Zunächst erzeugen wir eine Wechselspannung, die wir zwischen den beiden Platten anlegen. Diese Spannung wird von einem Mikrocontroller (Arduino) erzeugt. Sie haben eine Spannung im Bereich UARDUINO=[0V .. 5V] für die Quelle zur Verfügung.
Weil keine negativen Spannungen zur Verfügung stehen, müssen wir die Wechselspannung um 2,5V nach oben verschieben. Der maximale Spitzenwert beträgt dann 2,5V. Wir erzeugen also die Spannung
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. Hilfestellung
Modellieren Sie die reale Quelle in für f = 1kHz Multisim. Nehmen Sie einen Innenwiderstand von R_i=1kΩ ab. Nutzen Sie dafür ideale OPs (3-Terminal-OP) ohne Versorgungsspannungen. Setzen Sie für die Medienimpedanz ab jetzt folgende Werte ein: RM = 10kΩ und CM = 10nF. Visualisieren Sie Spannung und Strom am Medium in Multisim. Können Sie eine Phasenverschiebung des Stroms gegenüber der Spannung erkennen?
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