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Spitzenspannungsmesser Die Erfindung betrifft einen Spitzenspannungsmesser
mit einem auf den Spitzenwert der Eingangswechselspannung aufgeladenen Meßkondensator.
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Die bekannten Einweg- oder Zweiweg-Spitzenspannungsmesser enthalten
im allgemeinen eine Kapazität, an der das gleichgerichtete Eingangssignal während
einer Halbwelle oder mehrerer Halbwellen gleicher Polarität bis zu einem Spitzenwert
ansteigt.
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Während der dazwischenliegenden Halbwellen entlädt sich der Kondensator
bis zu einem gewissen Grad über einen Nebenschlußwiderstand. Damit die Ladung an
dem Kondensator möglichst getreu dem Spitzenwert entspricht, ist es bei einer solchen
Anordnung erforderlich, daß die Zeitkonstante des Entladungswiderstandes und des
Kondensators verhältnismäßig groß sind. Bei einigen Schaltungen verursacht die lange
Zeitkonstante keine nachteiligen Wirkungen. In vielen Fällen ist jedoch ein Spitzenspannungsmesser
erforderlich, bei dem die Spitzenspannung nach einem Abfall der Eingangsspannung
oder beim Ausbleiben der Eingangsspannung in sehr kurzer Zeit abnimmt oder ganz
zu Null wird.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Spitzenspannungsmesser anzugeben,
der eine kurze Ansprechzeit hat und in der Lage ist, sowohl der Abnahme als auch
der Zunahme der Eingangsspannung rasch zu folgen, während gleichzeitig die Genauigkeit
der Spitzenspannungsanzeige nicht beeinträchtigt wird, indem eine lange Entladungszeitkonstante
bei stetigen Eingangssignalen oder bei zunehmenden Eingangssignalen beibehalten
wird.
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Gemäß der Erfindung wird aus der Eingangsspannung eine ihr proportionale
Steuergleichspannung in einem Kreis mit im Vergleich zum Meßkondensator kurzer Zeitkonstante
abgeleitet, die bei gleichbleibenden Betriebsverhältnissen größer als die an dem
Meßkondensator auftretende Spannung ist, und es liegt zwischen dem Meßkondensator
und einem die Steuergleichspannung führenden Punkt der Schaltung eine Gleichrichteranordnung,
die bei gleichbleibenden Betriebsverhältnissen nichtleitend ist und über die ein
Entladungsweg für die Ladung des Meßkondensators mit verhältnismäßig kleiner Zeitkonstante
führt, so daß bei raschen Änderungen der Spitzenspannung die Sperrspannung an der
Gleichrichteranordnung verschwindet oder ausbleibt und der Meßkondensator sich rasch
entlädt, während bei gleichbleibenden Betriebsverhältnissen dieser Entladungsweg
gesperrt ist.
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Der Spitzenspannungsmesser ist vorzugsweise so ausgeführt, daß die
Eingangsspannung an zwei in Reihe geschalteten Widerständen liegt, daß die Steuergleichspannung
aus der Reihenschaltung der beiden
Widerstände abgeleitet ist und daß der Ladekreis
des Meßkondensators nur einen der beiden Widerstände enthält.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Schaltung eines Zweiweg-Spitzenspannungsmessers
gemäß der Erfindung zur Messung der Spannung von Spitze zu Spitze; Fig.2 ist ein
Diagramm, das die Spannungen angibt, die beim Betrieb der Schaltung auftreten und
das zur Erläuterung der Erfindung dient; Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Gerätes
gemäß der Erfindung und Fig. 4 ist eine Schaltung eines Einweg-Spitzenspannungsmessers
zur Messung der Spannung zwischen Null und dem Spitzenwert.
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Bei der Schaltung nach Fig. 1 wird die Eingangsspannung über die
Klemmen 1' und 2 den Widerständen 5 und 6 zugeführt. Die am Widerstand 6 auftretende
Spannung E 6, die durch den Strom erzeugt wird, der die Widerstände 5 und 6 durchfließts
wird über einen Kopplungskondensator 7 und eine Gleichrichteranordnung mit den Dioden
8 und 9 dem Ladekondensator 10 zugeführt. Dieser Stromkreis stellt eine Anordnung
zur Erzeugung einer Gleichspannung, die proportional dem Spitzenwert einer Wechselspannung
ist, dar. Die Spannung an den Widerständen 5 und 6 wird in einem Vorspannungs- oder
Steuerkreis
benutzt und über einen Kondensator 11 einer Gleichrichteranordnung
mit den Dioden 12 und 13 zugeführt, so daß sie einen Ladekondensator 14 auflädt,
der von einem Widerstand 15 überbrückt ist. Die an dem Ladekondensator 10 auftretende
Spannung wird direkt der Ausgangsklemme21 und über eine Diode 17 demjenigen Ende
des Widerstandes 15 zugeführt, der der gemeinsamen Leitung 2 abgewendet ist. Die
Dioden oder einseitig leitenden Vorrichtungen können als Hochvakuum-Dioden oder
als Trokkengleichrichter ausgeführt sein und können die angegebene Polarität oder
auch die entgegengesetzte Polarität aufweisen. Die gemeinsamen Verbindungen zwischen
den beiden Dioden sollten ungleiche Elektroden der Dioden verbinden.
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Da der Strom durch die Widerstände 5 und 6 gleich groß ist, ist die
Spannung an den beiden Widerständen größer als die SpannungE6, die nur an dem Widerstand
6 abgegriffen wird; dabei können die Widerstände5 und 6 nicht nur rein ohmisch,
sondern auch induktiv und kapazitiv sein.
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Die Schaltung mit dem Kondensator 11, den Dioden 12 und 13 und dem
Ladekondensator 14, wirkt wie ein üblicher Zweiweg-Spitzenspannungsmesser, der die
Spannung von Spitze zu Spitze anzeigt. Während der Halbwelle, in der die Leitung
2 gegenüber der Leitung 1' positiv ist. fließt ein Strom durch die Diode 12, so
daß der Kondensator 11 auf den Spitzenwert einer einzelnen Halbwelle aufgeladen
wird. wenn die Richtung der Diode, die in Fig. 1 dargestellte ist. Bei der nächsten
Halbwelle ist die Leitungl' positiv gegenüber der Leitung 2' und die Spannung befindet
sich in Reihe mit der an dem Kondensatorll entwickelten Spannung der vorhergehenden
Halbwelle.
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Die Summe der beiden Spannungen wird über die Diode 13 dazu benutzt.
den Kondensator 14 auf den Spitzenwert aufzuladen. Bei einem üblichen Spitzenspannungsmesser
würde der Widerstand 15 notwendigerweise einen großen Wert haben, damit in Zusammenwirkung
mit dem Kondensatorl4 eine große Zeitkonstante RC geschaffen wird. um sicherzustellen,
daß die an dem Kondensator 14 auftretende Spannung. die sich aus den Halbwellen
gleicher Richtung der Eingangsspannung ergibt, während der darauffolgenden Halbwellen
nicht wesentlich entladen wird in denen kleine Stromimpulse über die Diode 13 zugeführt
werden. Diese Werte begrenzen die Entladungsgeschwindigkeit des Kondensators 14.
so daß sich der Kondensator 14 bei einer Abnahme oder einem Aufhören der zugeführten
Spannung nur langsam auf den Wert entlädt. der der niedrigeren Eingangsspannung
entspricht.
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Um eine Schaltung zu schaffen, bei der die Spitzenspannung, die an
dem Ladekondensator auftritt, rasch abnehmen und dem Eingangssignal folgen kann,
ist eine zweite Schaltung mit dem Kondensator7, den Dioden 8 und 9 und dem Kondensator
10 vorgesehen.
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Diese Schaltung arbeitet im wesentlichen genauso wie die mit dem Kondensatorl4,
so daß der Kondensator 7 durch die eine Halbwelle der zugeführten Spannung aufgeladen
wird. Bei der nächsten Halbwelle liegt er in Reihe mit der SpannungE6, so daß der
Kondensator 10 auf eine Spannung aufgeladen wird, die gleich der Summe der SpitzenspannungE6
und der an dem Kondensator 7 liegenden Spannung ist. Da die Spannung E6 kleiner
ist als die Spannung Ek, wird der Kondensator 10 auf einen niedrigeren Wert aufgeladen
als der Kondensator 14.
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Die Spannung an dem Kondensator 10 wird als Maß für die Spitzenspannung
benutzt; die Entladungszeitkonstante des Kondensators ist außerordentlich groß,
so daß eine genaue Spitzenspannungsablesung erfolgen kann. Solange die Spannung
E 14 an dem Kondensator 14 größer ist als E 10 an dem Kondensatorl0, wirkt die Spannung
E 14 als Vorspannung an der Diode 17 und verhindert einen Stromfluß durch diese
Diode. Da die Spannung E14 nicht als Anzeige für die Spitzenspannung benutzt wird,
ist es nicht wesentlich, daß eine Entladung des Kondensators 14 während derjenigen
Halbwellen verhindert wird, während der keine Aufladung stattfindet; der Widerstand
15 kann zusammen mit dem Kondensator 14 eine verhältnismäßig kurze Zeitkonstante
RC haben. Bei einer raschen Abnahme der Eingangsspannung entlädt sich der Kondensator
14 rasch und die Spannung E14 nimmt rasch unter den Wert von E10 ab. so daß die
Vorzeichen an der Diode 17 sich umkehren. Der Kondensator 10 entlädt sich dann über
den Gleichrichter 17 und den Widerstand 15 mit verhältnismäßig geringem Widerstand,
so daß der neue Wert der Spitzeneingangsspannung rasch angezeigt wird.
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Die Spannung E 14 wird daher als Steuer- oder Vorspannung verwendet,
die normalerweise die rasche Entladung des Kondensators 10 verhindert und die Spannung
E 10 als richtige Anzeige der Spitzenspannung aufrechterhält, während andererseits
die Ausgangsspannung rasch abnehmen kann, wenn das Eingangssignal mit einer Geschwindigkeit
abfällt, die nicht langsam zu sein braucht wie bei den üblichen Spitzenspannungsmessern.
Es wurde gefunden, daß es wünschenswert ist, einen Gleichriehter 17 zu verwenden,
der einen hohen Sperrwiderstand hat. Eine Siliziumdiode hat die gewünschten Eigenschaften.
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Im praktischen Betrieb wurde festgestellt, daß die Festlegung der
Werte E6 und Ek am besten bei der unteren Grenze des Frequenzbereiches erfolgt,
in dem das Gerät arbeitet. Bei der tiefen Frequenz hat die Steuerspannung E14 an
dem Kondensator 14 die meiste Zeit für die Entladung. Die relativen Werte der Widerstände
5 und 6 sollten so gewählt werden, daß während der Entladung die Spannung 14 nicht
unter den Wert von E10 fällt, um eine Teilentladung des Kondensators 10 über die
Diode 17 und den Widerstand 15 zu verhindern. Der Widerstand 5 kann einstellbar
sein, um die Einstellung der Schaltung für die Eingangsfrequenz zu erleichtern.
Die Beziehung der Spannungen E10 und E14 ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß bei einer Eingangsspannung mit konstanter
Amplitude die Ausgangsspannung E 10 im wesentlichen eine gleichbleibende Spannung
ist, da der Kondensator 10 auf den Spitzenspannungswert aufgeladen wird, ohne daß
eine Entladung stattfindet. Während der positiven Halbwellen des Eingangssignals
steigt die Steuerspannung E14 auf den Spitzenspannungswert an. der sich aus der
am Kondensator 11 entstehenden Spannung und der Spannung Ek zusammensetzt. Wenn
die Eingangsspannung die negative Halbwelle durchläuft, entlädt sich der Kondensator
14 über den Widerstand 15 mit einer Geschwindigkeit, die von der Zeitkonstante abhängt
und diese Entladung dauert an. bis die Eingangsspannung wieder positiv wird. Die
Spannung sollte durch entsprechende Einstellung oder Wahl der Widerstände 5 und
6 im Verhältnis zum Widerstand 6 um so viel größer sein als E6, daß die Steuerspannung
E
14 nicht unter den Wert E 10 fällt, um einen Strom über die Diode 17 und eine Entladung
des Kondensators 10 während des Vorhandenseins einer gleichbleibenden Eingangsspannung
zu verhindern.
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Für ein günstiges Verhalten ist es meist erwünscht, daß die Spannung
E 14 bis auf den Wert von E 10 abnimmt.
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Um die richtige Einstellung für den Widerstand 5 bei einer bestimmten
Frequenz vorzunehmen, wird eine Eingangsspannung konstanter Amplitude benutzt.
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Der Wert des Widerstandes 5 wird von einem Minimalwert erhöht, bis
die Ausgangsspannung E 10 nicht mehr weiter zunimmt. Eine Eichskala, die mit dem
Widerstand 5 verbunden ist, kann verwendet werden, um die Einstellung für die gewünschte
Frequenz zu erleichtern.
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In Fig. 1 wird die Steuerspannung E14 mit Hilfe einer Schaltung erzeugt,
die die Kondensatoren 11 und 14, die Gleichrichter 12 und 13 und den Widerstand
15 enthält; die einzige Bedingung für die Steuerspannung E 14 ist, daß sie normalerweise
größer als die Ausgangsspannung an dem Kondensator 10 ist und daß sie in ihrer Größe
entsprechend der Eingangsspannung schwankt. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die
Spannung E14 in Phase mit der Spannung E 10 liegt. Diese Bedingungen können durch
verschiedene Verfahren der Gleichrichtung in an sich bekannter Weise erfüllt werden
und es ist nicht notwendig, daß ein exakter Spitzenspannungskreis benutzt wird.
Die Spannung E 14 kann z. B. durch eine Schaltung erzeugt werden, die die Spannung
zwischen Null und dem Spitzenwert angibt. Wahlweise kann auch eine induktiv gekoppelte
Gleichrichteranordnung verwendet werden, in der an Stelle der Reihenwiderstände
5 und 6 ein Transformator benutzt wird, der an der Eingangsleitung liegt, um eine
Eingangsspannung für die Schaltung zu liefern, welche die Steuerspannung E14 ergibt;
die Eingangsleitungen sind direkt an die Schaltung angeschlossen, welche die Ausgangsspannung
ergibt. Der Steuerspannungskreis wird dann von einer Spannung erregt, die entsprechend
der dem Kreis zugeführten Spannung schwankt, welche die Ausgangsspannung liefert,
die aber eine größere Amplitude hat.
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In Fig. 3 ist ein Spitzenspannungsmesser 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.
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Die von der Schaltung abgegebene Spitzenspannung kann auf einem Gleichspannungsanzeigeinstrument
23 abgelesen werden.
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Fig. 4 zeigt eine Schaltung für einen Einweg-Spitzenspannungsmesser,
bei dem die beiden Spannungen E 10 und E14 zwischen Null und dem Spitzenwert gemessen
werden. Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß Kathodenverstärkerschaltungen mit Impedanzanpassung
unter Verwendung von Hochvakuumröhren 4 und 16 vorgesehen sind, und zwar sowohl
auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite des Spitzenspannungsmessers.
Diejenigen Teile der Schaltung, die der Fig. 1 entsprechen, sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Eingangsspannung wird
zwischen der Klemme 1 und der Klemme
2 zugeführt und direkt dem Gitter 3 der Röhre 4 zugeleitet. Die Kathode 24 der Röhre
4 ist an die gemeinsame Leitung 2 über zwei Widerstände 5 und 6 angeschlossen, an
denen Spannungen auftreten, die eine Funktion des Eingangssignales sind. Eine positive
Arbeitsspannung wird über die Leitung 18 der Anode 19 der Röhre 4 und der Anode
20 der Röhre 16 zugeführt. Die Ausgangsspannung E10 wird dem Gitter 25 der Kathodenverstärkerröhre
16 zugeleitet. DerKathodenwiderstand 16 liegt zwischen der Kathode 27 und der gemeinsamen
Leitung 2; die Ausgangsspannung, die dem Gleichspannungsinstrument 23 zugeführt
wird, wird zwischen der gemeinsamen Leitung2 und der Klemme 21 an der Kathode 27
abgenommen. Da durch die Röhrel6 selbst bei der Eingangsspannung Null am Gitter25
ein Anodenstrom fließt, ist ein Instrument mit unterdrücktem Nullpunkt zweckmäßig.
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Wahlweise kann auch eine Anzeigeanordnung mit symmetrischer Gleichstromstufe
verwendet werden.
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Es sei bemerkt, daß bei der Ausführung nach Fig.4 die Spannungen
E 10 und E14 zwischen den Werten Null und dem Spitzenwert gemessen werden und nicht
zwischen den beiden Spitzen. Die an dem Kondensator 10 auftretende Spannung wird
durch Impulse geliefert, welche durch die Diode9 gleichgerichtet werden. Der Kondensator
10 wird auf die Spitzenspannung der einen Halbwelle der Spannung E 6 aufgeladen.
Der Kondensator 7 und eine Diode 8 werden in dieser Schaltung nicht verwendet. In
ähnlicher Weise wird eine Spannung zwischen Null und dem Spitzenwert an dem Kondensatorl4
durch den Gleichrichter 13 erzeugt. Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4 ist
im wesentlichen dieselbe wie nach Fig. 1. Es ist klar, daß die SteuerspannungEl4
auch durch eine Schaltung, die den Wert zwischen den beiden Spitzen mißt, erzeugt
werden kann, obwohl die AusgangsspannungElO nur als Spannung zwischen Null und dem
Spitzenwert angezeigt wird.
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Wahlweise kann die Spitzenspannung E 14 auch mit Hilfe mehrerer Gleichrichter
in an sich bekannter Weise abgeleitet werden.