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Photoeffekt / Fotozelle

Akustik At 1.1

1. Zweck und charakteristische Eigenschaften

Der Gleichstrommessverstärker (Abb. 1) dient zur Messung kleiner Gleichströme sowie zur quasistatischen Messung von Gleichspannungen und elektrischen Ladungen. Das Gerät besitzt 30 (durch Drucktasten und Stufenschalter wählbare) Messbereiche, und zwar

Die Messwertanzeige erfolgt für alle Messarten und -bereiche mit einem an das Gerät anzuschließenden Strommesser 10 mA-. Besonders geeignet ist das Drehspulinstrument mit Spezialmessbereich, der eine der Messbereichstaffelung 3:10 des Gerätes angepasste Doppelskale besitzt. Die Genauigkeit des Messverstärkers (± 1% für Strom- und Spannungsmessungen, ± 2% für Ladungsmessungen - ausgenommen Strommessbereiche ≤ 300 pA sowie Ladungsmessbereich 300 pAs, vgl. 4. Technische Daten) erlaubt in Verbindung mit der weithin sichtbaren Anzeige des Drehspulinstrumentes die Durchführung von demonstrativen Messversuchen. Bei allen Strommessungen zeichnet sich das Gerät durch den äußerst geringen Spannungsabfall von 0,1 mV am Verstärkereingang aus. Charakteristisch für alle Spannungsmessungen ist der extrem hohe Eingangswiderstand von mindestens 1014 Ohm. Dieser erlaubt es auch Ladungsmessungen als interne Spannungsmessungen an einem eingebauten Messkondensator (0,1 µF) zu realisieren; die Kondensatorentladung erfolgt dabei mit einer hinreichend großen Zeitkonstante. Diese Methode der Ladungsmessung hat gegenüber der ballistischen den Vorzug, dass die Messwertanzeige hinreichend lange erhalten bleibt und darüber hinaus auch eine Addition von Ladungen vorgenommen werden kann. Eine Schnellentladung nach erfolgter Messung ist per Drucktaste möglich.

Abb. 1

Der elektrische Nullpunkt ist mit einem Drehknopf einstellbar und für alle Messarten und -bereiche gültig. Seine Temperaturdrift ist gering, sie beträgt pro Kelvin bei Spannungsmessungen 50 µV und bei Strommessungen 0,1% des jeweiligen Messbereiches.

Der Gleichstrommessverstärker wird vielseitig eingesetzt, beispielsweise zur Strommessung an Fotozellen, Fotodioden, Ionisationskammer, Franck-Hertz-Rohr; ferner zur Spannungsmessung, insbesondere auch an Kondensatoren; ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet sind Ladungsmessungen bei elektrostatischen Versuchen.

2. Funktions- und Bedienelemente

Der Gleichstrommessverstärker ist in einem Stahlblechgehäuse 326 mm x 214 mm x 225 mm untergebracht. Ein in versenktem Zustand bündig mit der Gehäuseoberseite abschließender Traggriff springt bei Druck auf eines seiner Enden durch Federkraft heraus. Auf der Gehäuserückseite befindet sich ein Gerätestecker zum Anschluss an das Wechselstromnetz; eine Geräteschnur liegt bei.

Die Frontplatte des Gerätes trägt folgende Funktions- und Bedienelemente (siehe Abb. 2):

1	Netzschalter mit Kontrolllampe
2	Eingang BNC-Buchse zum Anschließen der Messschaltung (näheres hierzu siehe Abschnitt 3.1). Der Eingang wird bei allen Messarten benutzt. Zu beachten ist, dass sein Außenpol mit der Gehäusemasse und über die Geräteschnur mit der Schutzerde des Wechselstromnetzes verbunden ist.
3	Drehknopf zur elektrischen Einstellung des Zeigernullpunktes. Hierbei muss eine der drei Messart-Tasten »I«, »U« oder »Q« gedrückt sein. Beim Übergang auf eine andere Messart oder einen anderen Messbereich bleibt die Nullpunkteinstellung prinzipiell erhalten; Unterschiede in der praktischen Durchführung sind im folgenden erläutert. Nullpunkteinstellung bei gedruckter Taste »I«: Der am Eingang liegende Außenwiderstand muss einen gewissen Mindestwert besitzen siehe Technische Daten. Am einfachsten ist es, bei offenem Eingang zu arbeiten oder aber bei angeschlossener Messschaltung in stromlosem Zustand. Die Empfindlichkeit der Nullpunkteinstellung ist in allen Strommessbereichen gleich; in den beiden kleinsten Bereichen vergehen allerdings einige Sekunden, bis sich der Zeiger endgültig eingestellt hat. Nullpunkteinstellung bei gedrückter Taste »U«: Der Eingang muss durch einen Widerstand (≤ 10 MOhm) abgeschlossen sein. Am einfachsten ist es, im Kurzschluss zu arbeiten (Eingang mit kurzgeschlossenem Adapter versehen) oder aber bei angeschlossener Messschaltung in stromlosem Zustand. Die Empfindlichkeit der Nullpunkteinstellung ist um so größer, je kleiner der gewählte Spannungsmessbereich; am empfindlichsten ist sie also im Bereich 3 mV. In den Bereichen ≥ 1 V verändert ein Betätigen von Drehknopf 3 den Nullpunkt praktisch nicht. - Es sei erwähnt, dass die Einstellempfindlichkeit im Bereich 30 mV die gleiche ist wie bei den Strommessbereichen. Nullpunkteinstellung bei gedruckter Taste »Q«: Die Einstellung ist bei niedergedrückter Taste 4 vorzunehmen. Der am Eingang liegende Außenwiderstand ist dabei beliebig, am einfachsten lässt man den Eingang offen. Die Empfindlichkeit der Nullpunkteinstellung ist die gleiche wie für die Spannungsmessbereiche mit analoger Schalterstellung.
4	Taste zum Entladen des eingebauten Messkondensators (0,1 µF), der bei gedrückter Taste »Q«, dem Eingang parallel liegt; solange Taste 4 gedrückt wird, ist der Kondensator durch einen Widerstand 330 kOhm überbrückt. Nach Freigabe der Taste bleibt die Überbrückung noch ca. 3 s erhalten.
5	Erdbuchse Diese 4-mm-Buchse ist mit der Gehäusemasse und über die Geräteschnur mit der Schutzerde des Wechselstromnetzes verbunden. Steht zum Anschluss keine Schukosteckdose zur Verfügung, so ist Buchse 5 zu erden.
6	Tasten »I«, »Q«, »U« zur Wahl der Messart; es ist zu drücken 6.1 Taste »I« für Strommessung 6.2 Taste »Q« für Ladungsmessung 6.3 Taste »U« für Spannungsmessung.
7	Ausgang »10 mA-« 4-mm-Buchsenpaar zum Anschließen des Instrumentes für die Messwertanzeige, vorgesehen ist ein Strommesser 10 mA(Ri ≤ 100 Ohm); Vollausschlag entspricht dem Endwert des jeweils eingestellten Messbereiches. Zur Anzeige geeignet ist das grosse Drehspulinstrument, dessen für 10 mA- ausgelegter Spezialmessbereich zwei neutrale Skalen 0 ... 3 und 0 ... 10 besitzt, die der Messbereichstaffelung des Verstärkers angepasst sind.
8	Taste »Polung Invert« zum Umpolen des an 7 liegenden Messinstrumentes bei Vorzeichenumkehr von Spannung, Ladung oder Stromrichtung. Bei polrichtigem Anschluss, d. h. Pluspol (rote Buchse) des Instrumentes an rote Ausgangsbuchse, ist bei negativem Vorzeichen der Messgröße mit gedrückter Taste, bei positivem Vorzeichen hingegen mit nichtgedrückter Taste zu arbeiten. (Ein Strom hat dabei positives Vorzeichen, wenn seine konventionelle Richtung zum Verstärkereingang hinweist.)
9	Stufenschalter zur Wahl des Spannungsmessbereiches; der Schalter ist funktionslos, wenn Taste »U« nicht gedrückt ist.
10	Stufenschalter zur Wahl des Ladungsmessbereiches; der Schalter ist funktionslos, wenn Taste »Q«nicht gedrückt ist. Als Maß für die vom Messkondensator aufgenommene Ladung Q dient die Kondensatorspannung U = Q/CM. Mit dem Stufeschalter wird der Messbereich für die interne Spannungsmessung am Kondensator umgeschaltet. Beispielsweise entspricht Vollausschlag im Bereich 30 nAs einer Kondensatorspannung U = 0,3V oder im Bereich 1000 nAs einer Spannung U = 10 V.
11	Stufenschalter zur Wahl des Strommessbereiches; der Schalter ist funktionslos, wenn Taste »I« nicht gedrückt ist.

3.Handhabung

3.1. Allgemeines

Der Gleichstrommessverstärker wird über die mitgelieferte Geräteschnur an das Wechselstromnetz angeschlossen. Steht zum Anschluss keine Schukosteckdose zur Verfügung, so ist Buchse 5 zu erden. Nach dem Einschalten ist das Gerät sofort betriebsbereit.

Das grosse Drehspulinstrument wird mit dem Spezialmessbereich 10 mA, Skale 3/10 versehen und entsprechend der Farbkennzeichnung der Buchsen an Ausgang 7 angeschlossen. Soll der Zeigerausschlag einmal nach der falschen Richtung erfolgen, so ist das Instrument mit Taste 8 umzupolen. Die elektrische Einstellung des Zeigernullpunktes (richtiger mechanisch Nullpunkt vorausgesetzt) ist gemäß den Angaben zum Drehknopf in Abschn. 2 vorzunehmen.

Zur Wahl der Messart ist die entsprechende Taste »I«, »U« oder »Q« zu drücken und mit dem zugehörigen Stufenschalter der gewünschte Messbereich einzustellen. Sofern die Größenordnung des Messwertes nicht bekannt ist, sollte man im größten Bereich beginnen und dann zu kleineren Bereichen umschalten. Überlastbarkeit bei den einzelnen Messarten siehe »Technische Daten«.

An den Verstärkereingang ist ein abgeschirmtes BNC-Kabel (s. Material) anzuschließen, das zum Übergang auf die Messschaltung mit dem Adapter und dieser noch mit dem Überwurfstecker zu versehen ist (siehe Abb. 3); je nach den Gegebenheiten kann auch der Überwurf mit Verbindungsschnur benutzt werden.

Abb. 3: Adapter zum Anschließen eines BNC-Kabels an 4-mm-Buchsenpaare; 1: BNC-Kabel, 2: Adapter, 3:Überwurfstecker.

Abb. 4: Adapter zum Anschließen eines abgeschirmten Kabels mit 4-mm-Stecker an BNC-Buchsen; 1: BNC-Buchse, 2: Adapter, 3: 4-mm-Stecker des abgeschirmten Kabels mit Oberwurfstecker.

Statt eines BNC-Kabels lassen sich auch die bisherigen abgeschirmten Kabel (mit 4-mm-Steckern) verwenden, wenn man die BNC-Buchse des Eingangs mit dem Adapter und den Kabelstecker mit dem Überwurfstecker versieht (siehe Abb. 4).

Es ist zu beachten, dass die angeschlossene Messschaltung durch den Verstärker geerdet wird, und zwar im Anschlusspunkt des Überwurfsteckers; bei bereits geerdeten Schaltungen muss dieser an den Erdpunkt gelegt werden. Soll der Messverstärker an zwei weit auseinanderliegenden Punkten der Messschaltung angeschlossen werden, so kann es bequemer sein, statt der Kabelabschirmung eine gesonderte Erdleitung zu benutzen, wozu man eine Verbindungsschnur an die Erdbuchse 5 anschließt; in bereits geerdeten Schaltungen kann u.U. auf diese Erdleitung verzichtet werden.

3.2. Strommessung

Man drücke Taste »I« und wähle mit Stufenschalter 11 den geeigneten Messbereich. Den Anschluss der Messschaltung zeigen die Abb.5 und 6. Damit der Verstärker korrekt arbeitet, muss der Widerstand des äußeren Stromkreises einen Mindestwert besitzen, für den als Richtwert der dreihundertfache Innenwiderstand des jeweiligen Messbereiches gelten kann, s. Tabelle in »Technische Daten«. Bei zu kleinem Stromkreiswiderstand ergibt sich ein Nullausschlag sowie eine gewisse Instabilität des Verstärkers, die um so größer werden, je weiter der Mindestwiderstand unterschritten ist. Bis zu einem Fünftel des Richtwertes reicht die Stabilität im allgemeinen aus, um noch mit dem Verstärker arbeiten zu können; der Nullausschlag ist mit Stellknopf 3 zu eliminieren.

Abb. 5: Prinzipschaltung zur Strommessung mit Kabelabschirmung als Erdleitung. Abb.6:Prinzipschaltung zur Strommessung mit gesonderter Erdleitung.

3.3. Spannungsmessung Man drücke Taste »U« und wähle mit Stufenschalter 9 den geeigneten Messbereich. Den Anschluss der Messschaltung zeigen die Abb. 7 und 8. Bei offenem Eingang tritt - insbesondere in den kleinsten Messbereichen - ein gewisser Zeigerausschlag auf, hervorgerufen durch eine interne Aufladung der Eingangskapazität; die Spannungsmessung bei angeschlossener Messschaltung wird hierdurch nicht beeinträchtigt.

Abb. 7: Prinzipschaltung zur Spannungsmessung mit Kabelabschirmung als Erdleitung. Abb. 8: Prinzipschaltung zur Spannungsmessung mit gesonderter Erdleitung.

3.3.1. Hinweise zur Messung an Kondensatoren und hohen Widerständen

Die Arbeitsweise des im Gerät benutzten Operationsverstärkers bedingt, dass am Verstärkereingang ein kleiner Strom I_E ≤ 3 · 10^-13 A fließt. Dieser verursacht an einem angeschlossenen Außenwiderstand R_a, eine Spannung ΔU = I_E · R_a, die sich jedoch wegen der Kleinheit von I_E nur bei sehr großem R_a praktisch bemerkbar macht. Für R_a ≤ 10⁸ Ohm beträgt ΔU maximal 0,03 mV, erreicht also selbst im kleinsten Messbereich 3 mV höchstens 1% des Messbereichendwertes (MBE); im Messbereich 10 V gilt das entsprechende für Außenwiderstände bis zu 3 · 10¹¹ Ohm. Dabei ist die allgemeine Bedingung, dass der Innenwiderstand eines Spannungsmessers groß gegen R_a sein muss, bei dem hohen Eingangswiderstand des Messverstärkers (R_E ≥ 10¹⁴ Ohm) ebenfalls erfüllt.

Bei Spannungsmessungen an Kondensatoren sollte deren Kapazität C wenigstens 0,1 µF betragen, damit sie durch die Eingangskapazität des Verstärkers nicht wesentlich verfälscht wird. Kleine Fehlerquellen, die eine unbeabsichtigte Entladung des Kondensators bewirken, sind einmal der über den Eingangs- und Isolationswiderstand R abfließende Strom I_R und zum andern der Eingangsstrom I_E ≤ 3 · 10^-13 A des Messverstärkers. Wird die Kondensatorspannung während des Auf- oder Entladens gemessen, so muss der dabei fließende Strom groß gegen I_R und I_E sein, was wegen der Kleinheit dieser Ströme in den praktisch vorkommenden Fällen stets erfüllt sein wird. Auch bei der Spannungsmessung an einem isolierten Kondensator lässt sich I_R fast immer vernachlässigen; die Wirkung des Eingangsstromes hingegen kann sich in, den kleineren Messbereichen besonders bei niedrigen Kapazitäten bemerkbar machen. Die durch I_E in der Zeitspanne t verursachte Änderung der Kondensatorspannung beträgt ΔU = I_E · t/C je nach Ladungsvorzeichen nimmt die, Kondensatorspannung dadurch zu oder ab.
Für Kondensatoren C ≥ 1 µF ergibt sich beispielsweise in t = 100 s eine Spannungsänderung ΔU ≤ 0,03 mV, das sind also selbst im kleinsten Messbereich 3 mV höchstens 1% MBE. Für Kondensatoren C = 0,1 µF vollzieht sich die entsprechende Spannungsänderung zwar bereits in 10 s, was aber noch bequem zum Ablesen des Messwertes ausreicht. In der Praxis wird ohnehin meist mit höheren Spannungsbereichen gearbeitet, so dass eine Aufladung um 1% MBE erst in wesentlich längeren Zeitspannen erfolgt, z. B. für C = 0,1 µF im Messbereich 3 V erst in 10 s (- der kleine interne Eingangsstrom I_E (vgl. Abschnitt 3.3) bewirkt eine langsame Aufladung des Messkondensators, die sich insbesondere im kleinsten Messbereich bemerkbar macht; hier sollte deshalb das Addieren von Ladungen in einer möglichst kurzen Zeitspanne erfolgen).

3.4 Ladungsmessung Man drücke Taste »Q« und wähle mit Stufenschalter 10 den geeigneten Messbereich. Bei der elektrischen Nullpunkteinstellung ist Taste 4 gedrückt zu halten. Zur Ladungsmessung ist die benutzte Kapazität zunächst an einer geerdeten Spannungsquelle aufzuladen, ggf. über einen Sicherheitswiderstand 10 bis 50 MOhm. Für einen Kondensator zeigt dies Abb. 9; bei einem isolierten Leiter, z.B. einer Konduktorkugel, entspricht die auf Erdpotential liegende Umgebung der geerdeten Kondensatorplatte. Ein Versuchsaufbau zur Ladungsmessung ist in Abb. 10 dargestellt.

Abb. 9: Prinzipschaltung zur Ladungsmessung. Oben ↑: Aufladen des Kondensators; unten ↓: Abnehmen der Kondensatorladung.

Nachdem die spannungführende Leitung wieder von der Kapazität gelöst ist, wird mit dem Stecker des zum Messverstärker führenden Kabels die aufgebrachte Ladung abgenommen. Zuvor überzeuge man sich nochmals, dass der eingebaute Messkondensator (0,1 µF) ladungsfrei ist und entlade ihn ggf. mit Taste 4. Es ist zweckmäßig, das abgeschirmte Kabel an einem Isolierstiel zu haltern, der noch mit einer kleinen Konduktorkugel versehen werden kann; zum Abstellen eignet sich ein Tonnenfuß. Sollen auf den Messkondensator mehrmals nacheinander Ladungen aufgebracht und dort addiert werden, so darf man zwischendurch Taste 4 nicht drücken.

Abb. 10: Versuchsaufbau zur Ladungsmessung an der großen Konduktorkugel (d = 120mm);
als Spannugsquelle ist das Hochspannungsgerät 7 kV- verwendet, als Spannungsmesser dient das statische Voltmeter 7,5 kV

Damit die auf dem Kondensator sitzende Ladung möglichst vollständig abgenommen wird, muss seine Kapazität C_a klein gegen die Kapazität C_M des Messkondensators sein; man kann also praktisch mit Kapazitäten C_a ≤ 1 nF arbeiten. Bei größeren Kapazitäten C_a wird nur ein mehr oder weniger großer Anteil Q' der Gesamtladung Q abgenommen. Die Ladung Q errechnet sich aus dem vom Messgerät angezeigten Wert Q' durch Multiplikation mit einem Korrekturfaktor:

4. Technische Daten

Die Angaben sind Richt- und keine Garantiewerte; sie gelten für Umgebungstemperatur 25°C und rel. Luftfeuchte ≤ 50%

Strommessung

R_E = Eingangswiderstand;
R_a = Außenwiderstand;
k_Ü = Überlastfaktor.

Genauigkeit (ohne Berücksichtigung des Messfehlers des angeschlossenen Instrumentes)

Spannungsmessung

Messbereiche    3 mV, 10 mV, 30 mV, 100 mV, 300 mV, 1 V, 3 V, 10 V

Genauigkeit (ohne Berücksichtigung des Messfehlers des angeschlossenen Instrumentes) ± 1 %

Ladungsmessung

Messbereiche    0,3 nAs, 1 nAs, 3 nAs, 10 nAs, 30 nAs, 100 nAs, 300 nAs,1000 nAs

Genauigkeit (ohne Berücksichtigung des Messfehlers des angeschlossenen Instrumentes)