Signalkopplung

TEILE UND MATERIALIEN

• 6-Volt-Batterie
• Ein Kondensator, 0,22 µF (Radio Shack Katalog # 272-1070 oder gleichwertig)
• Ein Kondensator, 0,047 µF (Radio Shack Katalog # 272-134 oder gleichwertig)
• Kleiner „Hobby“-Motor, Typ mit Permanentmagnet (Radio Shack-Katalog Nr. 273-223 oder gleichwertig)
• Audiodetektor mit Kopfhörer
• Länge des Telefonkabels, mehrere Meter lang (Radio Shack Katalog # 278-872)

Telefonkabel sind auch im Baumarkt erhältlich. Für dieses Experiment ist jedes ungeschirmte mehradrige Kabel ausreichend. Kabel mit dünnen Leitern (Telefonkabel haben normalerweise 24 Gauge) haben einen ausgeprägteren Effekt.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 2, Kapitel 7:„Mischfrequenz-Wechselstromsignale“

Lektionen in Stromkreisen , Band 2, Kapitel 8:„Filter“

LERNZIELE

• Um zu lernen, wie man AC-Signale „koppelt“ und DC-Signale an ein Messgerät blockiert
• Um zu erfahren, wie Streukopplung in Kabeln auftritt
• Um Techniken zu bestimmen, um die Kopplung zwischen Kabeln zu minimieren

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Verbinden Sie den Motor über zwei der vier Adern des Telefonkabels mit der Batterie. Der Motor sollte wie erwartet laufen. Verbinden Sie nun den Audiosignaldetektor über die Motorklemmen mit dem 0,047-µF-Kondensator in Reihe, wie folgt:

Sie sollten in den Kopfhörern ein „Summen“ oder „Jaulen“ hören können, das die vom Motor erzeugte Wechselspannung darstellt, wenn die Bürsten den Kontakt mit den rotierenden Kommutatorstäben herstellen und unterbrechen.

Der Serienkondensator dient als Hochpassfilter, sodass der Detektor nur die Wechselspannung an den Motorklemmen empfängt, keine Gleichspannung. Genau auf diese Weise bieten Oszilloskope eine „AC-Kopplung“-Funktion, um den AC-Anteil eines Signals ohne DC-Biasspannung zu messen:Ein Kondensator wird in Reihe mit einer Prüfspitze geschaltet.

Idealerweise erwartet man an den Klemmen des Motors nur reine Gleichspannung, da der Motor direkt parallel zur Batterie geschaltet ist. Da die Klemmen des Motors elektrisch mit den jeweiligen Klemmen der Batterie verbunden sind und die Batterie eine konstante Gleichspannung aufrechterhält, sollte an den Motorklemmen nichts als Gleichspannung erscheinen, oder?

Nun, aufgrund des internen Widerstands in der Batterie und entlang der Leiterlängen erzeugen vom Motor gezogene Stromimpulse oszillierende Spannungs-„Einbrüche“ an den Motorklemmen, wodurch das vom Detektor hörbare Wechselstrom-„Rauschen“ verursacht wird:

Verwenden Sie den Audiodetektor, um die „Rausch“-Spannung direkt über der Batterie zu messen. Da das Wechselstromrauschen in dieser Schaltung durch pulsierende Spannungsabfälle entlang von Streuwiderständen erzeugt wird, sollten wir umso weniger Rauschspannung erkennen, je weniger Widerstand wir messen:

Sie können auch den Rauschspannungsabfall entlang eines der Telefonkabeladern messen, die den Motor mit Strom versorgen, indem Sie den Audiodetektor zwischen beiden Enden eines einzelnen Kabeladerns anschließen. Das hier erkannte Rauschen stammt von Stromimpulsen durch den Widerstand des Drahtes:

Nachdem wir nun festgestellt haben, wie Wechselstromrauschen in dieser Schaltung erzeugt und verteilt wird, lassen Sie uns untersuchen, wie es gekoppelt ist zu benachbarten Drähten im Kabel. Verwenden Sie den Audiodetektor, um die Spannung zwischen einem der Motoranschlüsse und einem der unbenutzten Drähte im Telefonkabel zu messen. Der 0,047-µF-Kondensator wird in dieser Übung nicht benötigt, da zwischen diesen Punkten sowieso keine Gleichspannung liegt, die der Detektor erkennen könnte:

Die hier erkannte Rauschspannung ist auf Streukapazitäten zwischen benachbarten Kabelleitern zurückzuführen, die einen Wechselstrom-„Pfad“ zwischen den Drähten erzeugen. Denken Sie daran, dass kein Strom tatsächlich durchgeht eine Kapazität, aber das abwechselnde Laden und Entladen einer Kapazität, sei es beabsichtigt oder unbeabsichtigt, bietet Wechsel Strom eine Art Pfad.

Wenn wir versuchen würden, ein Spannungssignal zwischen einem der nicht verwendeten Drähte und einem gemeinsamen Punkt mit dem Motor zu leiten, würde dieses Signal mit Rauschspannung vom Motor verunreinigt. Dies kann sehr nachteilig sein, je nachdem, wie viel Rauschen zwischen den beiden Schaltkreisen eingekoppelt wurde und wie empfindlich ein Schaltkreis auf das Rauschen des anderen reagiert.

Da das primäre Kopplungsphänomen in dieser Schaltung kapazitiv ist, werden höherfrequente Rauschspannungen stärker gekoppelt als niederfrequente Rauschspannungen.

Wenn das zusätzliche Signal ein Gleichstromsignal ohne erwarteten Wechselstrom wäre, könnten wir das Problem des gekoppelten Rauschens durch „Entkoppeln“ des Wechselstromrauschens mit einem relativ großen Kondensator, der über die Leiter des Gleichstromsignals geschaltet ist, mildern. Verwenden Sie zu diesem Zweck den 0,22 µF-Kondensator, wie gezeigt:

Der Entkopplungskondensator wirkt als praktischer Kurzschluss zu jeder Wechselspannungs-Rauschspannung, ohne die Gleichspannungssignale zwischen diesen beiden Punkten zu beeinflussen. Solange der Wert des Entkopplungskondensators deutlich größer ist als die Streukapazität der „Kopplung“ zwischen den Leitern des Kabels, wird die AC-Rauschspannung auf einem Minimum gehalten.

Eine andere Möglichkeit, gekoppeltes Rauschen in einem Kabel zu minimieren, besteht darin, zu vermeiden, dass sich zwei Stromkreise einen gemeinsamen Leiter teilen. Schließen Sie zur Veranschaulichung den Audiodetektor zwischen den beiden unbenutzten Drähten an und achten Sie auf ein Rauschsignal:

Zwischen zwei beliebigen ungenutzten Leitern sollte weit weniger Rauschen festgestellt werden als zwischen einem ungenutzten Leiter und einem im Motorstromkreis verwendeten. Der Grund für diese drastische Reduzierung des Rauschens ist, dass Streukapazitäten zwischen Kabelleitern dazu neigen, die gleichen zu koppeln Störspannung an beide der ungenutzten Leiter zu ungefähr gleichen Anteilen.

Beim Messen der Spannung zwischen Bei diesen beiden Leitern „sieht“ der Detektor nur den Unterschied zwischen zwei ungefähr identischen Rauschsignalen.