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4.4  Messungen kleiner Pegel

In diesem Abschnitt werden Fehlerquellen bei der Messung kleiner Signale diskutiert. Viele der hier behandelten Effekte sind sehr schön in einer Broschüre von Keithley[?] dargestellt.

4.4.1  Testfelder

Wenn eine elektrische Messung mit kleinen Pegeln, hohen Impedanzen oder kleinen Strömen durchgeführt wird und gleichzeitig eine bestimmte G, so müssen sogenannte Testfelder bestimmt werden.


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Abbildung 4.180.: Testfeld für eine Spannungsquelle[?].

Im allgemeinen hängen der Kurzschlussstrom IK einer Spannungsquelle und ihre Leerlaufausgangsspannung UL über einen äquivalenten Quellenwiderstand RS

RS  =  UL-
       IK
(4.1)

In Abb. 4.180 ist nun ein Testfeld gezeigt. Auf der horizontalen Achse ist dabei die Leerlaufausgangsspannung UL angegeben. Die vertikale Achse ist der Kurzschlussstrom IK. Die schrägen Linien zeigen den dazugehörigen Ausgangswiderstand. Um herauszufinden, wie eine Messung durchgeführt werden muss, werden die folgenden Schritte abgearbeitet:

Dieses Testfeld bedeutet nun, dass Parallelwiderstände zur Quelle, die grösser als der Widerstand am Punkt B sind, die gewünschte Genauigkeit nicht beeinträchtigen. Dieser minimale Parallelwiderstand zeigt, wie gross der Innenwiderstand eines Spannungsmessers sein muss, damit die Spannungsmessung die geforderte Genauigkeit ermöglicht. Ebenso zeigt der Punkt C, wie klein ein Serienwiderstand sein muss (links von diesem Punkt), damit eine Strommessung nicht durch das Messgerät verfälscht wird.


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Abbildung 4.181.: Beispiel für eine Testhülle[?].







Art der Messung
Messbereich
Anzeichen für Fehler
WahrscheinlicheUrsachen
Massnahmen zur Vermeidung





Kleine Spannungen
< 1μV
Offsetspannung
Thermospannungen
Alle Anschlüsse auf der gleichen Temperatur halten
Gekrimpte Cu-Cu-Verbindungen



Störspannungen
MagnetischeInterferenzen
Verdrillte Leitungen
Leitungen von Magnetfeldern entfernen oder abschirmen





KleineStröme
< 1μA
Offsetstrom
Leckströme in Isolatoren
Gute Isolatoren verwenden, gut reinigen


Messstrom im Messwerk (Bias)
Picoampèremeter oder Elektrometer verwenden


Dunkelstrom im Detektor
Dunkelstrom unterdrücken oder kompensieren



Störströme
Elektrostatische Kopplung
Hohe Spannungen und Relativbewegungen der Kabel dazu vermeiden
Abschirmung


Vibration / Deformation
Vibrationen fernhalten
Rauscharme Kabel verwenden





NiedrigeWiderstände
< 100mΩ
Widerstandsoffsets
Kabelwiderstand
4-Draht Methode (Kelvin-Methode) verwenden



Drift
Thermospannungen
Pulsförmige Testsignale mit Offsetkompensation



SchwankendeMesswerte
MagnetischeInterferenz
Von Magnetfeldern fernhalten oder abschirmen
Verdrillte Leitungen verwenden





HoheWiderstände
> 1GΩ
Ablesung zu klein
Belastungswiderstand (Shunt)
Anschlüsse und Kabel mit höherem Isolationswiderstand verwenden
Guard-Techniken verwenden


Niedriger Rein des Voltmeters
Spannungsquelle und Strommessung verwenden


Offsetströme
Offsetströme bei abgeschalteter Testspannung kompensieren



SchwankendeWerte
Elektrostatische Kopplung
Hohe Spannungen in der Nähe sowie Bewegung des Kabels vermeiden





Spannung aus einer
> 1MΩ
Ablesung zu klein
Belastungswiderstand (Shunt)
Anschlüsse und Kabel mit höherem Isolationswiderstand verwenden
Guard-Techniken verwenden


Quelle mit hoher
Offsetströme
Offsetströme bei abgeschalteter Testspannung kompensieren



Impedanz
SchwankendeWerte
Elektrostatische Kopplung
Hohe Spannungen in der Nähe sowie Bewegung des Kabels vermeiden





Tabelle 4.9.: Übliche Fehlerquellen und Massnahmen, um ihren Einfluss zu vermindern (nach Keithley[?]

Tabelle 4.9 zeigt eine Aufstellung verschiedener Messarten, häufige Fehlerquellen und Möglichkeiten ihrer Beseitigung.

Abbildung 4.182 stellt die durch verschiedene Störmechanismen unzugänglichen Messbereiche bei einer Spannungsmessung dar. Blau ist der Bereich, in dem Thermospannungen das Messresultat verfälschen. Die in der Abbildung gezeigten Bereiche hängen von der Temperatur und den Materialkombinationen ab. Sie sind im Einzelfall neu zu berechnen. Die rotbraune Farbe zeigt den Bereich von Ausgangswiderständen (oder, äquivalent, von Kombinationen von Spannungen und Strömen) an, bei denen ein Messgerät mit hier 10MΩ Eingangswiderstand 10% Fehler erzeugt. Grün ist der Bereich, der wegen Eingangsströmen im Messgerät nicht zugänglich ist. Schwarz schliesslich ist der Bereich des weissen Rauschens oder des thermischen Rauschens.


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Abbildung 4.182.: Fehlerquellen bei der Spannungsmessung[?]. Blau: Thermospannungen, rotbraun: Fehler durch den zu grossen Ausgangswiderstandes der Quelle, grün: Eingangsströme des des Voltmeters und schwarz: thermisches Rauschen.


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Abbildung 4.183.: Fehlerquellen bei der Strommessung[?]. Blau: Spannungsabfall am Messgerät, rotbraun: Fehler durch Parallelwiderstände zur Quelle, grün: Induzierte oder generierte Ströme und schwarz: thermisches Rauschen.

Abbildung 4.183 stellt die durch verschiedene Störmechanismen unzugänglichen Messbereiche bei einer Strommessung dar. Blau ist der Bereich, der durch den Spannungsabfall am Messwiderstand einen Fehler erzeugt. Die rotbraune Farbe zeigt den Einfluss von Parallelwiderständen zur zu messenden Quelle dar. Grün ist der Bereich, der wegen induzierten oder generierten Strömen nicht zugänglich ist. Schwarz schliesslich ist der Bereich des weissen Rauschens oder des thermischen Rauschens.

Abbildung 4.184 stellt schliesslich die durch verschiedene Störmechanismen unzugänglichen Messbereiche bei einer Widerstandsmessung dar. Gelb ist der Bereich, der wegen den Widerständen des Messkabels nicht zugänglich ist. Blau ist der Bereich der Thermospannungen. Die rotbraune Farbe zeigt den Einfluss von Isolationswiderständen parallel zur zu messenden Quelle dar. Grün ist der Bereich, der wegen induzierten oder generierten Strömen nicht zugänglich ist. Schwarz schliesslich ist der Bereich des weissen Rauschens oder des thermischen Rauschens.


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Abbildung 4.184.: Fehlerquellen bei der Widerstandsmessung[?]. Gelb: Leitungswiderstand in Serie zum Testobjekt, blau: Thermospannungen, rotbraun: Isolationswiderstände parallel zum Testobjekt, grün: generierte oder induzierte Ströme und schwarz: thermisches Rauschen.

Allgemeine Fehlerquellen bei elektrischen Messungen sind

Rauschen
Das thermische Rauschen, wie es im Abschnitt 2.8 dargestellt wurde, hat eine Leistung von P = 4kTΔf in der Bandbreite Δf.
Drift
Messgeräte sind im allgemeinen nicht stabil. Ihre Anzeigen ändern sich langsam mit der Zeit. Diesen Fehler nennt man Drift.
Geschwindigkeit
Jede Messung braucht eine bestimmte Zeit. Wird von einem Messsystem wie zum Beispiel einem Lock-In-Verstärker (sie auch den Unterabschnitt 4.1.9 eine im Vergleich zu seiner Bandbreite zu hohe Datenrate verlangt, so sind die Messungen wegen der Bandbreitenbegrenzung fehlerbehaftet.
Umgebungsbedingungen
Temperatur und Luftfeuchte können Messfehler verursachen. Einerseits verursachen Temperaturänderungen Änderungen der Leitfähigkeit der Widerstände der eingesetzten Messgeräte. Andererseits bedeutet eine hohe Luftfeuchtigkeit dass die Isolationswiderstände in den Messgeräten niedriger werden und so Messfehler verursachen.
Ionisierende Strahlung
Ionisierende Strahlen können durch ihre Energie Elektronen aus einem Leiter oder Isolator herauslösen. Dadurch fliessen zusätzliche Ströme. Während ionisierende Strahlung als Folge der menschlichen Aktivitäten Teilchen mit relativ niedrigen Energien emittiert, bestehen die kosmischen Strahlen im allgemeinen aus Teilchen mit sehr hohen Energien. Deshalb können letztere nicht und erstere nur unter grösserem Aufwand abgeschirmt werden.
Netzstörungen
Netzstörungen, das heisst das Übersprechen der Spannungsversorgung des Messgerätes, des Prüflings oder von anderen Geräten sind im allgemeinen die häufigsten Störungen und mit von den am schlechtesten zu eliminierenden. Die einzige Massnahme ist meistens, die Erdverbindungen neu zu konfigurieren.
Mechanische Störungen
Unter den mechanischen Störungen versteht man die Einflüsse von Vibrationen und auch die Wirkungen von Verbiegungen von Kabeln.
Schutzerde und Schutzleiter
Diese für einen sicheren Betrieb von Geräten notwendigen Einrichtungen erzeugen vor allem in Verbindung mit Oszilloskopen Brummschleifen. Diese können nur aufgebrochen werden, indem man die Oszilloskope für differentielle Messungen einrichtet, also nur die Hälfte der Kanäle verwendet. Alternativ kann man eigene Differenzverstärker den Oszilloskopen vorschalten. Die letzte Möglichkeit ist, zugelassene Trenntransformatoren zu verwenden.Achtung! Nie Schutzleiter auftrennen! Immer Trenntransformatoren oder Differenzverstärker verwenden!

4.4.2  Spannungen

Bei Spannungsmessungen treten insbesondere die folgenden Fehlerquellen auf

Anschlüsse mit hohen Impedanzen
Leck- Streuströme verfälschen eine Spannungsmessung. Wenn gilt, dass V s < 1μA·Rs ist, so muss bei der Spannungsmessung besonders vorsichtig vorgegangen werden. Dabei ist V s die geforderte Spannungsempfindlichkeit, 1 μA der Strom, der durch den Innenwiderstand des Voltmeters fliesst. Wenn die geforderte Empfindlichkeit 1 mV ist, dann hat müssen Quellen mit Rs > 1kΩ mit besonderen Vorsichtsmassnahmen gemessen werden.
Isolationswiderstand
Durch schlechte Isolationsmaterialien werden Spannungsmessungen verfälscht. Die Wahl des Isolationsmaterials entscheidet über die Qualität von Spannungsmessungen. Im Abschnitt I.1 ist eine Tabelle von Isoltionsmaterialien angegeben.
Eingangswiderstand
Jedes reale Voltmeter kann als ein ideales Voltmeter mit dem Eingangswiderstand Rein des realen Voltmeters in parallel ersetzt werden. Die gemessene Spannung ist V mess = V s-Rein--
Rein+Rs
Offsetspannung
Jede Spannung in Serie mit der zu messenden Spannung und der Spannung am Voltmeter verfälscht die Ablesung. Zu den Offsetspannungen gehören die Thermospannungen und die durch wechselnde Magnetfelder induzierten Spannungen.
Offsetstrom
Der Offsetstrom bei einem idealen Voltmeter und einer Spannungsquelle mit dem Innenwiderstand Rs verfälscht die Quellenspannung V s zu V m = V s± Ioffset·Rs. Offsetströme entstehen durch die Eingangstransistoren der Messgeräte. Jeder bipolare Transistor benötigt einen minimalen Eingangsstrom um zu funktionieren. Bei digitalen Voltmetern und bei Nanovoltmetern beträgt der Offsetstrom etwa 10pA bis 10nA. Der Offsetstrom von Elektrometerverstärkern kann von 10fA bis hinunter zu 50aA20 betragen.
Belastungswiderstand
Widerstände parallel zum Voltmeter verfälschen die Messung. So wird bei einem Quellwiderstand Rs und bei einem Querwiderstand RQ die gemessene Spannung Um = Us(  RQ  )
 RQ+Rs-. Vielfach ist der Isolationswiderstand des Kabels der unerwünschte Querwiderstand. Der Einfluss des Kabelisolationswiderstandes kann durch Guard-Techniken vermindert werden. Wenn die Verstärkung des Guard-Verstärkers Aguard ist, dann ist die gemessene Spannung Um = Us(             )
 --Aguard·RQ---
 Aguard·RQ+Rs
Kapazität zur Schirmleitung
Die Kapazität zur Abschirmung des Messkabels Ck bewirkt zusammen mit dem Ausgangswiderstand Rs eine Zeitkonstante τ = RsCk. Damit ist der Zeitverlauf der Messspannung Um = Us[       (   t)]
 1 − exp  − τ = Us[       (       )]
 1 − exp  − -t---
            RsCk. Dabei wird die Ladung Q = UsCk auf die Kabelkapazität Ck übertragen. Wenn die Abschirmung mit einem Verstärker (Verstärkung Aguard auf dem Potential der Eingangsspannung gehalten wird, ist die Zeitkonstante τguard = A--τ--
  guard. Die auf der Kabelkapazität gespeicherte Ladung ist dann Q = Us--Ck--
Aguard.
Thermospannungen
Thermospannungen werden zur zu messenden Spannung hinzu- oder abgezählt. Die Grösse der Thermospannungen hängt von der Materialkombination und von den Temperaturen entlang des Messkreises ab. Tabelle I.2 gibt die wichtigsten thermoelektrischen Koeffizienten an.
Thermospannungen in Steckern
Die Thermospannungen in Steckern werden meistens vergessen. Anders als im Rest des Messkreises sind die Materialien und die Temperaturen sehr viel schlechter kontrollierbar. Durch Übergangswiderstände zwischen Stecker und Kupplung kann sich die Kontaktstelle unbemerkt und unkontrolliert erwärmen. Zu den Steckern gehören auch geräteinterne Stecker. Bei externen Verbindungen kann der Einfluss der Thermospannungen untersucht werden, indem man die Steckerverbindungen (sofern möglich!) umkehrt.
Gleichtaktstrom und daraus resultierende Fehler
Gleichtaktströme können insbesondere Messungen von sehr kleinen Spannungen beeinflussen. Zu den Gleichtaktstromquellen gehört unter anderem die Ströme die zwischen der Netzerde und dem Erd-Eingangspol (Buchse "0") des Messgerätes fliesst. Vielfach rührt dieser Strom von der kapazitiven Kopplung zwischen der Primär- und Sekundärspule des Netztransformators her[?]. Noch schlimmer sind die Fehler, wenn die Buchse "0" mit dem empfindlichen Teil des Messobjektes verbunden ist. Dies ist unter allen Umständen zu vermeiden.
Magnetfelder
Magnetfelder induzieren Spannungen in alle von den Messleitungen eingeschlossenen Flächen. Die Maxwell’schen Gleichungen ergeben, dass die induzierte Spannung UB = dΦ-
 dt = dBA-
 dt = BdA-
 dt+AdB-
dt. Verdrillte Kabel und eine gut überlegte Führung der Kabel minimieren die induzierten Spannungen von variierenden Magnetfeldern. Bewegte Kabel (zum Beispiel zu einer beweglichen Messstelle) können auch bei statischen Magnetfeldern induzierte Spannungen bewirken.
Erdschleifen
Einer der häufigsten Fehler sind Erdschleifen. Sie rühren daher, dass netzbetriebene Messgeräte einerseits über ihre ”0”-Buchsen und andererseits über den Schutzleiter verbunden sind. Dieser fehler kann vermindert werden, indem differentielle Eingänge verwendet werden. Bei Oszilloskopen müssen gesonderte Differenzverstärker vorgeschaltet werden. Bei Datenerfassungskarten für Computer sollte immer der Variante mit differentiellen Eingängen der Vorzug vor der Variante mit den einfachen Eingängen gegeben werden.Achtung! Nie Schutzleiter auftrennen! Immer Trenntransformatoren oder Differenzverstärker verwenden!
Abschirmung
Wenn man bei einem Elektrometerverstärker an den empfindlichen Eingang 2 cm Draht anschliesst, den 2V-Bereich einstellt, ein Stück Kunststoff an Wolle reibt und dieses Stück etwa einen Meter vom Eingang entfernt hin und her bewegt, dann schlägt das Elektrometer merklich aus. Ähnliche Experimente kann man auch mit Wechselfeldern durchführen. In beiden Fällen hilft nur eine Abschirmung. Diese Abschirmung sollte

umfassen. Es ist vorteilhaft für solche Messungen triaxiale Kabel zu verwenden, wobei die innere Schirmung mit einer Guardschaltung auf dem Messpotential gehalten werden sollte.

4.4.3  Ströme

Präzise Strommessungen werden ebenso wie Spannungsmessungen durch Fehlerquellen verfälscht. Diese Fehler sind

Spannungsbelastung
Ein realer Strommesser kann als ein idealer Strommesser in Serie mit einem Messwiderstand Rm angesehen werden. Der Kurzschlussstrom einer Spannungsquelle Us mit dem Innenwiderstand Rs wäre Is = Us
Rs. Durch den endlichen Innenwiderstand des Strommessers ist der gemessene Strom aber Im = --Us--
Rs+Rm = Is--Rs--
Rs+Rm. Bei digitalen Messgeräten entspricht der Messstrom einer Spannung Ub. Dann ist der gemessene Strom Im = Us−Ub
 Rs = Is Ub
Rs.
Leitungswiderstände
Trotzdem die Leitungswiderstände RL meistens kleiner als der Ausgangswiderstand Rs oder der Messwiderstand Rm ist, können Sie die Strommessung verfälschen. Der gemessene Strom ist Im = Us
Rs--Rs--
Rs+RL.
Rauschen und Interferenzen
Quellenwiderstand
Durch die Abschirmung kann der Einfluss einer externen Störspannung auf die Strommessung minimiert werden. Jedoch bewirkt die Schirmung zusammen mit der bei einer Stromquelle notwendigerweise hohen Ausgangsimpedanz eine Zeitkonstante. Bei empfindlichen Strommessungen müssen deshalb neben der Abschirmung auch Guard-Techniken verwendet werden.
Eingangskapazität
Bei Strom/Spannungswandlern ist die Verstärkung für Rauschen grösser als für das Nutzsignal. Wenn wir eine Quelle mit der Spannung Us und dem Ausgangswiderstand Rs betrachten, die an einen Strom/Spannungswandler mit dem Rückkopplungswiderstand Rf angeschlossen ist, dann ist die Ausgangsspannung Ua = UsRf-
Rs. Dabei gilt bei Stromquellen meistens, dass Rs > Rf ist, ist Ua kleiner als Us. Formal koppelt eine Rauschspannung an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers des Strom/Spannungswandlers. Damit ist die Verstärkung der Rauschspannung Ur durch Ua,r = Ur(     Rf)
  1 + Rs. Deshalb wird bei Strom/Spannungswandlern bei kleinen Quellwiderständen Rf das Rauschen überproportional verstärkt. Deshalb empfiehlt Keithley [?] als minimale Quellwiderstände


Strombereich Minimale Quellwiderstände


pA 1GΩ100GΩ
nA 1MΩ100MΩ
μA 1kΩ 100kΩ
mA 100Ω



Besonders bei der Rastertunnelmikroskopie bei kleinen Strömen und kleinen Spannungen21 kann diese Empfehlung nicht eingehalten werden. Weiter sind zu den vorhandenen Widerstände immer Parallelkapazitäten vorhanden. In diesem Falle muss mit den Beträgen der Impedanzen gerechnet werden.
Offsetströme
Offsetströme entstehen wie bei den Spannungsmessungen durch die notwendigen Eingangsströme der Eingangsverstärker. Das für Spannungsmessungen gesagte gilt analog auch für die Strommessungen. Wenn die Offsetströme zeitlich konstant sind, können sie auch kompensiert werden. Besonders einfach ist dies mit einer externen Stromquelle.
Triboelektrische Effekte
Triboelektrische Ströme entstehen, wenn unterschiedliche Materialien sich gegeneinander bewegen und Reibungskräfte vorhanden sind. Triboelektrizität entsteht vor allem in Kabeln, deren Biegung wechselt oder die unterschiedlichen mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Die Auswahl der Materialien, aus denen die Kabel zusammengesetzt sind, beeinflusst die Höhe der generierten triboelektrischen Ströme.
Piezoelektrische Effekte, gespeicherte Ladung
Wenn an gewisse Materialien mit nicht zentrosymmetrischem Kristallbau mechanische Spannungen angelegt werden, entstehen durch den Piezoeffekt Ladungen. Bei periodischer mechanischer Beanspruchung der Isolationsmaterialien bewirkt dies auch einen Wechselstrom im Takt der mechanischen Anregung. Um piezoelektrische Effekte zu vermeiden sollten Isolatoren nicht mechanisch belastet werden.
Elektrochemische Effekte
Wenn die Oberflächen von Isolatoren verschmutzt sind kann Strom über elektrochemische Prozesse geleitet werden. Flussmittelrückstände oder Rückstände von Lösungsmitteln wie auch Schmutz und Fett von Fingern sind vielfach auf Isolatoren zu finden. Bei ungeeigneter Kombination dieser Rückstände mit dem Basismaterial können so auch Lokalelemente, also Batterien entstehen. Diese Effekte können mit Guard-Techniken minimiert werden.

4.4.4  Techniken zur Verhinderung von Fehlmessungen

Die im folgenden beschriebenen Techniken zur Kompensation oder Verhinderung von Fehlern stammen einerseits aus dem Handbuch von Keithley[?] und andererseits aus der eigenen Erfahrung.

4.4.4.1. Einfluss von Schirmungen

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Abbildung 4.185.: Einfluss des Kabelleckstromes durch RC auf eine Spannungsmessung

Abbildung 4.185 zeigt die Messung von Spannungen mit einem Quellwiderstand, bei dem der Isolationswiderstand des Kabels nicht mehr vernachlässigt werden kann. Die gemessene Spannung ist

          (         )
U   =  U   ---RC----
  M     S  RS  + RC
(4.2)


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Abbildung 4.186.: Messung kleiner Spannungen mit einer Guard-Konfiguration

Wenn man das die Schirmung des Kabels mit einem Operationsverstärker auf dem Potential der zu messenden Spannung hält, dann wird

         (             )
UM  = US   ---AGRC-----
           RS + AGRC
(4.3)

wobei AG die Verstärkung des Operationsverstärkers bei der betrachteten Frequenz ist.

4.4.4.2. Thermospannungen

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Abbildung 4.187.: Kompensation von ungewollten Thermospannungen durch Vertauschen der Anschlüsse

Wenn eine ungewollte Thermospannung UEMF oder eine andere das Vorzeichen behaltenden Störspannung bei der Messung der Differenzspannung von zwei Thermoelementen UA und UB stört, kann man mit zwei Messungen mit jeweils vertauschten Kabeln diesen Einfluss kompensieren.

      U   =   U     + U  −  U
       1       EMF      A    B
      U2  =   UEMF  + UB  − UA
U1 − U2       UEMF  + UA  − UB −  (UEMF  + UB  − UA )
---2----  =   -------------------2-------------------=  UA −(U4B.4)

Die letzte Zeile von Gleichung (4.4) gibt das Schlussresultat.

4.4.4.3. Störungen in Netzteilen

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Abbildung 4.188.: Gleichtaktstrom hervorgerufen durch die Ankopplung an die Netzspannung

Abbildung 4.188 zeigt wie durch die Ankopplung an die Netzspannung ein Gleichtaktstrom hervorgerufen wird. Die Kapazität CKopplung koppelt die Netzspannung von der Primärseite auf die Sekundärseite. Der durch diese Kapazität in der Sekundärseite induzierte Strom ist

ICM  = 2 πfCKopplung(U2 ± U1 )
(4.5)

Die magnetiche Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärseite wird optimal, wenn die beiden Wicklungen abwechselnd übereinandergelegt werden. Dies führt aber zu einer grossen Koppelkapazität, die das Störspannungsniveau auf der Sekundärseite erhöht. Zusätzlich sind die notwendigen Kriechwege für Ströme bei einer solchen, magnetisch effiziente Schaltung ungenügend lang.

4.4.4.4. Fehler durch falschen Anschluss der Messkabel

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Abbildung 4.189.: Gleichtaktstrom hervorgerufen durch den falschen Anschluss der Messkabel

Wenn, wie in Abb. 4.189 rechts das Messkabel an die Erde des Messobjektes und das Nullkabel an die empfindliche Stelle angeschlossen wird, fliesst vom Punkt ’Lo’ ein Strom zur Erde. Der korrekte Anschluss in der Abbildung links vermeidet diesen Fehlerstrom.

4.4.4.5. Verringerung des Einflusses von zeitabhängigen Magnetfeldern

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Abbildung 4.190.: Durch Magnetfelder induzierte Spannungen

Der durch eine (veränderliche) Fläche A fliessende (veränderliche) Fluss induziert die Spannung

UB =  dϕ-=  dBA---= B dA--+  dB-A
      dt     dt        dt    dt
(4.6)

Der Einfluss von Magnetfeldern B kann minimiert werden, wenn

4.4.4.6. Erdschleifen und ihre Verhinderung

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Abbildung 4.191.: Erdschleifen hervorgerufen durch mehrfache Erdung

Wenn wie in Abb. 4.191 in der Erdleitung eine Spannung von UG induziert wird (zum Beispiel durch hohe Ströme oder durch magnetische Induktion) dann liegt dadurch am Leitungswiderstand R des unteren Messkabels die Spannung UG. Die gemessene Spannung ist dann

U   =  U  + U   = U  + IR
 ein     S     G    S
(4.7)

Dabei haben die Grössen typischerweise die Werte R 100mΩ, I 1A. Dabei kann UG = IR sehr viel grösser als US sein.


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Abbildung 4.192.: Verhinderung des Einflusses von Erdströmen durch Erdung an einem einzelnen Punkt

Abb. 4.192 zeigt eine Erdung an einem einzelnen Punkt. Wieder gilt

Uein = US +  IR
(4.8)

wobei aber jetzt der Strom I durch den Isolationsimpedanz ZCM fliesst. Deshalb ist er nicht in der Grössenordnung von Ampères, sondern um Nanoampères. Somit werden Erdfehler vermieden.

4.4.4.7. Kapazitive Fehler in geschirmten Kabeln

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Abbildung 4.193.: Elektrostatische Kopplung (links) und elektrostatische Abschirmung

Die durch eine elektrostatische Störquelle U (Abb. 4.193 induzierte Spannung ist

       dU     dC
I =  C ---+ U ---
       dt      dt
(4.9)

Durch die elektrostatische Schirmung wie in Abb. 4.193, rechts, wird die Kopplung verhindert.

4.4.4.8. Kapazitiv belastete Stromquelle

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Abbildung 4.194.: Einfluss des Ausgangswiderstandes und der kapazitiven Belastung einer Stromquelle

Bei Stromquellen wie zum Beispiel bei Rastertunnelmikroskopen oder bei Photodioden beeinflusst der Ausgangswiderstand RS und die Ausgangskapazität CS der Quelle sowie der Rückkopplungswiderstand RF und die Störkapazitäten CF des Strom/Spannungswandlers die Messresultate (Sie Abb. 4.194). Die Rauschspannung des Operationsverstärkers vergrössert sich so um

UNoise,Output = UNoise,Input(1 + RF ∕RS )
(4.10)

Das heisst, das Ausgangsrauschen vergrössert sich bei einer Verkleinerung des Quellwiderstandes RS. Zum Beispiel heisst das, dass in einem Rastertunnelmikroskop bei kleineren Distanzen das Rauschen zunimmt. Auch durch die Kapazitäten nimmt die Rauschspannung zu.

U           =  U          (1 + Z  ∕Z  )
  Noise,Output    Noise,Input       F   S
(4.11)

Hier ist ZF die Impedanz der Parallelschaltung aus RF und CF .

Z   =  ∘------RF----------
  F      (2πf C R   )2 + 1
               F  F
(4.12)

Analog gilt für ZS

      -------RS----------
ZS =  ∘            2
        (2πf CSRS )  + 1
(4.13)

oder zusammen:

                          (        ┌ -----------------)
                               R   ││ (2πf C  R  )2 + 1
UNoise,Output = UNoise,Input(1 + --F-∘ -------F--F-2----)
                                RS    (2 πfCSRS  ) + 1
(4.14)

4.4.4.9. Triboelektrische Effekte in abgeschirmten Kabeln

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Abbildung 4.195.: Triboelektrische Effekte durch die Verbiegung von Kabeln

Handelsübliche Messkabel sind aus mehreren Schichten aufgebaut. Wenn Kabel verbogen werden (Abb. 4.195) gleiten diese Schichten aneinander vorbei. Wie wenn man Kunststoffe mit Fellen reibt, entstehen auch bei Kabeln Ladungen. Da die Ladungen durch die Oberflächenwiderstände abgebaut werden und durch Bewegung wieder erzeugt werden. Periodische Bewegungen erzeugen also auch periodische Spannungen oder Ströme, die wiederum empfindliche Messungen stören oder gar verunmöglichen können.

Um triboelektrische Effekte zu vermeiden sollten für Experimente

Mit diesen Vorsichtsmassnahmen hat man optimale Messbedingungen.

4.4.4.10. Leckströme an Oberflächen, Verwendung von ’Guard’-Ringen

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Abbildung 4.196.: Elektrochemische Effekte und Leckströme an Oberflächen


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Abbildung 4.197.: Messung des Sperrstromes einer Diode. Links der Originalaufbau, in der Mitte der Messaufbau mit Leckströmen und rechts der Aufbau mit Guard-Ringen

In Abb. 4.197 zeigt die Messung des Leckstromes einer Diode. Wenn das Ampèremeter in der obigen Abbildung (Mitte) einen Isolationswiderstand von 1GΩ hat, dann fliesst ein Leckstrom von 15nA. Der Guard-Ring in der Abbidung rechts verringert die am Isolationswiderstand von 1GΩ liegende Spannung auf 200μV . Dadurch wird der Leckstrom etwa 0.2pA. Der ursprüngliche Leckstrom von 15nA wird durch die 15V -Spannungsquelle geliefert.

4.4.4.11. Spektrum der Störsignale

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Abbildung 4.198.: Störspektrum in Schaltungen

Abbildung 4.198 zeigt ein typisches Spektrum von Störstrahlungen. Das Störstrahlungsspektrum enthält die folgenden Bestandteile

1/f-Rauschen
Bei sehr tiefen Frequenzen dominiert das 1/f-Rauschen. Diese Art Rauschen, im Abschnitt 2.8.2.3 besprochen, rührt von statistischen Schwankungen beim Stromtransport her. Typischerweise hat das 1/f-Rauschen über 1 kHz keine Bedeutung mehr.
Weisses Rauschen
Oberhalb von 1 kHz ist weisses Rauschen dominierend. Dieses rührt von den statistischen Schwankungen der Ladungsträgerkonzentration her (siehe Abschnitt 2.8.1).
Netzinterferenzen
Zwischen 50 Hz (USA und andere: 60 Hz) und etwa einem kHz macht sich die Netzfrequenz und ihre Oberfrequenzen störend bemerkbar. Bei Netzteilen ist weniger die Komponente bei 50 Hz als vielmehr wegen der Gleichrichtung die Komponente bei 100 Hz wichtig.
Mechanische Vibrationen
Die mikroskopisch kleinen Bewegungen der Erde, von Gebäuden und von Geräten können die Funktion von empfindlichen Messgeräten stören. Immer da wo eine kapazitive oder induktive Kopplung zwischen mehreren Schaltkreisen vorliegt, induzieren mechanische Vibrationen Störungen. Bei optischer Datenübertragung bewirkt eine mechanische Bewegung, dass die auf den Detektor fallende Lichtintensität schwankt.
Temperaturdrift
Die Temperaturdrift beeinflusst Messungen unter 10 Hz. Durch den Tagesgang der Temperatur, durch die Änderung des Abstandes der ExperimentatorIn können Temperaturschwankungen von einigen Bruchteilen von Kelvin induziert werden. Dies reicht, um bei sehr empfindlichen Messungen Störungen hervorzurufen.
Radarpulsfolgen
Zwischen 10 Hz und etwa 100 kH können Störungen durch die Pulsfolgefrequenz von Radargeräten auftreten. Diese dürften in der Nähe von Flugplätzen und von Flugkontrolleinrichtungen häufiger auftreten. Radargeräte sind als Störquellen nicht zu vernachlässigen, da es Geräte gibt, die mit einigen 10 kW mittlerer Leistung senden. Die Spitzenleistungen sind dann im Megawatt-Bereich.
Schaltnetzteile
Schaltnetzteile sind bei modernen Geräten eine oft übersehene Qualle von Störungen. Da die Schaltfrequenzen zwischen 1 kHz und einigen 10 kHz liegen, sind sie oftmals schwer von Nutzsignalen zu trennen.
Rundsteuerungen der Elektrizitätswerke
Elektrizitätswerke schalten mit Rundsteueranlagen grosse Verbraucher in Nebenzeiten ein und zu den Hauptlastzeiten wieder aus. Die Steuerung erfolgt mit einem Signal von etwa 1000 Hz und einer Amplitude von 20 V bis 30 V. Diese Störspannungen koppeln hervorragend durch die Kapazität zwischen der Primärwindung und der Sekundärwindung auf die restliche Schaltung. Sie sind nur schwer herauszufiltern. Die kommende Datenübertragung über Spannungsnetze könnte einen ähnlichen Einfluss auf empfindliche Geräte haben.
Thyristorschalter
Thyristorschalter haben eine sehr grosse Flankensteilheit beim Schalten. Entsprechend wird durch Thyristoren vor allem das Spektrum über 1 MHz gestört.
Radiowellen
Radiosender strahlen zwischen 100 kHz bis zu 100 MHz elektromagnetische wellen ab. Die Sendeleistung reicht von wenigen Watt bis zu Megawatt. Die leistungsfähigen Sender können in einem weiteren Umfeld massive Gerätestörungen bewirken. So ist es zum Beispiel im abstand von einigen 100 m von einem Mittelwellensender (500 kHz, 500 kW) möglich, Fluoreszenzlampen mit dem abgestrahlten elektrischen Feld zum leuchten zu bringen22 .
TV
Fernsehsender strahlen Störsignale im Bereich über 100 MHz ab.
Mobiltelefone
Mobiltelefone arbeiten mit Frequenzen von einigen GHz. Da die Daten in Paketen abgesendet werden, können die Störungen durch nichtlineare Effekte auch bei tieferen Frequenzen auftreten.

Beim Bau und Betrieb von Messgeräten muss sichergestellt werden, dass diese weder elektromagnetische Strahlung über den zugelassenen Werten abstrahlen noch durch elektromagnetische Strahlung gestört werden.



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