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Schaltung zur Messung der Effektivwerte von insbesondere kleinen Spannungen und Strömen
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Messung der Effektivwerte von insbesondere kleinen
Spannungen und Strömen, mit einem Messwerk und einer diesem vorgeschalteten Halbleiter-Gleich- richteranordnung. Ziel der Erfindung ist eine möglichst weitgehende Angleichung der Kennlinie der
Gleichrichteranordnung an die exakte Parabel.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Gleichstromseite der Gleichrichteranordnung zumindest ein spannungsabhängiger Widerstand parallel geschaltet ist. Nach einem weiteren Merkmal der
Erfindung sind die spannungsabhängigen Widerstände von in Sperrichtung geschalteten Backward,
Dioden und die Elemente der Gleichrichteranordnung von in Durchlassrichtung geschalteten Backward,
Dioden gebildet.
In den Zeichnungen zeigen die Fig. 1 bis 5 zum Stande der Technik gehörende Schaltungen und Diagramme zur Erläuterung derselben, während in Fig. 6 das Prinzip der erfindungsgemässen Schaltung gezeigt ist.
Für viele messtechnische Aufgaben der industriellen Praxis besteht ein Bedürfnis nach Messung von Effektivwerten von Wechselspannungen und Wechselströmen.
Eine Reihe von Messprinzipien und Messverfahren zur Erfassung des Effektivwertes sind bereits bekannt. Die nach diesen bekannten Messprinzipien aufgebauten Messgeräte unterliegen jedoch gewissen Beschränkungen, die z. B. durch den Frequenzgang bei Dreheisengeräten und Dynamometern, durch die geringe Überlastbarkeit von Thermoumformern, den hohen Eigenverbrauch von Hitzdrahtinstrumenten und die nur geringe Spannungsempfindlichkeit von elektrostatischen Messgeräten bedingt sind.
Um diese Schwierigkeiten nach Möglichkeit zu umgehen ist es üblich, zur Strom-und Spannungsmessung Drehspulinstrumente mit Gleichrichtern zu verwenden. Diese Instrumente zeigen überwiegend den linearen Mittelwert der Spannung bzw. des Stromes an, die Skalen dieser Geräte sind aber für sinusförmigen Verlauf dieser Grössen in Effektivwerten geeicht. Bei Abweichungen des Verlaufes dieser Grössen von der Sinusform müssen Messfehler in Kauf genommen werden.
Um diesen Fehler klein zu halten sind bereits Schaltungen entwickelt worden, die durch die Verwendung von Dioden eine durch einen Linienzug gegebene Kennlinie haben, welche sich an die für die genaue Messung erforderliche quadratische Kennlinie annähert. Dieser Verlauf der Kennlinie nach einem Linienzug wird durch die Anordnung eines Netzwerkes aus jeweils zum Messwerk in Serie geschalteten Dioden erreicht. Eine solche Schaltung ist in vereinfachter Form in der Fig. 1 gezeigt. Der in Grätzschaltung aufgebaute Gleichrichter ist mit-Gl--bezeichnet ; parallel zur Gleichstromseite dieses Gleichrichters ist ein Spannungsteiler aus den Widerständen-R t und R :- gelegt, an dessen Abgriffspunkt eine Diode --D2 -- angeschlossen ist.
Vom einen Ende dieses Spannungsteilers geht die Parallelschaltung aus einem Widerstand--Rg--einerseits und der Serienschaltung aus einem weiteren Widerstand-R4-und einer zweiten Diode-Di--aus. Das Messwerk ist mit--M-- bezeichnet. In üblicher Weise ist zu diesem letzteren ein Kondensator--C--parallel geschaltet.
Diese Schaltung hat eine Reihe von Nachteilen. Unter andern müssen insbesondere die Teilerwiderstände sehr genau aufeinander abgestimmt sein, was einen sehr grossen Aufwand an
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Justierarbeit bedeutet. Weiters muss eine grössere Anzahl von Dioden, die in Serie zum Messwerk liegen, angeordnet werden, um eine möglichst gute Annäherung an die Parabel zu erreichen. Damit verbunden ist aber der Nachteil des grossen Spannungsbedarfes dieser Dioden, so dass diese Schaltung zur Messung geringer Spannungen kaum brauchbar ist. Der Verlauf der Kennlinie dieser mit zwei Dioden versehenen Schaltung ist in der Fig. 2 gezeigt, welche auch die erforderliche quadratische Kennlinie (die Parabel) erkennen lässt.
Die einzelnen Geraden sind mit Hinweisen auf die zugeordneten Dioden versehen.
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Kennlinie in Richtung zu höheren Spannungen hin verschiebt. Diese Schaltung ist insbesondere für die quadratische Gleichrichtung von höheren Strömen entwickelt worden und ist zur Gleichrichtung kleinerer Ströme unbrauchbar. Weiters hat sie auch den Nachteil, zur Bereitstellung der Fremdspannung eigene Batterien oder sonstige Spannungsquellen zu benötigen.
Die üblichen Silizium-oder Garmanium-Dioden sind wegen ihrer hohen Schwellspannung zur
Gleichrichtung geringer Spannungen nicht geeignet.
Anderseits eignen sich aber Halbleiter, welche im Nullpunkt keine waagrechte Tangente haben, z. B. die Backward-Dioden, sehr gut zur Gleichrichtung kleiner Spannungen. In Fig. 3 sind die
Kennlinien einer Siliziumdiode, einer Garmaniumdiode und einer Backward-Diode gezeigt ; diese Linien sind mit-Si, Ge bzw. Bw-gekennzeichnet. Jedoch ist die Kennlinie von Dioden infolge der unvermeidlichen Scherung durch Arbeitswiderstände gegenüber der exakten Parabel, besonders bei grösseren Aussteuerungen, immer zu flach. Diese Tatsache ist in der Fig. 4 gezeigt ; die gescherte Kennlinie ist mit-KL-bezeichnet und die Parabel (Idealkurve) mit-P--.
Die Kennlinie einer Grätzschaltung, die aus vier Dioden aufgebaut ist, die im Ursprung keine waagrechte Tangente besitzen, z. B. Backward-Dioden, kann nun dadurch angehoben werden, dass dieser Grätzschaltung ein Nebenwiderstand parallel geschaltet wird, welcher mit zunehmender Spannung seinen Widerstandswert erhöht. Zu diesem Zwecke kann eine Backward-Diode verwendet werden, die in Sperrichtung angeordnet ist ; ihr Rückwärtswiderstand bildet den gewünschten Widerstand, der mit zunehmender Spannung hochohmiger wird. In Fig. 5 ist die Widerstands-Spannungs-Kennlinie einer solchen Schaltung gezeigt.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltung ist in Fig. 6 gezeigt.
Die Gleichrichteranordnung ist von vier in Grätzschaltung angeordneten Elementen gebildet und ist mit-Gl-bezeichnet. Der Gleichstromseite dieser Gleichrichteranordnung ist ein spannungsabhängiger Widerstand--Rkl--parallelgeschaltet und weiters die Serienschaltung eines weiteren spannungsabhängigen Widerstandes--Rk2--und eines linearen, spannungsunabhängigen Widerstandes--Rr--. Die spannungsabhängigen Widerstände können durch in Sperrichtung geschaltete Backward-Dioden gebildet sein. Mit Hilfe des Widerstandes--Rr--kann die Wirksamkeit der Parallelschaltung von--Rki und Rk--in gewünschtem Ausmass verändert und angepasst werden.
Das Messwerk ist mit--W--bezeichnet.
Durch diese Schaltungsanordnung lässt sich die gegenüber der exakten Parabel zu flache Kennlinie der Grätzschaltung entsprechend korrigieren und damit ist eine gute Annäherung an die Parabel erreichbar. Im Gegensatz zu den bisher üblichen Schaltungen, die die exakte Parabel durch einen Linienzug (eine Folge von Geraden, auch"Polygenzug"genannt) annähern, lässt sich mit Hilfe der erfindungsgemässen Schaltung eine stetige Annäherungskurve erzielen, welche sich besser an die exakte Parabel anschmiegt als ein solcher Linienzug.
In Verbindung mit einem empfindlichen Drehspulinstrument lässt sich diese Schaltung zur genauen Messung des Effektivwertes kleiner Wechselspannungen auch mit stark verzerrter Kurvenform und von Wechselspannungsimpulsen mit hohem Taktverhältnis verwenden.
Vorteilhafterweise wird die Gleichrichteranordnung aus Einzelelementen gebildet, welche aus in Durchlassrichtung geschalteten Backward-Dioden bestehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltung zur Messung der Effektivwerte von insbesondere kleinen Spannungen und Strömen, mit einem Messwerk und einer diesem vorgeschalteten Halbleiter-Gleichrichteranordnung,
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