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Schaltung Einfache Schaltung misst Effektivwert einer Wechselnetzspannung

| Autor: Kristin Rinortner

Wir stellen eine Schaltung vor, die den echten Effektivwert eines Eingangssignals misst und ein entsprechendes Ausgangssignal liefert

Bild 1: Einfache Schaltung zur Messung des Effektivwertes der Netzspannung (Bild: Analog Devices)
Bild 1: Einfache Schaltung zur Messung des Effektivwertes der Netzspannung (Bild: Analog Devices)
(Bild 1: Einfache Schaltung zur Messung des Effektivwertes der Netzspannung (Bild: Analog Devices))
Wir stellen eine Schaltung vor, die den echten Effektivwert eines Eingangssignals misst und ein entsprechendes Ausgangssignal liefert.

Der Effektivwert eines Wechselspannungssignals (AC) vergleicht den Wärmewert eines unbekannten AC-Signals mit dem eines bekannten Gleichspannungssignals (DC) über identische Lasten. Er ist gleich der Höhe des DC-Signals, die erforderlich ist, um in der Last eine identische Wärmemenge zu erzeugen. Wenn die in den Lasten umgesetzte Energie gleich ist, ist die bekannte DC-Spannung gleich dem Effektivwert des unbekannten Wechselspannungssignals.

Gleichung 1 Gleichung 1

Falls man zum Beispiel eine Wechselspannung von 1 Veff. an ein Ohm‘sches Heizelement anlegt, würde dieses exakt die gleiche Wärmemenge erzeugen wie bei einer angelegten Gleichspannung von 1 V. Mathematisch ist der Effektivwert einer Spannung gemäß Gleichung 1 definiert.

Die Gleichung repräsentiert die Standardabweichung eines statistischen Zero-Average Signals.

Gleichung 2 Gleichung 2
Gleichung 3 Gleichung 3
Gleichung 4 Gleichung 4

Einfachere Beziehungen sind in den Gleichungen 2 bis 4 aufgeführt. Zur Messung von Effektivwerten ist normalerweise ein Effektivwert/DC-Wandler erforderlich. Dieser liefert ein DC-Ausgangssignal, das dem Effektivwert eines beliebigen Eingangssignals entspricht. Leider kann der Bereich von AC-Signalen, die gemessen werden müssen, sehr groß sein. Hingegen beträgt der Eingangsbereich eines typischen Effektivwert/DC-Wandlers nur wenige Volt. Damit sie für Effektivwert/DC-Wandler verwendet werden können, müssen die großen Eingangsspannungen herunterskaliert werden. Die Messung des Effektivwerts der Spannungsversorgung in einem Privathaushalt erfordert zum Beispiel eine zusätzliche Schaltung, welche die Wechselspannung auf einen für den Eingang des Effektivwert/DC-Wandlers geeigneten Wert dämpft. Diese Applikation löst das Problem von Effektivwertmessungen größerer AC-Signale wie etwa solche auf der Netzspannung.

Bild 1: Einfache Schaltung zur Messung des Effektivwertes der Netzspannung (Bild: Analog Devices) Bild 1: Einfache Schaltung zur Messung des Effektivwertes der Netzspannung (Bild: Analog Devices)

In Bild 1 skaliert der auf eine Verstärkung von 1/25 eingestellte differenzielle Verstärker AD628 mit programmierbarer Verstärkung die Netzspannung, bevor sie am Effektivwert/DC-Wandler AD8436 angelegt wird. Denn der AD8436 eignet sich nur für Spannungen von ±0,7 V der Versorgungsspannung.

Der differenzielle Verstärker weist einen Gleichtakteingangs- und Differential-Mode Bereich von ±120 V auf und eignet sich somit gut zum Herunterteilen der Netzspannung. Das genaue DC-Äquivalent des Effektivwertes der Wechselspannung steht am Ausgang RMS OUT zur Verfügung. Bild 2 zeigt die ACss-Netzversorgung von 330 V mit 60 Hz, den skalierten Ausgang des differenziellen Verstärkers und den DC-Ausgang des Effektivwert/DC-Wandlers.

Bild 2: Eingangs-, Zwischen- und Ausgangssignalverläufe  (Bild: Analog Devices) Bild 2: Eingangs-, Zwischen- und Ausgangssignalverläufe (Bild: Analog Devices)

Die komplette Schaltung nimmt 2 mA auf und eignet sich damit für Low-Power-Applikationen. Der externe Eingangswiderstand (150 kΩ) lässt sich für Signale mit Spitzenspannungen über 400 Vss entsprechend vergrößern. Das Gerät wird nicht beschädigt, wenn das Eingangssignal die Netzspannung übersteigt. Somit kann das Eingangssignal auch bei fehlender Versorgungsspannung anliegen. Darüber hinaus arbeitet das gegen Kurzschluss geschützte System an bipolaren Spannungen bis ±18 V.

Diese Schaltung berechnet den echten Effektivwert eines komplexen AC- (oder AC plus DC) Eingangssignals und liefert ein entsprechendes DC-Ausgangssignal. Der echte Effektivwert eines Signals ist eine nützlichere Angabe als der gleichgerichtete Mittelwert, da er auf der Messung der Energie im Signal basiert. Der Effektivwert eines Signals mit AC-Kopplung ist auch seine Standardabweichung.

 Autoren: Chau Tran und David Karpaty arbeiten als Applikationsingenieure bei Analog Devices in Norwood, USA.

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.