Denksportaufgabe Verlustarme Ankopplung Schwingkreis

    Hallo liebe OMs,
    bei eines meiner Projekte geht es um die Messung von Parallelschwingkreisen, genauer gesagt um die Messung der Amplitude oder des Stroms der Schwingung.
    Die Frage ist nun, wie kann ich die Messung der Spannung oder des Stroms so durchführen, dass der Schwingkreis möglichst wenig beeinflußt wird. Oder anders ausgedrückt, wie kann ich an den Schwingkreis mit einer minimalen Dämpfung für eine Messung ankoppeln. Oder nochmals anders ausgedrückt die Betriebsgüte soll möglichst nahe an der Leerlaufgüte liegen.
    Die Rahmenparameter sind Leerlaufgüten größer Q > 200 und Frequenzen im Bereich 1 - 100 MHz.
    Aktuell mache ich das über eine Spannungsmessung durch kapazitive Ankopplung per Dual-Gate MOSFET als Impedanzwandler. Welche anderen, noch besseren Methoden gibt es? Der Parallelschwingkreis kann ggf. auch aufgetrennt werden.
    Ich hoffe auf eine rege Teilnahme an der Diskussion. Hier im Forum gibt es doch viele OMs mit guter Erfahrung und gutem Wissen!
    Vy 73 Michael, DG5MK

    Hallo Gerhard,
    danke für die Info. Aber es geht nicht um einen alternativen Messweg, sondern tatsächlich um die Messung per Spannung / Strom an dem Schwingkreis (angestoßene Eigenschwingung) unter minimalster Dämpfung des Kreises. Gefragt sind optimale Anbindungen kapazitiv, induktiv, ohmisch und je nach gewähltem Weg die Frage nach der folgenden Pufferstufe zur Messung. Andere Verfahren (Brücke, Resonanzverfahren, VNA IV Messung etc. ) stellen alles andere Messverfahren dar, mit jeweiligen Vor- und Nachteilen. Wie gesagt löse ich es aktuell mit einer Schaltung analog eines aktiven Tastkopfes. Aber da gibt es doch sicherlich noch mehr, evtl. besseres?
    vy 73 Michael

    Hallo Michael,


    eine Spannung oder einen Strom mit einem Schaltkreis zu messen ohne einen Einfluss darauf zu nehmen ist meines Wissens nicht möglich. Alle gängigen Verfahren erhalten die Messgröße, indem sie eine gewisse Menge Energie auskoppeln und daraus die Messung machen.


    Du möchtest jetzt möglicht eine Schwingung nicht dämpfen aber gleichzeitig die Amplitude (zumindest relativ) und Frequenz erfassen. Ich hoffe, ich habe Deine Anforderungen richtig verstanden.


    Resistive Auskopplug (Spanungsteiler): hier wäre zu rechnen, welche Belastung Du dem Schwingkreis zumuten kannst, bzw. bis zu welcher Güte Du messen möchtest. Problem: alle Leitungen haben auch ein C gegen Umgebung d.h. bei höheren Rs wirst Du vermutlich am RC Tiefpass für höhere Frequenzen (100MHz? ) begrenzt werden.


    Induktive Auskopplung: löst das Problem nur zum Teil da Du die Impedanz durch das Übersetzungsverhältnis ändern kannst. Problem: Du müsstest aus der zu messenden Spule auskoppeln (aber mit welcher Güte). Mit dem Strom könnte man z.B. einen bipolaren Transistor (Darlington) als Verstärker betreiben. Bei hoher Verstärkung sollte sich eine hohe Impedanz, also geringe Verluste ergeben.


    Kapazitive Auskopplung: auch hier werden Ströme aus dem Schwingkreis ausgekoppelt. Großer Vorteil: Es gibt Bauelemente, die aus einer Spannung einen Strom machen können (MOSFET) und die Spannung hauptsächlich kapazitiv belasten. Da Du aber sowieso schon eine kapazitive Belastung des zu messenden Schwingkreises hast, da Du ihn ja erst einmal anstoßen musst und somit eine Leitung dahin brauchst. Auch der Schalter zum trennen ist selbst ideal immer noch eine Kapazität.


    Diesen kapazitiven Weg hast Du aber schon eingeschlagen. Die Frage ist also, welche zusätzliche Kapazität verkraften Deine Messobjekte ? Und um die Güte nicht zu verfälschen sollten die additiven Kapazitäten eine hohe Güte haben, d.h. es sollte möglichst nicht zu resistiven Verlusten in den Strompfaden durch die Kapazitäten kommen. Falls es also die Messgenauigkeit erlaubt, sollte die kapazitive Auskopplung auf den MOSFET ggf. nach einem kapazitiven Spannungsteiler erfolgen, so dass die Verluste durch die Messung möglichst reduziert werden. Die Kapazität sollte auch möglichst über die Amplitude konstant sein, welches dann in der Auswertung ein Korrektur der Kapazität des Schwingkreises erlaubt.


    Das waren jetzt erst einmal ein paar grundsätzliche Überlegungen zum generellen Verfahren, die aber auch zum Diskutieren anregen sollen. Es sind da schon einige Annahmen enthalten, die andere ggf. anders setzen würden.


    Falls man den Pfad der kapazitiven Auskopplung weiter verfolgen möchte, wird man um die Diskussion der Schaltung und Ihrer Analyse der Verlustpfade nicht herum kommen. Bei den angedachten Frequenzen bis 100MHz werden viele parasitäre Elemente (Leitungsinduktivitäten, Leitungskapazitäten, usw. ) einen Einfluss auf die Schaltung und den Schwingkreis selbst haben (Manchmal kann "möglichst kurz" auch noch nicht kurz genug sein).


    vy 73 de Karsten, DD1KT

    Hallo Michael,


    interessantes Thema aber auch recht speziell und komplex. Als jahrelanger Leser der Zeitschrift Funkamateur habe ich mal im Archiv gesucht und einige Artikel kurz überflogen. Dort werden sicher viele Deiner Fragen beantwortet, Tipps für die Praxis gegeben und vieles mehr. Vielleicht ist es effektiver auf vorhandene Artikel zurück zu greifen, keine grad einfache Materie!? Bitte nicht falsch verstehen, schön wenn noch weitere Beiträge von Anderen hier folgen! :)


    Beste Grüße,


    Ingo.

    Hi,


    warum so umständlich?
    gutes Oszilloskop, d.h. ausreichende Grenzfrequenz und Empfindlichkeit, und 1:100 Tastkopf. In der Dokumentation des letzteren ist zu finden, welcher Widerstand und welche Parallelkapazität in die Messung eingeht. Das wäre die Spannungsmessung.
    Strommessung mit gleichem Gerät + geeignete Strommesszange oder einfach Stromwandler (Ringkern) über Verbindung Spule-Kondensator des zu untersuchenden Schwingkreises (wenn man denn Leitungen im Meßobjekt auftrennen will).
    Ersteres (Spannungsanzeige) gefühlte 100 000 Mal im Laboralltag praktiziert.
    Im Elfenbeiturm sitzende Theoretiker dürfen auf mich einschlagen (die tue ich nicht einmal ignorieren ;) )
    73
    J.

    Karsten, Ingo, Jörg,
    danke für Eure Antworten. Konkret geht es um die Verbesserung meines LCQ-Meters welches auch in 11/2015 in der CQDL vorgestellt wurde (alles Open Source). Hier wird die Güte eines Parallelschwingkreises über die Messung der Amplitude einer ausklingenden Schwingung bestimmt.
    Jörg, aktuell setzte ich zwecks Spannungsmessung eine Schaltung ein, die ziemlich genau der eines aktiven Tastkofes entspricht. Im Bereich von ein paar MHz ist das auch ok. Bei mehr als 10 MHz ist jedoch die Belastung des Schwingkreises auch durch solch einen 'Tastkopf' relevant. 2 pF stellen bei 50 MHz eine Impedanz von nur rund 1600 Ohm dar. Dies ist eine ganz erhebliche Belastung des Schwingkreises. Allerdings ist die Sache nicht ganz so schlimm da diese 2 pF als Kapazität wirken und nur die Resonanzfrequenz leicht verändern. Die eigentliche Dämpfung geschieht durch einen ohmschen Anteil des 'Tastkopfes', zumeist durch einen ohmschen Einganswiderstand des zumeist verwendeten MOSFET. Laut Datenblatt BF998 sind dies 100 kOhm bei 50 MHz. Leider für die Messung von hohen Güten nicht ganz zu vernachlässigen.
    @Karsten, ich denke Deine Überlegungen gehen schon in die richtige Richtung. Viele professionelle Geräte arbeiten mit einer induktiven Auskopplung (Stromprobe). Es findet eine Widerstandstransformation statt, aber warum siehst Du das als Problem an, deine Bemerkung mit der sich ändernden Impedanz ist mir unklar. Auch Du scheinst die kapazitive Auskopplung als MIttel der Wahl anzusehen. Einer Verwendung eines zusätzlichen, hochwertigen kapazitiven Spannungsteilers zwecks Auskopplung spricht nichts entgegen. Allerdings wird die gemessene Spannung dann entsprechend klein und muß wieder verstärkt werden... Gibt es dimensionierte Schaltungen dazu? Man muß das Rad ja nicht jedesmal neu erfinden....
    73 Michael