2000-mA-DC-Messbereich für Hand-Multimeter Bereichserweiterung durch Präzisionsverstärker

Hand-Multimeter verfügen im Allgemeinen über zwei Eingänge zum Messen von Gleichströmen. Einer davon ist meist für Ströme bis 200 mA vorgesehen und der andere für Ströme bis 10 A oder 20 A. Für Messungen im dreistelligen Bereich oberhalb von 200 mA ist man somit auf den 20-A-Bereich mit reduzierter Genauigkeit angewiesen.

Das Multimeter kann jedoch ohne größere Modifikationen mit einem zusätzlichen Messbereich bis 2000 mA ausgestattet werden. Hierzu muss lediglich die in Bild 1 gezeigte Schaltung hinzugefügt werden.

Bei dem in grau wiedergegebenen Teil handelt es sich um die bereits existierende Schaltung für die niedrigeren Gleichstrom-Messbereiche. Für den zusätzlichen 2000-mA-Messbereich wird auf den 0,01-Ω-Messwider-stand des Hochstromeingangs zurückgegriffen. Aufgrund der Verstärkung von 100 durch den Operationsverstärker wird die Empfindlichkeit des Messwiderstands von 10 mV/A auf 1 V/A angehoben. Da diese Spannung aber intern nicht mit dem A/D-Umsetzer des Messgeräts verbunden ist, wird ein separater Strompfad benötigt. Mit Hilfe einer Leitung lässt sich die Spannung stattdessen extern über den Spannungseingang des Multimeters zum ADU führen. Wird für die Spannungsmessung der 2000-mV-Messbereich benutzt, gibt der angezeigte Wert den Strom in mA an. Bild 2 zeigt einen Schaltplan, aus dem die nötigen Verbindungen für Messungen mit dem 2000-mA-Bereich hervorgehen.

Leider mangelt es dem Messwiderstand häufig an Genauigkeit. Die nicht selten einige Prozent betragende Abweichung vom Nennwert hat einen erheblichen Verstärkungsfehler zur Folge. Mit dem Potenziometer lässt sich dieser Verstärkungsfehler aber auf Null reduzieren, wobei ein präzises Messgerät oder eine Stromquelle als Referenz verwendet werden sollte.

Wegen des sehr hohen Verstärkungsfaktors muss der Offset des Verstärkers beachtet werden. Der nur 7,5 µV betragende Eingangs-Offset-Fehler des hier benutzten Verstärkers wird auf 750 µV verstärkt. Bei einem 3½-stelligen Digitalmultimeter entspricht dies im 2000-mV-Bereich weniger als einem LSB (1 mV). Der Offset kann in diesem Fall also vernachlässigt werden.

Die Verstärkerschaltung stellt eine zusätzliche Stromlast für die Batterie des Messgeräts dar. Der Präzisionsoperationsverstärker MAX44244 von Maxim Integrated ist jedoch sehr sparsam und nimmt bei Zimmertemperatur maximal 160 µA auf. Größer ist der Anstieg der Stromaufnahme durch die Rückkopplungswiderstände, deren Beitrag bei Messungen am Hochstromeingang im zweistelligen Mikroamperebereich liegt. Eine Messung ergibt, dass das Multimeter selbst bei Strommessungen rund 600 µA aufnimmt. Das Hinzufügen des Operationsverstärkers lässt die Stromaufnahme also nur moderat ansteigen, so dass keine signifikant schnellere Entladung der Batterie zu befürchten ist.

Bilder: 4

Implementierung bei Digitalmultimeter, Bilder 3 bis 6

Implementierung bei Digitalmultimeter in Bilder 3 bis 6.

Implementierung

In Bild 3 ist die zusätzliche Schaltung in einem typischen 3½-stelligen Digitalmultimeter zu sehen.

Bild 4 zeigt die Anzeige bei 0 mA. Der Offset des Verstärkers ist so gering, dass er sich nicht auf die Anzeige des 3½-stelligen Messgeräts auswirkt. Das 5½-stellige Messgerät dagegen zeigt einen Offset-Wert von rund 480 µV an, was auf einen Eingangs-Offset-Fehler von unter 5 µV schließen lässt.

Bild 5 und Bild 6 zeigen die Verbesserung bei einer Messung knapp oberhalb des 200-mA-Bereichs. Dank der vorgenommenen Modifikation lässt sich der Strom präzise messen. Mit dem 10-A-Messbereich wird der Wert dagegen nicht mit so hoher Auflösung angezeigt, da nur zwei Stellen zur Verfügung stehen. Wegen des Verstärkungsfehlers ist auch die Genauigkeit nicht sehr hoch. Statt 0,32 sollte die Anzeige 0,30 lauten. Der Fehler beträgt also 0,02/0,30, d.h. über 6 %.

Nach Unterlagen von Fons Janssen (Maxim Integrated)