DE1516131B1

DE1516131B1 - Spannungsteiler mit wenigstens zwei in Kaskade geschalteten Stufen

Info

Publication number: DE1516131B1
Application number: DE19651516131
Authority: DE
Inventors: John David Middleton
Original assignee: Marconi Instruments Ltd
Current assignee: Marconi Instruments Ltd
Priority date: 1964-06-03
Filing date: 1965-06-02
Publication date: 1970-03-19
Also published as: US3328678A; GB1033625A

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsteiler mit wenigstens zwei in Kaskade geschalteten Stufen, die jeweils aus einem Längswiderstand, einem da/u parallelgeschalteten Längskondensator, aus jeweils an den Enden eines Längswiderstandes angeschlossenen Querkondensatoren, von denen einer mit dem Querkondensator der jeweils nachfolgenden .Stufe zusammenfällt, und einem Querwiderstand an der Ausgangsseite der letzten Stufe bestehen.

Derartige Spannungsteiler, die eine hohe Impedanz und eine große Gesamtdämpfung besitzen können, werden vor allem bei Meßoszillographen benutzt, die in einem weiten Frequenzbereich arbeiten müssen, und sollen sowohl bei niedrigen Frequenzen als auch bei sehr hohen Frequenzen nur minimale Verzerrungen aufweisen.

Es ist bereits ein Spannungsteiler mit einer Mehrzahl von in Kaskade geschalteten Stufen bekannt, wobei die Stufen jeweils aus einem Längswiderstand, einem dazu parallelgeschalteten Läiigskondensator und aus jeweils an den Enden eines Längswiderstandes angeschlossenen Querkondensatoren, von denen einer mit dem Querkondensator der jeweils nachfolgenden Stufe zusammenfällt, bestehen. Am Ausgang der letzten Stufe ist dabei ein Querwiderstand angeordnet. Das Verhältnis von Querkapazität zu Längskapazität ist bei diesem bekannten Spannungsteiler merklich kleiner als Eins und für alle Längs- und Querkondensatoren gleich. Auch die einzelnen Längswiderstiinde besitzen jeweils den gleichen Wert. Die Anzahl der Stufen dieses bekannten Spannungsteilers ist im allgemeinen nicht sirößer als 10.

Die wesentlichsten Nachteile dieses bekannten Spannungsteilers bestehen darin, daß die Anzahl der Stufen beschränkt ist und nicht beliebig groß gewählt werden kann und daß sich bereits relativ geringe Abweichungen der Werte der Einzelelemente von ihren Spannungsteilers die Kapazität jedes Querkondensators, C₂ die Kapazität jedes Längskondensators, C₁ die Kapazität des Querkondensators am Ausgang des Spannungsteilers, R_r der Wert des r-ten Längswiderstandes ausgehend vom Eingang des Spannungsteilers, Λ' die geforderte Gesamtdämpfung des Spannungsteilers. ;/ die Dämpfung jeder Stufe (einschließlich jeder effektiven Belastung), R₁ der Wert des Querwiderstandes am Ausgang des Spannungsteilers und R₁ der resultierende Eingangswiderstand des Spannungsteilers ist.

Ein derart aufgebauter Spannungsteiler kann nahezu jede beliebige Anzahl von Stufen aufweisen, wobei die maximale Ungenauigkeit des Gesamtdämpfungsfaktors nur das Zweifache tier Toleranz der einzelnen Widerstände beträgt.

Vorzugsweise ist zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Stufen eine elektrostatische Abschirmung vorgesehen.

Eine weitere vorteilhafte Ausfiihrungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus. daß die parallel zu den Längswiderständen liegenden Längskondensatoren einstellbar sind.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt

F i g. 1 einen üblichen bekannten Spannungsteiler, F i g. 2 einen erfindungsgemäßen Spannungsteiler mit zwei Stufen,

F i g. 3 einen vielstufigen Spannungsteiler gemäß, der Erfindung, wobei die elektrostatischen Abschirmungen nicht dargestellt sind, und

F i g. 4 eine grafische Darstellung der durch Anwendung des erfindungsgemäßen Spannungsteilers erzielbaren Resultate.

F i g. 1 zeigt einen typischen bekannten Spannungsteiler, wie er üblicherweise in Meßoszillographen verwendet wird. Bei diesem Spannungsteiler liegt ein Längswiderstand R in der signalführenden Leitung zwischen einer der Eingangsklemmen 1 und einer der

Soll-Werten verhältnismäßig stark auf die Genauigkeit des erzielbaren Dämpfungs- oder Spannungs- 40 Ausgangsklemmen 2. Ein abstiinmbarer Kondenteilerfaktors auswirken. sator C ist zu R parallel geschaltet, und an der Ein-Wie im Falle des bekannten Spannungsteilers soll gangs- bzw. Ausgangsseite des Gliedes sind Querauch beim erfindungsgemäßen Spannungsteiler unter kondensatoren vorgesehen. Parallel zum Ausgang Gewährleistung einer hohen Impedanz und einer liegt ein weiterer Widerstand. Es können eine Anzahl hohen Dämpfung eine Frequenz- und Spannungs- 45 derartiger Glieder in Kaskade geschaltet werden.

Unabhängigkeit in weiten Grenzen gegeben sein, aber zusätzlich soll der erfindungsgemäße Spannungsteiler aus Elementen mit relativ großer Toleranz aufgebaut werden können und trotzdem eine hohe Genauigkeit besitzen.

Ausgehend von einem Spannungsteiler der eingangs angeführten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Größe der einzelnen Elemente durch die Beziehungen

C₁ =

(n - I)²

C, = (n

R, =

-DQ

(K-I) (rf)

R, =

Jk.

bestimmt ist. wobei C₁ mit Ausnahme der Querkondensatoren am Eingang und am Ausgang des Wächst jedoch die Anzahl der Stufen an, so nimmt der Einfluß der Toleranzen der Widerstände in den Stufen auf den Dämpfungsfaktor ebenfalls zu. und bei einer großen Stufenzahl und einem geforderten hohen Dämpfungsfaktor wird das Netzwerk sehr teuer, wenn nicht sogar unausführbar.

Es soll hierzu ein praktisches Beispiel gegeben werden. Es sei angenommen, daß ein einstufiger Spannungsteiler für einen Oszillographen gemäß Fig. f eine lOOOfache Dämpfung ergeben soll. Dazu wäre erforderlich, daß das Verhältnis der Querkapazität am Ausgang zu der Längskapazität etwa 1000:1 beträgt. In der Praxis ist es jedoch kaum möglich, eine Längskapazität von weniger als 1 pF zu erreichen, und zwar infolge der unvermeidlichen Streukapazität parallel zum Längswiderstand, die in Rechnung gestellt werden muß. Die Verbindungsleitungen des Ausgangs-Querkondensators besitzen eine Induktivität. Nimmt man eine Leitungslänge von etwa 6 mm bei einem Kondensator mit einer Kapazität von HKX) pF' an, so schwingt dieser mit seinen eigenen Leitungen bei etwa 50 MFIz. Allein durch diese Überlegung wird die obere Frequenzgrenze eines so

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aufgebauten Spannungsteilers auf etwa IO MII/ festgelegt.

F i g. 2 /eigl einen zweistufigen Spannungsteiler gemäß der Lrfmdimg. In dieser Schaltung liegt ein Qtierkondensator C₁, an den Lingangskleminen. der μ) dimensioniert ist. daß er dem Spannungsteiler eine gewünschte hingangskapazität verleiht. Ferner sind zwei Längswiderstände R₁ und R_z mit einer da/w i-.dienliegenden elektrostatischen Abschirmung S und je ein Kondensator C₁ parallel zu jedem Längswiderstand vorgesehen. Weiter sind Querkondensatoren C, und C₁ mit dem Verbiiulungspunkt der beiden Längswiderstande bzw. dein Ausgang des Spannungsteilernetζwerks verbunden. KondensatorC₁ Ut ein beiden Stufen gemeinsamer Querkondeiisator. is hin Widerstand R₁ liegt parallel zum Ausgang des Spann uiigsteilernetzwerks. D ie Abschirmung.S* braucht nicht geerdet zu werden, sondern kann statt dessen mit tier anderen Seite des Kondensators C₁ ohne grolk'U Unterschied in bezug auf die erzielte Wirkung verbunden werden. Im allgemeinen wird jedoch die geerdete Anordnung bevorzugt. Die FIemente des Spannungsteilers (mit Ausnahme von C₁₁) sind nach den vorgenannten Gleichungen dimensioniert. Da gemäß Fig. 2 nur zwei Stufen vorge- i> sehen sind, ist /1 = IN.

F i g. 3 zeigt einen mehrstufigen Spannungsteiler. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind die elektrostatischen Abschirmungen zwischen den Längswiderständen nicht dargestellt. Die ersten drei Längs- _!o widerstände sind mit R₁. R₁ und K₁. die letzten drei nicht bezeichnet. Die einzelnen Elemente (mit Ausnahme von C₁₁) sind gemäß den vorgenannten Gleichungen bemessen.

Es soll nun an Hand eines Beispiels erläutert werden, daß die zur Ausführung der Erfindung geforderten Kapazitäts- und Widerstandswerte sehr praktisch und brauchbar sind. Angenommen, die Gesamtdämpfung .V soll 1000, die Anzahl der Stufen 2 und der resultierende Eingangswiderstand R_r - 1 Mii sein. Dann ist η -IN = 31.6. C₂ soll zu 1,5 pF gewählt werden. Dann ist

Verstärkung durch einen Verstärker hoher Güte, der Frequenzen bis 30 MHz verarbeiten kann, auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre. Die gestrichelt dargestellte Kurve zeigt die Abbildung des gleichen Impulses nach Dämpfung durch einen erfindungsgemäßen Spannungsteiler und Verstärkung durch den gleichen Verstärker auf dem Leuchtschirm der gleichen Kathodenstrahlröhre. Offenbar besteht der größte Vorteil der hrfiiulung darin, daß nahezu jede beliebige Zahl von Stufen verwendet werden kann, wobei die Kondensatoren C₁ und C₂ auf erwünscht kleinen Werten gehalten werden können, während gleichzeitig unabhängig von der Anzahl der verwendeten Stufen eine gewünschte Genauigkeit der Gesamtdämpfung mit Willerständen von relativ geringer Toleranz erzielbar ist. da die maximale llngenauigkeit des Gesamtdämpfungsfaktors nur das Zweifache der Toleranz der einzelnen Widerstände beträgt.

Claims

Patentansprüche:

1 Spannungsteiler mit wenigstens zwei in Kaskade geschalteten Stufen, die jeweils aus einem Längsvviderstand. einem dazu parallelgeschalteten Längskondensator, aus jeweils an den Enden eines Längswiderstandes angeschlossenen Querkondensatoren, von denen einer mit dem Querkondensator der jeweils nachfolgenden Stufe zusammenfallt, und einem Querwiderstand an der Ausgangsseite der letzten Stufe bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Größen der einzelnen Elemente durch die Beziehungen

Iw₁ — - C τ

C, = (H-I)C₂
R -R ^{n~^l)

(H-I)²C,

(3(),6)²

= R_T

(H-DC₂
in-I)

R₂ = R₇-

η (η-I)

= 1000

31,6
30.6 · 1,5
30,6

1,5

(ι²)

31,6

1000 -(30,6)
(31,6-31,6)

« 44,5 pF
% 46 pF
« 970 kf2

« 30,6 kü

45

I ΜΩ
1000

= 1 kü

55

Die Kurvendarstellung in F i g. 4 zeigt an Hand eines praktischen Beispiels die durch die Erfindung erzielten Vorteile. Die voll ausgezogene Kurve zeigt einen Eingangsimpuls von einem Quecksilberschalter mit einer Amplitude von 80 Volt und 100 Nanosekunden Dauer. Die punktierte Kurve zeigt die Form des Impulses nach Dämpfung durch ein handelsübliches Dämpfungsglied hoher Güte und

bestimmt sind, wobei C₁ mit Ausnahme der Querkondensatoren am Eingang und am Ausgang des Spannungsteilers die Kapazität jedes Querkondensators, C, die Kapazität jedes Längskondensators, C, die Kapazität des Querkondensators am Ausgang des Spannungsteilers, R_r der Wert des r-ten Längswiderstandes ausgehend vom Eingang des Spannungsteilers, /V die geforderte Gesamtdämpfung des Spannungsteilers, η die Dämpfung jeder Stufe (einschließlich jeder effektiven Belastung), R, der Wert des Querwiderstandes am Ausgang des Spannungsteilers und R_T der resultierende Eingangswiderstand des Spannungsteilers ist.
2. Spannungsteiler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Stufen eine elektrostatische Abschirmung (S) vorgesehen ist.
3. Spannungsteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zu den Längswiderständen liegenden Längskondensatoren einstellbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPV