Wechselspannungsquelle

Zunächst erzeugen wir eine Wechselspannung, die wir am Medium anlegen. Diese Spannung wird von einem Mikrocontroller (Arduino) erzeugt. Sie haben eine Spannung von im Bereich UARDUINO=[0V .. 3,3V] für die Quelle zur Verfügung.

Aufgabe

Überlegen Sie, wie eine Wechselspannung in diesen nur positiven Spannungsbereich passt. Welchen Spitzenwert setzen Sie dafür an? Zeichnen Sie den Zeitverlauf der Spannung bei f = 1kHz. Lesen Sie dafür erstmal nicht weiter.

Wir brauchen eine verschobene Wechselspannung. Der Mittelwert der Spannung beträgt 3,3V/2. Der Spitzenwert ebenfalls. Der Arduino kann diese verschoben Spannung ausgeben. Wie er das macht lernen Sie im nächsten Semester.

Eine solche Quelle modellieren wir als Reihenschaltung aus Gleich- und Wechselspannung. In der Reihenschaltung werden die Spannungen beider Quellen addiert. Die Gleichspannungsquelle (DC) verschiebt durch die Addition die Wechselspannung (AC) nach oben.

Reale Spannungsquellen weisen einen Innenwiderstand auf. Der Innenwiderstand der Quelle bildet mit der Medienimpedanz einen Spannungsteiler. Die Spannung der Quelle wird deshalb nicht vollständig in das Medium eingekoppelt. Das ist ärgerlich.

Der Anteil der Quellenspannung, der in das Medium einkoppelt, sollte möglichst groß sein. Er wird mit steigendem Innenwiderstand der Quelle immer kleiner. Der Arduino erzeugt eine Wechselspannung mit relativ hohem Innenwiderstand. Deshalb brauchen wir eine Schaltung zwischen Medium und Quelle, die beide Schaltungsteile entkoppelt.

Aufgabe

Zeichnen Sie eine Schaltung zur Entkopplung der Quelle mit Innenwiderstand vom Medium. Ziel ist es, dass die Spannung der Quelle vollständig in das Medium eingekoppelt wird. Lassen Sie dafür zunächst das Amperemeter weg.

Modellieren Sie die Quelle in für f = 1kHz Multisim. Nutzen Sie dafür ideale OPs (3-Terminal-OP) ohne Versorgungsspannungen. Nutzen Sie für die Medienimpedanz ab jetzt folgende Werte: RM = 10kΩ und CM = 10nF.

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