Differenzial-Messadapter 1:100, bis +/-400V, DC-20kHz

Dieser Differenzial-Messadapter dient hauptsächlich zur Messung von Netzspannungen mit dem Oszilloskop. Durch die Bandbreite bis 20kHz (< -3db) ist sie auch einsetzbar zur Messung von Lautsprecher-Signalen beim Class-D Audio-Verstärker. Diese werden oft mit 2 Verstärkern in Brücken-Schaltung betrieben um eine größere Leistung zu erzielen.

Solche Messadapter sind auf dem freien Markt erhältlich. Sie sind jedoch vergleichsweise teuer. Allerdings messen diese oft bis 1000Volt und mehrere Megahertz. Benötigt man das nicht, kann diese Low-Cost Schaltung eine gute Lösung sein.

Schema

Es handelt sich im Grunde um einen klassischen Messverstärker, bestehend aus U1A, U1B und U2A. Der Doppel-Operationsverstärker LMC662 eignet sich hervorragend, da er FET Eingänge besitzt und Ein- und Ausgänge bis zur negativen Speisung betrieben werden können.

U2B sorgt für eine symmetrische Speisung bzw. ist die positive Speisung etwas höher um den Arbeitsbereich des LMC662 zu optimieren.

Die Eingänge werden mit 10 Megaohm beschaltet. Dies erlaubt es das Gerät am Netz anzuschließen. Selbst bei mehreren kV bleibt es ungefährlich. Beim Aufbau werden diese aber durch 3 Widerstände mit je 3.3MΩ ersetzt. Dies dient der Sicherheit wenn es am Netz betrieben wird und ein Widerstand durchschlagen sollte.

Die Dioden D1-D4 schützen die Eingänge des LMC662 obwohl die Eingangsbeschaltung und der ESD-Schutz ausreichen dürften.

Erwähnenswert ist vielleicht noch die LED zur Betriebsanzeige. Es wurden 3 LEDs in Serie geschaltet. Eine ist vorne und die anderen Zwei leuchten dahinter durch die Vordere hindurch. Dadurch "Verstärkt" sich das Licht und man kann die LEDs mit weniger Strom betreiben, was die Lebensdauer der Batterie verbessert.

Der Vorwiderstand von 3.9kΩ stellt den Strom bei 9.4V (neue Alkaline Batterie) auf ca. 1mA ein. Die Elektronik alleine verbraucht ca. 1.8mA. Bei einer angenommenen Kapazität von 500mAh ergibt das eine Lebensdauer von rund 180 Betriebsstunden.

Aufbau der Elektronik

Die Elektronik ist auf einer handelsüblichen Lochraster-Platine aufgebaut. Es wurde eine Platine mit einem Muster für integrierte Schaltungen verwendet.

Bilder vom KiCad PCB Programm:

Frontseite

Die Leiterbahnen (rot) auf der Frontseite müssen mit Drahtbrücken erstellt werden und können auch anders geführt werden.

Rückseite. Diese muss gespiegelt betrachtet werden. Dadurch könnte man aber die Bezeichnungen nicht lesen.

Die Leiterbahnen (grün) auf der Rückseite sind vorhanden. Allerdings gibt es ein paar Brücken zu benachbarten Leiterbahnen, welche erstellt werden müssen.

3D Frontseite

3D Rückseite

Platine in der Praxis

Anschlussplatte Eingang

Bilder 1-4 von Links nach Rechts und Oben nach Unten.

Bild 1: Je drei 3.3MΩ Widerstände in Serie geschaltet und nebeneinander angeordnet.
Bild 2: Schrumpfschlauch zur Isolation jeweils über die ersten Zwei.
Bild 3: Komplett mit Schrumpfschlauch eingepackt.
Bild 4: Mit Isolierband verpackt damit alles in Position bleibt.

Anschlussplatte Ausgang

Elektronik angebaut

Zusammenbau

Test und Abgleich

Bevor nun alles verschlossen wird, sollte es getestet und abgeglichen werden. Dazu geht man wie folgt vor:

1. Einschalten und mit Voltmeter prüfen:
   
   • Masse (BNC Buchse Aussen) zur Batterie Plus-Pol 4.9 bis 5.2V je nach Batteriespannung.
   • Masse (BNC Buchse Aussen) zur Batterie Minus-Pol -4.0 bis -4.2V je nach Batteriespannung.
2. Eingang Plus und Minus verbinden. Ausgang mit Millivoltmeter messen zwischen Masse (BNC Buchse Aussen) und Signalausgang (BNC Buchse Mitte).
   
   • Poti RV1 (Zero) drehen bis 0.0mV angezeigt wird.
3. Bekannte Spannung zwischen Plus und Minus Eingang anschließen, z.B. eine weitere 9V Batterie.
   
   • Poti RV3 (Gain) so drehen, dass genau 1:100 der Spannung am Ausgang gemessen wird. Also z.B. bei 9.35V sollen 93.5mV gemessen werden.
     
4. Beide Eingänge parallel an die Phase des Stromnetzes anschliessen und die Masse mit dem Schutzleiter (Erde) verbinden.
   
   • Mit dem AC Voltmeter prüfen, dass auch 230VAC Zwischen den beiden Eingängen und der Masse anliegen.
   • Zwischen Masse und Signalausgang mit dem AC Millivoltmeter messen.
   • Poti RV2 (Symmetrie) so drehen, dass möglichst 0.0mVAC angezeigt werden.
     
5.  Eingänge an Phase und Nullleiter des Stromnetzes anschliessen und die Masse mit dem Schutzleiter (Erde) verbinden.
   
   • Netzspannung mit dem AC Voltmeter prüfen.
   • Signalausgang mit dem AC Millivoltmeter messen. Es sollte 1:100 der Netzspannung anzeigen. Also z.B. bei 235VAC sollte 2.35VAC gemessen werden.
   • ggf. Poti RV3 (Gain) nachjustieren.
     
6.  Phase und Nullleiter vertauschen. Das Resultat sollte das Selbe sein. Sonst ggf. Symmetrie nachjustieren (Punkt 4.)
7.  Und als letztes vielleicht noch den Ausgang mit einem Oszilloskop überprüfen.

Gehäuse verschliessen.

Die Elektronik sowie die Batterie wurden hier in Blasenfolie gewickelt. Das ist vielleicht etwas unprofessionell. Wichtig ist, dass sie Batterie fest sitzt und die Elektronik keine Kurzschlüsse am Gehäuse oder der Batterie verursachen kann. Ebenfalls sollte zwischen den Eingangsbuchsen und der Batterie etwas Folie gelegt werden, so dass selbst wenn es mal zu Boden fällt, keine Kurzschlüsse entstehen können.

Messresultate

Bilder 1-5 von Links nach Rechts und Oben nach Unten.

Bild 1: Messung am Netz, 230VAC = 325Vp oder 650Vpp.
Bild 2: Messung am Funktionsgenerator, 100Hz 5Vpp
Bild 3: Messung am Funktionsgenerator, 1000Hz 5Vpp
Bild 4: Messung am Funktionsgenerator, 10kHz 5Vpp, gemessen 4.5Vpp = 90% oder -1db
Bild 5: Messung am Funktionsgenerator, 20kHz 5Vpp, gemessen 3.6Vpp = 72% oder -3db

Falls gewünscht, können die drei 22pF Kondensatoren gegen 10pF ersetzt werden und dadurch die Dämpfung bei hohen Frequenzen verringert werden. Das bedeutet auch, dass mehr hochfrequente Störungen die Messung verfälschen könnten. Solche Störungen treten z.B. bei Schaltnetzteilen auf und können vorallem Messungen am Netz stören.