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Wechselstrom-Messwiderstände als Mikropotentiometer für Kalibrierungen im Millivolt-Bereich

07.12.2006

Mikropotentiometer werden seit langem zur rückführbaren Erzeugung kleiner Wechselspannungen bei der Kalibrierung von Messgeräten eingesetzt. Da vielfach die Ausgangsimpedanz des Mikropotentiometers nicht vernachlässigbar klein gegenüber der Eingangsimpedanz des Messgerätes ist, müssen Korrekturen angebracht werden, die die Messunsicherheit der Kalibrierung vergrößern.
Eine Möglichkeit zur Verringerung des Korrektureinflusses ist ein kleinerer Ausgangswiderstand des Mikropotentiometers, welches dann, um weiterhin die geforderte Ausgangsspannung zu liefern, mit einer höheren Stromstärke betrieben werden muss. Dazu ist ein Strommesswiderstand (Shunt) nötig, da planare Thermokonverter, die zur Strommessung eingesetzt werden, nur für Stromstärken bis etwa 20 mA verfügbar sind.
Seit einiger Zeit sind Wechselstrom-Shunts verfügbar, die bis zu Frequenzen von 1 MHz Wechsel-Gleich-Transferdifferenzen von nur einigen zehn µΩ/Ω mit einer vernachlässigbar geringen Abhängigkeit von der Stromstärke aufweisen. Diese hervorragenden Eigenschaften ergeben sich aus einer Parallelschaltung von bis zu 200 Widerständen in SMD-Gehäusen mit induktivitätsarmer Zuführung des Messstromes. Verwendet man einen solchen Shunt zur Erzeugung der Ausgangsspannung und einen weiteren zur Stromstärkemessung in Verbindung mit einem Thermokonverter, so erhält man ein Mikropotentiometer mit einem geringen Ausgangswiderstand. Die planaren Thermokonverter können über einen Stromstärkebereich von 10 zu 1 betrieben werden, so dass pro Spannungs-Dekade nur ein Mikropotentiometer aufgebaut und kalibriert werden muss. Mit drei Mikropotentiometern kann somit der benötigte Bereich von 100 mV bis 100 µV abgedeckt werden.
Mit dem gewählten Ausgangswiderstand von ca. 1 Ohm pro Volt Nenn-Ausgangsspannung erhält man Ausgangsimpedanzen, die um den Faktor 100 geringer sind als bisher üblich. Allerdings wird zum Betrieb eine Stromstärke von bis zu 1 A benötigt, die nur von einem breitbandigen Transkonduktanzverstärker geliefert werden kann. Kommerziell erhältliche Verstärker weisen hierfür meist nicht die erforderliche Stabilität auf oder ihre Bandbreite ist nicht ausreichend. Daher wurde ein stabiler, schneller Transkonduktanzverstärker entwickelt, dessen Prototypversion bereits mit gutem Erfolg eingesetzt wird.
Durch die geringe Ausgangsimpedanz werden die Korrekturen vernachlässigbar klein und die Messunsicherheiten konnten im Frequenzbereich bis 1 MHz deutlich verringert werden.