Einrichtung zum Messen von Spitzenspannungen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine EinrichW tung zum Messen von Spitzenwerten einer wellenförmigen Spannung, z. B. einer Wechselspannung oder einer pulsierenden Gleichspannung, mit einem Stromkreis zur Erfassung des Spitzenwertes, welcher Stromkreis einen Kondensator enthält, der Ladungen proportional zu dem Spitzenwert einer Eingangsspannung akkumulieren kann.
Die bisher bekannten Einrichtungen zur Ermittlung von Signalen, die den Wert Null-Spitze oder Spitze-Spitze einer Wellenform bestimmen, verwenden gewöhnlich einen Kondensator, in welchem die gleichgerichtete Eingangsspannung während einer Halbwelle gespeichert wird, so dass sich eine dem Spitzenwert entsprechende Gleichspannung ausbildet.
Zwischen den Halbwellen eines Vorzeichens bzw. zwischen zwei Polaritätsumkehrpunkten entlädt sich dabei der Kondensator über eine parallel liegende Widerstands anordnung wenigstens teilweise. Um zu erreichen, dass die Ladung auf dem Kondensator weitgehend' genau dem Spitzenwert entspricht, ist es erforderlich, dass die Zeitkonstante des Entladewidler- standes und des Kondensators relativ gross ist. Für einige Anwendungen ist diese grosse Zeitkonstante ohne nachteilige Folgen; bei anderen Anwendungen ist es jedoch erforderlich, dass sich die Spitzenspannung schnell senkt und gegebenenfalls auf Null zurückgeht, wenn das Eingangssignal absinkt oder ausbleibt.
Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Bestimmung des Spitzenwertes einer sich mit der Zeit ändernden Wechselspannung oder einer pulsierenden Gleichspannung zu schaffen, welche sehr schnell anspricht und sowohl einem Absinken als auch einem Anstieg des Eingangssignals schnell folgt, während sie den Spitzenwert infolge einer grossen Entladungszeitkonstanten sowohl bei unverändertem Spitzenwert als auch bei ansteigenden Spitzen des Eingangssignals relativ lange aufrechterhält.
Die Einrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch eine sekundäre Steuerspannungsquelle, die bei gleichbleibender Eingangsspannung eine Spannung abgibt, die grösser ist als die Spannung an dem genannten Kondensator, durch eine nur in einer Richtung leitende Vorrichtung, die zwischen der sekundären Steuerspannungsquelle und dem Kondensator derartig eingeschaltet ist, dass diese Vorrichtung bei gleichbleibendem Eingangssignal nicht leitend ist, jedoch einen Entladungspfad darstellt für die auf dem Kondensator gespeicherte Spannung, wenn bei sich ändernder Eingangsspannung die Spannung der sekundären Steuerspannungsquelle unter diejenige des Kondensators absinkt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung soll anschlie ssend anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 das Linienschaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung des Spitzenwertes einer Wechselspannung,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der während des Betriebes der Einrichtung gemäss Fig. 1 auftretenden Spannungen,
Fig. 3 das Blockdiagramm einer Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Bestimmung des Spitzenwertes und
Fig. 4 eine weitere Einrichtung zum Messen des Spitzenwertes einer Wechselspannung.
Der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung wird die Eingangsspannung über die Anschlussklemmen 1' und 2 zugeführt. Der Punkt 2 kann dabei mit der Masse des Gerätes verbunden sein. Die Eingangsspannung gelangt zu zwei in Serie liegenden Widerständen 5 und 6. Die an dem Widerstand 6 zufolge des durch ihn fliessenden Stromes entstehende Spannung E6 wird durch einen Koppelkondensator 7 auf eine Gleichrichteranordnung übertragen, die aus den Gleichrichtern 8 und 9 besteht, und von dieser Anordnung auf den Ladekondensator 10. Der bisher beschriebene Stromkreis ist im ; wesentlichen bereits der Messkreis für die Spitzenspannung.
Die an den Widerständen 5 und ! 6 entstehende Spannung Ek wird in einem Steuerkreis ausgewertet. Diese Spannung wird über einen Kondensator 11 auf eine Gleichrichteranordnung, bestehend aus den Dioden 12 und 13, übertragen. An die Gleichrichteranordnung ist ein Kondensator 14 angeschlossen, parallel zu welchem eine Entladeimpedanz oder ein Entladewiderstand 15 liegt. Die an dem Ladekondensator 10 erscheinende Spannung ist direkt mit der Ausgangsklemme 21 verbunden und ausserdem über eine Diode 17 mit demjenigen Ende des Widerstand des 15, das nicht an die Sammelleitung 2 angeschlossen ist. Die Dioden können irgendwelche in einer Richtung bevorzugt leitende Vorrichtungen sein, z. B.
Vakuumröhren oder Trockengleichrichter. Die Dioden können mit der eingezeichneten Polarität oder mit den entgegengesetzten Polaritäten angeschlossen sein. Die Verbindungspunkte zwischen den Dioden sind jeweils mit ungleichen Elementen bzw. Elektroden der Dioden verbunden. Die Widerstände 5 und 6 können direkt mit dem äussern Stromkreis verbunden sein, der die Spannung mit dem zu bestimmenden Spitzenwert abgibt, sie können jedoch auch in Serie in einem äussern Stromkreis liegen, von welchem der Spitzenstromwert gemessen werden soll.
Da der durch die Widerstände 5 und 6 fliessende Strom gleich ist, ist ohne weiteres zu ersehen, dass die an den beiden Widerständen entstehende Span nung Ek ; in Fig. 1 während des Betriebes grösser ist als die Spannung E6j, die an dem Widerstand 6 erscheint. Die Widerstände 5 und 6 können auch durch andere Impedanzen ersetzt sein.
Der Stromkreis, bestehend aus dem Kondensator 11, den Dioden 12 und 13 und dem Ladekondensator 14 arbeitet in gleicher Weise wie ein gewöhnlicher Stromkreis zur Spitzenwertbestimmung. Wäl > rend der Halbwelle bzw. Phase, in welcher die Leitung 2 positiv bezüglich der Leitung 1' ist, fliesst Strom durch die Diode 12, so dass der Kondensator 11 auf eine Spannung aufgeladen wird, die dem Spitzenwert einer Halbwelle entspricht. Die Polarität ist hierbei so, wie sie in Fig. 1 eingezeichnet ist.
In der folgenden Halbwelle ist die Leitung 1'positiv bezüglich der Leitung 2, so dass die Spannung Ek in Serie mit der Spannung liegt, die auf dem Kondensator 11 von der vorangegangenen Halbwelle her ge speichert ist. Die--Summe der beiden Spannungen wird durch die Diode 13 auf den Ladekondensator 14 übertragen, so dass dieser den Spannungswert annimmt, der dem Abstand der Spitzen zweier aufeinanderfolgender Halbwellen entspricht, welcher nachfolgend Spitze-Spitze-Spannung genannt werden soll.
In einem gewöhnlichen Stromkreis zur Bestimmung der Spitze-Spitze-Spannung ist der Widerstand 15 notwendigerweise so gross, dass er in Kombination mit dem Kondensator 14 eine grosse Zeitkonstante ergibt, um zu erreichen, dass die an dem Kondensator 14 durch Halbwellen gleicher Polarität der Eingangsspannung erzeugte Spannung während der zwischen ihnen liegenden Halbwellen, das heisst während der Halbwellen, in denen durch die Diode 13 keine Stromimpulse übertragen werden, nicht sehr absinkt. Eine derartige Bemessung der Zeitkonstante begrenzt jedoch notwendigerweise die Entladungsgeschwindigkeit des Kondensators 14, so dass, wenn das zugeführte Signal absinkt oder unterbrochen wird, der Kondensator sich nur langsam dem Wert angleicht, der dem geringeren Eingangssignal entspricht.
Um zu erreichen, dass die Spitze-SpitzSpannung an dem Ladekondensator 14 schnell absinken und dem Eingangssignal folgen kann, ist ein zweiter Stromkreis vorgesehen, der aus dem Kondensator 7, den Dioden 8 und 9 und dem Kondensator 10 besteht. Dieser Stromkreis arbeitet im wesentlichen in gleicher Weise wie der den Kondensator 14 enthaltende Stromkreis; der Kondensator 7 wird durch eine Halbwelle des Eingangssignals geladen und liegt in der nachfolgenden Halbwelle bzw. bei der ent gegengesetzten Änderung der Eingangsspannung in Serie mit der Spannung E6, so dass der Ladekondensator 10 eine Spannung erreicht, die dem Spitze Spitze-Spannungswert der Spannung EG entspricht.
Anders ausgedrückt bedeutet das, dass die an dem Kondensator 10 erscheinende Spannung gleich der Spannung E6 plus der Spannung wird, die an dem Kondensator 7 steht. Da die Spannung E6 kleiner ist als die Spannung Ek, lädt sich auch der Kondensator 10 auf einen geringeren Wert auf als der Kondensator 14.
Die an dem Kondensator 10 erscheinende Spannung ist ein Mass für die Spitze-Spitze-Spannung, wobei die Entladungszeit dieses Kondensators sehr gross ist, so dass genaue Spitzenwerte ermittelt werden können. Solange die an dem Kondensator 14 liegende Spannung E14 grösser ist als die Spannung E10, die an d ! em dem Kondensator 10 erscheint, ist die Diode 17 durch die Spannung E, 4 derart vorgespannt, dass kein Strom durch sie hindurchfliessen kann.
Da die Spannung E14 nicht als eine Anzeige für die Spitzenspannung verwendet wird', ist es nicht er forderl'ich, eine Entladung dieses Kondensators während der Halbwelle zu verhindern, in welcher keine Ladung stattfindet. Das aus dem Widerstand 15 und dem Kondensator 14 bestehende RC-Olied kann somit eine kleine Zeitkonstante besitzen. Wenn das Eingangssignal plötzlich abnimmt, entlädt sich der Kondensator 14 sehr schnell, so dass auch die Spannung E14 sehr schnell auf einen Spannungswert absinkt, der unter der Spannung Elo liegt, so dass die Polarität der an der Diode 17 liegenden Spannung umgekehrt wird.
Eine Folge hiervon ist, dass sich der Kondensator 10 über die Diode 17 und den Widerstand 15, weiche einen vergleichsweise geringen Widerstandswert darstellen, entlädt, so dass sehr schnell der neue Spitzenwert angezeigt wird.
Es ist zu ersehen, dass die Spannung E14 als sekundäre Steuerspannung dient bzw. als Vorspannung für die Diode 17, um normalerweise zu verhindern7 dass sich der Kondensator 10 entlädt und um zu erreichen, dass die Spannung Elo eine genaue Anzeige für die Spitze-Spitze-Spannung der Eingangsspannung ist. Entsprechend besteht die Aufgabe der Spannung E14 darin, ein schnelles Absinken zu ermöglib chen, wenn die Eingangsspannung absinkt, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die wesentlich grösser ist als bei gewöhnlichen Stromkreisen zur Bestimmung der Spitze-Spitze-Spannung Es hat sich als zweck mBig herausgestellt, eine Diode 17 zu verwenden, welche eine grosse Sperrimpedanz besitzt.
Eine Siliziumdiode hat sich für den vorliegenden Zweck als sehr günstig herausgestellt.
Die Bestimmung der relativen Werte von EG und Ek ergibt sich aus der unteren Grenze des Frequenzbereiches, bei welchem der Stromkreis arbeiten soll.
Bei dieser niedrigsten Frequenz hat die Steuerspannung E14, die an dem Kondensator 14 liegt, relativ grosse Entladungszeiten. Die relativen Werte der Widerstände 5 und 6 müssen nun so eingestellt werden, dass während der Entladung die Spannung E14 nicht unter den Wert von E10 absinkt, so dass sich der Kondensator 10 nicht durch Leitendwerden der Diode 17 auch nur teilweise entlädt. Der Widerstand 5 ist vorzugsweise einstellbar, so dass eine Anpassung an die jewleilige Eingangsfrequenz möglich ist. Die Beziehungen zwischen den Spannungen Eto und E14 sind schematisch in Fig. 2 dargestellt.
Aus Fig. 2 ist zu ersehen, dass bei einer Eingangs- spannung mit konstanter Amplitude die Ausgangsspannung Eto sich praktisch nicht ändert, da der Kondensator 10 auf den Spitzenwert aufgeladen wird und sich nicht entladen kann, da kein Nebenschluss vorgesehen ist. Während der positiven Halbwelle des Eingangssignals strebt die Steuerspannung E4 ebenfalls einer Spitze-Spitze-Spannung zu, die durch die an dem Kondensator 11 liegende Spannung und die Spannung Ek gegeben ist. Wenn die Eingangsspannung negativ wird, entlädt sich der Kondensator 14 über den Widerstand 15 mit einer Geschwindigkeit, die durch die Zeitkonstante dieses RC-Gliedes gegeben ist. Die Entladung setzt sich so lange fort, bis das Eingangssignal wieder positiv wird.
Die Span nung Ek soll hinreichend ! grösser sein als die Span- nung E6, was durch eine entsprechende Auswahl oder Einstellung der Widlerstandswerte der Widerstände 5 und 6 bezüglich des Widerstandswertes des Widerstandes 6 erreicht werden kann. Die Spannung Ek muss eine derartige Grösse besitzen, dass sie während der Entladung nicht unter die Spannung E10 absinkt und die Diode 17 nicht leitend werden kann, so dass die Ladung auf dem Kondensator 10 erhalten bleibt, wenn sich der Spitzenwert der Eingangsspannung nicht ändert. Um ein gutes Ansprechen zu er reichen, ist es jedoch o ; ft günstig, die Spannung E14 bis auf den Wert von E10 absinken ! zu lassen.
Um den Widerstandswert des Widerstandes R5 bezüglich einer bestimmten Frequenz optimal eins tel- len zu können, soll zur Einstellung ein Eingangssignal dieser Minimalfrequenz mit konstanter Amplitude angelegt werden. Der Widerstand 5 kann nun von einem minimalen Widerstandswert an erhöht werden, bis die Ausgangsspannung des Kreises Elo nicht mehr zunimmt. Mit dem Widerstand 5 kann eine Skala verbunden sein, die die verschiedenen Einstellungen in Abhängigkeit von der Frequenz angibt.
Die Steuerspannung Etg wurde bei dem Beispiel der Fig. 1 durch einen Stromkreis zur Bestimmung des Spitze-Spitze-Wertes geliefert, der aus den Kondensatoren 11 und 14, den Dioden 12 und 13 und dem Widerstand 15 besteht, wobei das einzige Kriterium für die Steuerspannung E14 darin besteht, dass ihre Höhe normalerweise übler der Spannung des Kondensators 10 liegt, und dass sie sich in gleicher Weise ändert wie die Signalspannung. Die Spannung E, 4 muss jedoch nicht in Phase mit der Spannung Elo liegen.
Die gegebenen Anforderungen können durch eine Reihe von bekannten Gleichrichterschaltungen erfüllt werden, wobei nicht notwendigerweise eine genaue Spitze-Spitze-Spannungsanzeige erforderlich ist. Die Spannung E14 kann beispielsweise durch einen Stromkreis erzeugt werden, der eine Spannung abgibt, die der absoluten Spitzenspannung entspricht.
Anderseits ist es auch möglich, einen spannungserhöhenden Transformator anstelle der in Serie lie genden Widerstände 5 und 6 zu verwenden, an welchen eine Gleichrichteranordnung angeschlossen ist.
Der Transformator liefert somit eine Spannung für den Stromkreis, der -die Spannung Etg abgibt, während die Eingang & klemmen d, irekt mit dem Stromkreis verbunden sind, der die Ausgangsspannung liefert.
Der Steuerspannungskreis wird somit durch eine Spannung erregt, welche sich in Abhängigkeit von der Spannung ändert, d. ie dem Kreis übermittelt wird, welcher die Ausgangsspannung erzeugt, wobei jedoch die den Steuerkreis speisende Spannung höher ist.
In Fig. 3 ist als Blockschaltbild ein Spitzenspannungsmesser 22' dargestellt, der gemäss der Erfindung mit einer Gleichspannungsanzeigevorrichtung kombiniert ist, bei der die Ausgangsspannung als Anzeige für die Eingangsspitzenspannung an einem Gleichspannungsinstrument benutzt wird. Die Eingangsspannung kann z. B. von einem Vibrationsgerät 22 abgeleitet werden, das in dem Blockdiagramm der Fig. 3 dargestellt ist, oder kann aus einer Wechselspannung oder einer pulsierenden Spannung bestehen, die gemessen werden soll. Die von der Sehaltung abgegebene Spitzenspannung kann auf einem -Gleich- spannungsanzeigelnstrurnent 23 abgelesen werden.
Fig. 4 zeigt einen Stromkreis zur Spitzenspannungsbestimmung, wobei zur Erzeugung von sowohl Elo als auch E1 Stromkreise verwendet werden, die den absoluten Spitzenwert, das heisst die Differenz SpitzeNlpotential, bestimmen Aus Fig. 4 kann ersehen werden, dass Kathodenausgangsverstärker mit Vakuumröhren 4 und 16 dazu verwendet werden, sowohl die Eingangsspannung als auch die Aus gangsspannung zu verstärken. Im übrigen sind ! gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Das Eingangssignal wird an die Anschlüsse 1 und 2 angelegt. Der Punkt 1 ist direkt mit dem Steuergitter 3 der Röhre 4 verbunden.
Die Kathode 24 der Röhre 4 ist mit der Sammellinie bzw. dem Anschlusspunkt 2 über zwei Widerstände 5 und ! 6 verbunden, die Spannungen erzeugen, die direkt von dem Eingangssignal abhängig sind. Ein positives Arbeitspotential wird über eine Leitung 18 auf die Anode 19 der Röhre 4 und ebenso auf die Anode 20 der Röhre 16 übertragen. Die Ausgangsspannung Eto des Kondensators 10 wird auf das Gitter 25 der als Kathodenfolger geschalteten Röhre 16 übertragen.
Ein Kathodenwiderstand 26 liegt zwischen der Kathode 27 und der Sammelleitung 2, so dass ein Gleichstromanzeigeinstrument 23 an die Anschlussleitung 2 und den Punkt 21 angelegt werden kann, der mit der Kathode 27 direkt verbunden ist. Da durch die Röhre 16 auch dann ein Strom fliesst, wenn auf das; Gitter 25 kein Signal übertragen wird, wird vorzugsweise ein Anzeigeinstrument mit unterdrücktem Nullpunkt verwendet. Anderseits kann eine Anzeigeanordnung mit symmetrischer Gleichstromstufe verwendet werden.
Es sei erwäh, nt, dass bei dem Beispiel der Fig. 4 sowohl die Spannung Eto als auch die Spannung E14 durch Stromkreise erzeugt werden, welche nicht die Spitze-Spitze-Spannung, sondern die absolute Spitzenspannung erfassen. Die an dem Kondensator 10 erscheinende Spannung ist die durch die Diode 9 gleichgerichtete Wechselspannung. Der Kondensator 10 lädt sich auf die Spitzenspannung einer einzelnen Halbwelle der Spannung E6 auf. Der Kondensator 7 und die Diode 8 sind somit nicht erforderlich. Auf ähnliche Weise entsteht die absolute Spitzenspannung durch die Diode 13 an dem Kondensator 14.
Die Betriebsweise der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ist im wesentlichen die gleiche wie bei Fig. 1.
Es ist zu ersehen, dass die Steuerspannung E, 4 auch durch einen Stromkreis zur Bestimmung der Spitze Spitze-Spannung erzeugt werden kann, auch wenn die Ausgangsspannung E10 nur durch einen Stromkreis zur Erzeugung des absoluten Spitzenwertes gewonnen wird. Die Spannung E14 kann auch durch eine Reihe von anderen bekannten, gleichrichtenden Schaltanordnungen erzeugt werden.