In diesem Kompendium wollen wir die Darstellung elektronischer Schaltungstechniken auf das für die praktische Anwendung notwendige Minimum beschränken. Darunter fällt jedoch eine zumindest grobe Vorstellung, wie in vielen Messsystemen für elektrische Wechselgrößen – primär betrifft es z.B. Multimeter und Messkarten/-module für PCs – obige Kenngrößen ermittelt werden.

Bild 16 zeigt das zugehörige Prinzip. Geräteintern wird dabei generell mit elektrischen Spannungssignalen gearbeitet. Zur Strommessung werden die Ströme hierzu zuerst in Spannungen umgewandelt, wie wir das im nächsten Kapitel noch sehen werden. Ganz allgemein werden in der heutigen Messtechnik spätestens innerhalb der Messelektronik sämtliche elektrischen und nichtelektrischen Messgrößen fast ausschließlich in Spannungssignale umgewandelt, da diese einfach – siehe ebenfalls nächstes Kapitel – digitalisierbar sind.

Bild 16: Bildung des Gleichrichtwerts mit analoger Signalverarbeitung

Wie im Bild dargestellt, wird ein Wechselsignal (hier als Sinussignal skizziert) entweder direkt oder, falls es für eine Weiterverarbeitung zu kleine Signalpegel besitzt, nach einer optionalen (gestrichelt angedeuteten) Verstärkung einer Gleichrichtschaltung zugeführt. Die Gleichrichtschaltung kehrt die Polarität negativer Signalanteile um, führt also mathematisch gesprochen eine Betragsbildung durch. Mittels geeignet ausgelegter und dimensionierter Filterschaltungen, die höherfrequente Signalanteile filtern – der Elektroniker spricht von „Tiefpassfiltern“ – wird nachfolgend ein zumindest annäherndes („geglättetes“) Gleichspannungssignal erzeugt, das weitgehend dem Mittelwert des zugeführten Signals entspricht. Typisch ist die im Bild angedeutete Restwelligkeit, die umso geringer ausfällt, je hochwertiger die Filterschaltung ausgeführt wird. Insgesamt wird mit einem Schaltungsprinzip gemäß Bild 16 somit ein Gleichrichtwert nach (36) gebildet, der als (näherungsweises) Gleichspannungssignal vorliegt. Dieses kann mit Methoden der Gleichspannungsmessung schließlich gemessen werden (siehe nächstes Kapitel).

Für die „Schaltungsfreaks“ unter den Lesern seien klassische Grundschaltungen noch ergänzt, mit denen sich die Gleichrichtung sowie Glättung realisieren lassen. In Bild 17 ist zunächst die Schaltung einer sog. Brückengleichrichtung aufgeführt, die mit vier Dioden arbeitet. Eine Diode lässt nur in einer Richtung, der Durchlassrichtung, Strom hindurch fließen. Und das auch nur bei Anlegen einer entsprechenden positiven Spannung mit genau dieser Polarität – wir wollen die genaueren Effekte wie Erreichen der Durchlassspannung und Nichtlinearität der Diodenkennlinie nicht näher analysieren. Im Schaltungssymbol der Diode wird der Plus-Pol dieser Spannung durch die quer zur Stromlinie angeordnete Basislinie des Dreiecks dargestellt, den Minus-Pol zeigt der Querbalken an. Eine im Sinne der Orientierung von u1 im Bild positive Eingangsspannung führt also zu einem Stromfluss durch die rechte obere Diode, von dort durch die am Spannungsausgang u2 angeschlossene nachfolgende Schaltung und abschließend zurück durch die untere linke Diode. Eine negative Eingangsspannung durchfließt die beiden anderen Dioden, wobei sie den Ausgang in genau derselben Richtung wie bei einer positiven Eingangsspannung verlässt. Die nachfolgende Stufe „sieht“ somit ausschließlich positive Signalwerte. In der Praxis verwendet man meist gegenüber dieser Grundschaltung optimierte Anordnungen, die als „Präzisionsgleichrichter“ bezeichnet werden und mit sog. Operationsverstärkern arbeiten.

Bild 17: Brückengleichrichtung

Die einfachste Schaltung zur Erzielung eines Glättungseffekts zeigt Bild 18. Bei dieser aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehenden Schaltung, verzögert der Widerstand eine dem Eingangsspannungsverlauf u2 entsprechende kontinuierliche Anpassung der Kondensatorspannung u3 durch Lade- bzw. Entladeströme. Dieser Verzögerungseffekt sorgt für eine gewisse Mittelung der ausgegebenen Spannung. Schnelle Änderungen der Eingangsspannung werden gewissermaßen nicht zum Ausgang durchgeleitet. Nur niederfrequente Änderungen bleiben erhalten („Tiefpass“). Diese Einfachschaltung würde in der Praxis noch deutliche Nachteile zeigen – u. a. ist ihr Verhalten sehr stark von den Frequenzanteilen im Eingangssignal abhängig -, so dass man i.d.R. auch hier komplexere Schaltungen benutzt. Diese sind entweder sog. passive Tiefpässe höherer Ordnung oder aktive Tiefpässe mit Operationsverstärkern.

Bild 18: RC-Glied
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