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Anordnung zur Messung des Scheitelwerts flüclitiger Spannungen Zur
Messung des ScheiteIwertes flüchtiger Spannungen, d. h. von Überspannungen und Stoßspannungen
sind schon Schaltungen mit Diode, Meßkondensator und elektrostatischem Voltmeter
bekanntgeworden, wie sie etwa in Fig. 1 dargestellt sind. Mit 1 ist dort eine Diode,
meist wird eine Hochvakuumdiode verwendet, bezeichnet, mit 2 der Meßkondensator
und mit 3 ein elektrostatisches Voltmeter, das zum Meßkondensator parallel liegt.
Die Anschlußpunkte dieses Scheitelwertmeßgerätes werden mit 4 und 5 bezeichnet.
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An die Diode 1, die, wie schon erwähnt, meist als Hochvakuumdiode
ausgeführt ist, werden nun, vor allem wenn es sich um die Messung sehr kurzer einmaliger
Spannungsimpulse handelte sehr hohe Anforderungen gestellt. Diese ergeben sich daraus,
daß der Meßkondensator 2 innerhalb der Anstiegszeit der flüchtigen Spannung möglichst
genau auf den Scheitelwert dieser Spannung aufgeladen werden soll. Anschließend
daran soll die Entladung des Meßkondensators 2 über die Diode 1 vernachlässigbar
klein bleiben. Obwohl man den Meßkondensator 2 so klein als möglich halten wird,
um die Diode nur mit einem möglichst kleinen Strom zu beanspruchen und damit den
Spannungsabfall in der Durchlaßrichtung klein zu halten, ist es notwendig, Dioden
zu wählen, die einen Durchlaßwiderstand, ermittelt aus Anodenspannung und gleichzeitig
auftretendem Anodenstrom, von etwa unter 1000 Ohm besitzen, wobei der Isolationswiderstand
in der Sperrrichtung extrem hohe Werte in der Größenordnung von etwa 1013 Ohm besitzen
muß.
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Die praktische Erfahrung zeigt nun, daß es mit wirtschaftlichem Aufwand
nicht möglich ist, Dioden mit den erwähnten Eigenschaften speziell für den angegebenen
Zweck herzustellen. Vor allem der extrem hohe Isolationswiderstand läßt sich in
der Herstellung nicht zuverlässig erreichen. Die einzige Möglichkeit, derartige
Dioden zu einem tragbaren Preis zu erhalten, ist die, aus laufenden Serien von Dioden,
die für die Bestückung normaler Nachrichten- und Fernsehgeräte Verwendung finden,
einzelne geeignete Exemplare auszusuchen. Damit ist man aber in anderer Hinsicht
wieder an die normalen Daten solcher Röhren gebunden, so vor allem in bezug auf
die Sperrspannung. Die praktische Erfahrung zeigt auch hier wieder, daß die Sperrspanung
von Dioden, die hinsichtlich des Durchlaßwiderstandes und Sperrwiderstandes sehr
gut brauchbar sind, für den angegebenen Zweck relativ niedrig ist, beispielsweise
etwa zwlschen 300 und 500 V liegt.
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In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß für viele Zwecke
die in Fig. 1 dargestellte Schal-
tung in bezug auf das Anzeigeinstrument 3 zweckmäßig
mit elektrostatischen Voltmetern ausgerüstet wird, die mit einem Endausschlag von
etwa 300V ausgeführt werden sollten, wenn ein genügendes Drehmoment, d. h. eine
genügende mechanische Robustheit erwartet wird.
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Unter den eben erwähnten Voraussetzungen eines Anzeigeinstrumentes
von etwa 300 V Voll ausschlag und einer Sperrspannung der Diode 1 von etwa 300 bis
500 V können sich nun insofern meßtechnische Schwierigkeiten mit einer Einrichtung
nach Fig. 1 ergeben, als bei Überspannungsmessungen mit einer Anordnung nach Fig.
1 an den Klemmen 4 und 5 des Meßgerätes, das nur Spannungen anzeigt, die an der
Klemme 4 negativ gegen die Klemme 5 gepolt sind, flüchtige Spannungen umgekehrter
Polarität auftreten können, die zusammen mit der Spannung des etwa aufladenden Meßkondensators
2 die Sperrspannung der Diode 1 erheblich überschreiten und die Diode 1 beschädigen.
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Den eben genannten Schwierigkeiten könnte man nun etwa dadurch begegnen,
daß an Stelle des vorgenannten elektrostatischen Voltmeters 3 mit einem Vollausschlag
von etwa 300 V ein Elektrometer-Röhrenvoltmeter angeschlossen wird, das seinen Vollausschlag
etwa bei 30 V erreicht. Setzt man dann für die Sperrspannung der Diode 1 300 V ein,
dann wäre die Meßanordnung nach Fig. 1 auch sehr hohen überschießenden Überspannungen
mit entgegengesetzter Polung gewachsen. Diese sicher sehr wirkungsvolle Maßnahme
bedeutet aber in vielen Fällen einen erheblichen Mehraufwand, da gute Elektrometer-Röhrenvolmeter
noch relativ teuer sind und einer gewissen Wartung bedürfen.
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Es ist nun schon für Meßeinrichtungen der hier beschriebenen Art,
die in Verbindung mit kapazitiven Spannungsteilern gebraucht werden, vorgeschlagen
worden, parallel zu der Anordnung Hochvakuumç diode 1 und Meßkondensator 2, (s.
Fig. 1), d. h. zwischen die Klemmen 4 und 5, die bei Anwendung eines kapazitiven
Spannungsteilers an den Unterspannungskondensator angeschlossen sind, eine zweite
Diode mit entgegengesetzter Polung zu der Meßdiode 1 vorzusehen.
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Durch diese Maßnahme wird einmal erreicht, daß auf dem Unterspannungskondensator
des kapazitiven Spannungsteilers keine Ausgleichsladungen liegen bleiben, wie sie
zufolge der Aufladung des Meßkondensators 2 auf dem Unterspannungskondensator entstehen
und die Meßgenauigkeit der Anordnung erheblich reduzieren. Zum anderen Male wird
erreicht, daß sobald an der Meßstelle auch Überspannungen mit einer Polung auftreten,
die entgegengesetzt gerichtet jener ist, die mit der Scheitelwert-Meßeinrichtung
gemessen wird und die unter Umständen die Meßdiode 1 in ihrer Sperrichtung erheblich
überbeanspruchen würden, diese Überbeanspruchung dadurch vermieden wird, daß die
parallel zwischen den Punkten 4 und 5 angeschlossene Diode als Kurzschluß für diese
entgegengesetzt gepolten Spannungen wirkt. Der durch diese letztgenannte, zweckmäßig
als Ableitdiode (im Gegensatz zur Meßdiode) bezeichnete zusätzliche Diode hervorgerufene
Kurzschluß der Meßspannung an den Klemmen 4 und 5 der Meßeinrichtung und damit an
den Klemmen des Unterspannungskondensators des kapazitiven Spannungsteilers hat
weiter keine Rückwirkungen auf den Kreis, dessen Überspannungen gemessen werden
sollen, da auch bei kurzgeschlossenem Unterspannungskondensator die Kapazität des
Hochspannungskondensators des Spannungsteilers einen Klemmenkurzschluß an der Meßstelle
verhindert.
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Meßgeräte, die auf die vorbeschriebene Weise antiparallel zu Meßdiode
und Meßkondensator eine Ableitdiode besitzen, können nun nicht universell in der
Hochspannungsmeßtechnik eingesetzt werden, da durchaus nicht feststeht ob in allen
Fällen diese Geräte mit kapazitiven Spannungsteilern gebraucht werden. Obwohl durch
die eben erwähnte Ableitdiode die Auswahl der Meßdioden bedeutend vereinfacht wird,
da diese Schaltung eine erhebliche Erleichterung hinsichtlich der für die Meßdiode
erforderlichen Sperrspannung bedeutet, ist diese Schaltung, wie schon ausgeführt,
nur auf jene Anwendungsfälle beschränkt, in denen die Meßeinrichtung in Verbindung
mit einem kapazitiven Spannungsteiler angewendet wird.
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Zur Verminderung der Sperrspannung an der Meßdiode kann nun ein Widerstand
10 vorgeschaltet werden. Soll aber der Vorwiderstand 10 einen Kurzschluß zwischen
den Meßklemmen 12 und 13 über die Ableitdiode 9 für die Durchlaßrichtung der Ableitdiode
vermeiden und außerdem eine wirksame Begrenzung der Sperrspannungsbeanspruchung
über der Meßdiode6 sicherstellen, dann muß der Vorwiderstand 10 einen Widerstandswert
besitzen, der ein Vielfaches des Durchlaßwiderstands der Ableitdiode 9 ist. Das
würde aber auch praktisch zur Folge haben, daß der Spannungsabfall an dem Widerstand
10 auch in Durchlaßrichtung der Meßdiode 6 ein Vielfaches des Spannungsabfalls in
der Diode 6 betragen würde, da im allgemeinen der Durchlaßwiderstand oder Diode
6 und 9 etwa gleich sein
wird. Dies trifft besonders auf den weiter unten noch wiedergegebenen
Aufbau der Meßeinrichtung zu.
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Um diese außerordentlich schädliche Rückwirkung des Vorwiderstands
10 auf das Meßgerät für die Meßgenauigkeit zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung
die Überbrückungsdiode 11 vorgesehen, die ohne Schwierigkeit so ausgewählt werden
kann, daß ihr Spannungsabfall in Durchlaßrichtung gleich oder auch noch wesentlich
kleiner ist als jener der Meßdiode 6, da an diese Oberbrückungsdiode 11 keinerlei
Anforderungen hinsichtlich des Sperrwiderstandes gestellt werden.
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Erfindungsgemäß werden also die Vorteile der weiter oben beschriebenen
Schaltung, d. h. eine Begrenzung der Sperrspannungsbeanspruchung der Meßdiode durch
eine entsprechend geschaltete Ableitdiode, dadurch unabhängig von der Meßschaltung
erreicht, daß vor ein Meßgerät zur Messung flüchtiger Spannungen mit Hilfe einer
Meßdiode und eines Meßkondensators, zu dem antiparallel eine Ableitdiode geschaltet
ist, ein Widerstand vorgeschaltet ist, zu dem eine weitere Diode parallel geschaltet
wird, die die gleiche Polung wie die Meßdiode besitzt.
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In Fig. 2 ist diese Erfindung wiedergegeben. Mit 6 ist die Meßdiode,
mit 7 der Meßkondensator, mit 8 das parallel zu 7 geschaltete Anzeigeinstrument
dargestellt. Mit 9 ist die Ableitdiode wiedergegeben und mit 10 der erfindungsgemäß
vorgesehene Vorwiderstand, der ebenfalls nach der Erfindung durch die Diode 11 mit
der gleichen Durchlaßrichtung wie die Diode 6 überbrückt wird.
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Die Wirkung dieser Schaltung besteht nun darin, daß dann, wenn an
den Anschlußklemmen der neuen Meßeinrichtung, die mit 12 und 13 bezeichnet sind,
eine flüchtige Spannung in Durchlaßrichtung der Meßdiode 6 auftritt, der Vorwiderstand
10 praktisch nicht wirksam wird, da er durch die Uberbrückungsdiode 11, die man
selbstverständlich mit einem extrem niedrigen Durchlaßwiderstand ausrüsten wird,
praktisch widerstandsfrei überbrückt ist. Diese praktisch widerstandsfreie Überbrückung
des Vorwiderstandes 10 ist von allergrößter Bedeutung für die Meßgenauigkeit der
Anordnung. Es wurde ja schon eingangs erwähnt, daß es notwendig ist, den Spannungsabfall
in der Durchlaßrichtung der Meßdiode und damit deren Durchlaßwiderstand möglichst
klein, etwa unter 100 Ohm zu halten, da der Spannungsabfall bzw. der Durchlaßwiderstand
in entscheidender Weise in die Meßgenauigkeit der Meßeinrichtung eingehen.
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Wird bei der Schaltung nach Fig. 2 das Meßgerät mit einer Überspannung
entgegengesetzter Polung zu der Durchlaßrichtung der Meßdiode 6 beansprucht, dann
ist die Überbrückungsdiode 11 gesperrt, und auch eine hohe Überspannung wird sich
zwischen dem voll wirksamen Vorwiderstand 10 und der Überbrückungsdiode 9 so aufteilen,
daß an der nun durchlässigen Überbrückungsdiode 9 nur noch ein Bruchteil der an
den Klemmen 12 und 13 auftretenden Überspannung auftritt. Dementsprechend ist auch
die Diode 6 in Sperrichtung nur noch ganz unwesentlich beansprucht.
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Zum Nachweis der Leistungsfähigkeit der vorgegebenen Anordnung sei
zunächst eine Kapazität des Meßkondensators 7, zu dem die Eigenkapazität des elektrostatischen
Voltmeters 8 zuzuschlagen ist, in der Größenordnung von etwa 50pF angenommen, ein
gesamter Durchlaßwiderstand der Dioden 6 und
11 - hierbei sind die
Impulscharakteristiken der Dioden in Rechnung zu setzen - von etwa 200 Ohm und weiter
ein Vollausschlag des Instruments 8 von etwa 300V. Eine nach etwa 0,5 ps abgeschnittene
Keilwelle lädt den Meßkondensator dann bis auf etwa 2°/o des Scheitelwerts der an
den Klemmen 12 und 13 angelegten Spannung auf. Die hieraus sich ergebende Meßgenauigkeit
ist für die Messung derartig rasch ablaufender Vorgänge sehr gut ausreichend; sie
kann durch entsprechend sorgfältige Röhrenauswahl auch noch verbessert werden. Die
Meßgenauigkeit wird erheblich größer bei der Messung der in den Starkstrom- und
Hochspannungsnetzen und bei den Stoßspannungsprüfungen auftretenden Überspannungen
bzw. Stoßspannungen, da diese erheblich langsamer verlaufen.
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Wie schon erwähnt, ist es wichtig, daß die Meßdiode einen sehr hohen
Sperrwiderstand besitzt.
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Dieser kann, wie entsprechende Untersuchungen zeigten, ohne Einbußen
an Ergiebigkeit in Durchlaßrichtung, d. h. ohne daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung
nennenswert erhöht wird - bei der Ausführung der Meßdiode als Hochvakuumdiode -
dadurch erzielt werden, daß diese unterheizt wird. Es zeigt sich bei den fraglichen
Untersuchungen, daß bei den kleinen Kapazitäten der Meßkondensatoren eine ganz erhebliche
Unterheizung der Diode in Kauf genommen werden kann, bevor der Spannungsabfall in
Durchlaßrichtung nennenswert ansteigt.
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Einen besonders einfachen Aufbau bei der Schaltung nach Fig. 2 erhält
man dann, wenn für die Meßdiode eine Doppeldiode mit getrennten Kathoden vorgesehen
wird, das eine Diodensystem läßt sich dann als Meßdiode, das zweite bei entgegengesetzter
Polung als Ableitdiode verwenden.
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Soll in der Schaltung nach Fig. 1 der Scheitelwert der flüchtigen
Spannung möglichst genau gemessen werden, dann wird man nicht nur Meßdiode und Meßkondensator
so dimensionieren, daß die Meßfehler sehr klein werden, sondern man wird auch den
Anlaufstrom der Diode durch eine entsprechende Kompensationsspannung eliminieren.
Diese Maßnahme ist bei der Schaltung nach Fig. 2 erst recht angebracht, da sich
bei dieser Schaltung zu der den Anlaufstrom treibenden Eigenspannung der Meßdiode
auch noch jene Spannung addiert, die den Anlaufstrom in der Ableitdiode 9 bzw. in
der ueber brückungsdiode 11 - die Dioden 9 und 11 sind in diesem Fall als parallel
geschaltet zu denken -treibt.
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Da sowohl die Anlaufströme als auch der Isolat tionswiderstand der
Meßdiode von der Temperatur der jeweiligen Kathoden, d. h. also auch von deren Heizspannung
abhängig sind, ist es bei der Schaltung
nach Fig. 2 besonders zweckmäßig, die Heizspannungen
für sämtliche Röhren zu stabilisieren, etwa mit Hilfe eines Spannungskonstanthalters.
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Bei den vorstehenden Ausführungen ist darauf hingewiesen worden,
daß man als Meßdiode bei dem heutigen Stand der Technik zweckmäßig Hochvakuumdioden,
und zwar solche mit heißer Kathode verwendet. Dies gilt im wesentlichen auch für
die Ableitdiode 9 und die Überbrückungsdiode 11.
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Selbstverständlich ist die Erfindungsidee auch für den Fall nützlich,
daß die eine oder auch alle Dioden als Halbleiterdioden zur Anwendung kommen. Wenn
eingangs darauf hingewiesen wurde, daß die Nützlichkeit der Idee vor allem dann
gegeben ist, wenn für das Ableseinstrument 8 elektrostatische Voltmeter verwendet
werden, so kann die Schaltung aber auch ohne Einschränkung in solchen Fällen angewendet
und nützlich werden, in denen das Anzeigeinstrument 8 als elektronisches Elektrometer
ausgeführt ist.