dem Schutz des OV, der Brummverringerung, der Fehler-Minimierung und der Einhaltung der CE-Anforderungen.





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