DE1591922B1 - Messschaltung fuer Scheitelwerte von unipolaren Spannungsimpulsen - Google Patents

Messschaltung fuer Scheitelwerte von unipolaren Spannungsimpulsen

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DE1591922B1
DE1591922B1 DE19671591922 DE1591922A DE1591922B1 DE 1591922 B1 DE1591922 B1 DE 1591922B1 DE 19671591922 DE19671591922 DE 19671591922 DE 1591922 A DE1591922 A DE 1591922A DE 1591922 B1 DE1591922 B1 DE 1591922B1
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diode
voltage
capacitor
circuit
storage capacitor
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DE19671591922
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Dr Johannes Wiesinger
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Impulsphysik GmbH
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Impulsphysik GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/04Measuring peak values or amplitude or envelope of ac or of pulses

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen des Scheitelwertes von unipolaren Spannungsimpulsen.
  • Zum Messen von einmalig und kurzzeitig auftretenden Spannungsimpulsen ist es bekannt, an Stelle einer aufwendigen Aufzeichnung mit Hilfe eines Oszillographen Meßgeräte zu verwenden, die den vornehmlich interessierenden Scheitelwert des Spannungsimpulses unmittelbar auf einem Meßinstrument anzeigen. Bei diesen Meßgeräten kommt es darauf an, eine dem Scheitelwert des zu messenden Spannungsimpulses entsprechende Größe für eine bestimmte Zeit, z. B. mehrere Sekunden, ohne nennenswerte Verfälschung als Meßwert zu speichern.
  • Für eine solche Speicherung ist eine Schaltung gemäß folgendem Grundprinzip bekannt: Ein Kondensator C wird über eine Diode D auf den Scheitelwert des am Schaltungseingang auftretenden Spannungsimpulses aufgeladen. Eine Entladung dieses Kondensators C am Ende des Impulses wird durch den Sperrwiderstand der Diode D verhindert. Die am Kondensator C, d. h. am Ausgang der Schaltung liegende Spannung läßt sich mit einem elektrostatischen Voltmeter oder einem hochohmigen Verstärker mit nachgeschaltetem Drehspulinstrument od. dgl. zur Anzeige bringen.
  • Die Nachteile dieser bekannten Schaltung ergeben sich aus der nachfolgenden Betrachtung. Die Kapazität des Kondensators C muß möglichst klein gehalten werden, denn der Kondensator belastet die Impulsspannungsquelle und bestimmt auch den über die Diode D beim Anstieg des Spannungsimpulses fließenden Strom 1 = C (duldt). Ferner legt der Kondensator C die Bandbreitegb der Schaltung fest: Wenn die Impulsspannungsquelle einen Innenwiderstand Rc besitzt, ergibt sich als Bandbreitefb = 1/(2z Rs C).
  • Ferner bestimmt die Größe des Kondensators C zusammen mit dem Sperrwiderstand Ro der Diode D die Entladezeitkonstante der Schaltung: Te = RD C.
  • Wenn man nun beispielsweise den Kondensator C zu 100 pF wählt, müßte der Sperrwiderstand RD für eine Entladezeitkonstante Te von 1000 Sekunden einen Wert von 1013 Ohm annehmen. Da aber herkömmliche Halbleiterdioden einen so hohen Sperrwiderstand nicht aufweisen, wurden bereits verschiedene Schaltungen entwickelt, mit denen die Entladung des Eingangskondensators verzögert wird. Röhrendioden mit den geforderten hohen Sperrwiderständen haben dagegen folgende Nachteile: Sie haben einen relativ hohen Durchlaßwiderstand in der Größenordnung von 100 Ohm, sie erfordern eine Heizung, was besonders bei batteriebetriebenen Geräten einen erheblichen Mehraufwand bedeutet, sie erwärmen das Gerät (thermische Driften der übrigen Bauelemente) und erfordern in der Regel eine Gegenspannung zur Erreichung des geforderten hohen Sperrwiderstandes; schließlich ist die Lebensdauer geringer als bei Halbleiterdioden.
  • Einige der oben erwähnten verbesserten Schaltungen basieren auf einer Umladung des Kondensators C auf einen wesentlich größeren Speicherkondensator Cz6.
  • Die Umladung erfolgt entweder über einen mechanischen Schalter oder einen hochohmigen Widerstand oder eine Diode in Reihe mit einem hochohmigen Widerstand. Der Nachteil dieser letzteren Schaltungen ist, daß die Umladezeitkonstante wesentlich größer sein muß als die Impulsdauer, da es sonst zu einer unvertretbaren Verfälschung des Meßergebnisses kommt. Da aber andererseits die Umladung nicht so lange dauern darf, daß der Kondensator C über den Sperrwiderstand der DiodeD bereits merklich entladen wird, können mit diesen Schaltungen nur Spannungsimpulse relativ kurzer Dauer (etwa bis zur Größenordnung von Millisekunden) registriert werden.
  • Hierdurch ist eine wesentliche Einschränkung der Anwendbarkeit gegeben.
  • Ferner ist es auch schon bekannt, die Diode D durch einen mechanischen Schalter oder einen elektronisch gesteuerten Relaiskontakt nach dem Impulsende vom Kondensator C abzutrennen. Abgesehen vom Aufwand haben auch diese Schaltungen den Nachteil, daß nur Spannungsimpulse gemessen werden können, die vor der Abschaltung ihr Spannungsmaximum erreicht haben.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer verbesserten Schaltung, die sehr robust und betriebssicher ist, eine hohe Bandbreite aufweist, einen sehr kompakten Schaltungsaufbau ermöglicht und keine Schalter, Relaiskontakte oder Röhren beinhaltet.
  • Ausgehend von einer bekannten Schaltung zum Messen des Scheitelwertes von unipolaren Spannungsimpulsen mit vom zu messenden Impuls über eine Diode D 1 aufzuladenen, in Reihe liegenden Kondensatoren C1 und C2, wird zur Lösung der vorgenannten Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Schaltung so auszubilden, daß die Kapazität des Eingangskondensators C1 um mindestens eine Größenordnung kleiner als die des Speicherkondensators C2 ist, daß die den Ladestrom durchlassende Halbleiterdiode D1 extrem gute-Durchlaßeigenschaften aufweist und daß parallel zu der aus Speicherkondensator C2 und erster Halbleiterdiode D1 bestehenden Reihenschaltung eine die Entladung des Speicherkondensators C2 verhindernde zweite Halbleiterdiode D2 (Sperrdiode) mit einem extrem hohen Sperrwiderstand in Reihe mit einem Widerstand R vorgesehen ist.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Schaltbild einer bevorzugten, erfindungsgemäßen Schaltung beispielsweise veranschaulicht ist.
  • Wie die Zeichnung zeigt, ist die Schaltung so ausgebildet, daßeinEingangskondensator C1, ein Speicherkondensator C2 und eine zwischen den Kondensatoren liegende, den Ladestrom durchlassende erste Halbleiterdiode Dl an die Eingangsklemmen 1, 1' angeschlossen sind und daß parallel zu der aus Speicherkondensator C2 und erster Halbleiterdiode D1 bestehenden Reihenschaltung eine die Entladung des Speicherkondensators C2 verhindernde zweite Halbleiterdiode D 2 in Reihe mit einem Widerstand R vorgesehen ist.
  • Diese Schaltung ohne den Widerstand R ist formal gleich einer bereits bekannten Gleichrichterschaltung, wie sie sich beispielweise in der ersten Stufe einer Greinacher-Kaskade befindet oder wie sie auch in Meßgeräten zur Messung des Scheitelwertes periodischer Wechselspannungen dient (deutsches Patent 1 120 010). Bei dieser bekannten Schaltung wird zur Erzeugung einer Gleichspannung an einem Kondensator C2 an den Eingang 11' eine Wechselspannung gelegt. Hiermit erscheint an C2 der doppelte Scheitelwert der angelegten Wechselspannung infolge einer sich über viele Perioden erstreckenden sukzessiven Aufladung, unabhängig von der Größe der Kapazitäten C1 und C2. Der Kondensator C1 dagegen lädt sich auf den Scheitelwert der Wechselspannung auf.
  • Üblicherweise werden die Kapazitäten C1 und C2 gleich groß oder im Verhältnis 1 : 2 unterschieden gewählt. Für die Funktion dieser Schaltung ist es wesentlich, daß die DodenDl und D2 gleich sind sowohl in ihren Durchlaß- als auch in ihren Sperreigenschaften. (An beiden Dioden tritt eine gleich große Sperrspannung auf.) Soll diese Schaltung zur Messung des Scheitelwertes von periodischen Wechselspannungen dienen, so kann parallel zum Kondensator C2 ein Meßgerät angeschlossen werden. Die durch das Instrument entzogene Ladung wird ebenso wie die über die Sperrwiderstände der Dioden und D 2 abfließende Ladung kontinuierlich nachgeliefert durch die periodische Spannungsquelle am Eingang. Diese Schaltung ist aber absolut ungeeignet zur Messung von periodischen Spannungen, die nur wenige Perioden andauern, da der Kondensator C2 erst während einer Vielzahl von Perioden auf den Endwert aufgeladen wird und somit die an C2 anstehende Spannung abhängig von der Anzahl der Perioden der Wechselspannung wird. Auch zur Messung einmaliger Spannungsimpulse ist diese Schaltung in der vorliegenden Form nicht geeignet.
  • Bei der erfindungsgemäßen Schaltung zur Messung unipolarer, einmalig auftretender Spannungsimpulse wird von der Überlegung ausgegangen, daß Halbleiterdioden mit sehr guten Durchlaßeigenschaften, wie hohe Strombelastbarkeit, geringer Durchlaßwiderstand und insbesondere auch geringe Erholzeit in Sperrichtung, keinen extrem hohen Sperrwiderstand besitzen.
  • Deshalb wurden die beiden Funktionen, nämlich das Aufladen des Speicherkondensators C2 über die mit dem Kondensator C1 in Reihe liegende Diode D1 und die Verhinderung der Entladung durch die Diode D2 extrem verschiedenen Diodentypen übertragen. Während als Diode D1 z. B. eine diffundierte Siliziumdiode 1N914 verwendet wird, kann als Diode D2 eine Steuer-Hauptelektrodenstrecke eines N-Kanal-Feldeffekttransistors 2N4304, deren Sperrstrom in der Größenordnung von 1 pA liegt, verwendet werden.
  • Für die Funktion dieser Schaltung ist es weiterhin wesentlich, daß die Kapazitäten C1 und C2 sich in ihrer Größe sehr voneinander unterscheiden. So wird die Kapazität C1 zweckmäßig in der Größenordnung von 100 pF gewählt, die Speicherkapazität C2 in der Größenordnung von 100 nF. Somit ist die an C2 auftretende Spannung und somit auch die an der Diode D2 anstehende Sperrspannung stets wesentlich kleiner als der Scheitelwert der Eingangsspannung.
  • Die Registrierung der Spannung an dem Speicherkondensator C2 kann nun dadurch erfolgen, daß C2 mit der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors verbunden ist, der mit seiner Hauptelektrodenstrecke als Widerstand in dem Zweig einer Meßbrücke liegt.
  • Allerdings kann die beschriebene Schaltung auch an einen Meßverstärker mit ausreichend hohem Eingangswiderstand angeschlossen werden.
  • Zur Erläuterung der Arbeitsweise der in der Zeichnung dargestellten Schaltung sei angenommen, daß daß an den Eingangsklemmen 1, 1' ein positiver rechteckförmiger Spannungsimpuls mit einer Amplitude von 100 V auftritt. Die in Reihe liegenden Kondensatoren, nämlich der Eingangskondensator C1 von z. B. 100 pF und der Speicherkondensator C2 von z. B. 100 nF, werden über die Aufladediode D1 aufgeladen, wobei sich die Spannung etwa im umgekehrten Verhältnis der Kapazitätswerte auf die Konden- satoren C1 und C2 aufteilt. Da der Eingangskondensator C1 wesentlich kleiner ist als der Speicherkondensator C2, liegt nahezu die gesamte Spannung am Kondensator C1.
  • Am Ende des Impulses liegt im ersten Augenblick die Sperrspannung von etwa 100 V an der Diode D1 und nun wird der Eingangskondensator C1 über die Diode D2 in Durchlaßrichtung, den Widerstand R und den an den Eingangsklemmen 1, 1' liegenden äußeren Kreis entladen. Da der Entladestrom durch die Steuer-Hauptelektrodenstrecke des als Sperrdiode D2 verwendeten Feldeffekttransistors keinesfalls zu groß werden darf, ohne die Diode zu zerstören, ist seine Begrenzung durch den Widerstand R wesentlich für die Funktion der Schaltung. Wenn man beispielsweise den Entladewiderstand R zu 1 Megohm wählt, ergibt sich ein maximaler Strom von UciIR z 1001106 = 0,1 mA, wenn Ucl die Spannung an C1 ist. Die Entladung von C1 erfolgt mit einer Zeitkonstanten Te1 =R.Cl =100.
  • Im weiteren Verlauf wird nun der Eingangskondensator C1 über den Sperrwiderstand RD1 der Diode D1 auf die Spannung des Speicherkondensators C2 von etwa 0, 1 V umgeladen. Geht man davon aus, daß RD1 einen Wert von 108 Ohm hat, ergibt sich eine Zeitkonstante - Cl. C2 T,= R1=10ms.
  • C1 + C2 Nach Beendigung dieser Umladung von der Speicherkapazität C2 auf die Eingangskapazität C1 sind beide Kondensatoren gleichsinnig aufgeladen und über den nicht sehr hohen Sperrwiderstand von D 1: RD1 parallel geschaltet.
  • Es sei darauf hingewiesen, daß die durch Tel und Tu charakterisierten Vorgänge erst dann beginnen, wenn die Spannung an den Eingangsklemmen 1, 1' verschwunden ist. Somit sind die Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2, die sich schließlich einstellen, unabhängig davon, wie lange die Rechteckspannung an den Eingangsklemmen 1, 1' angestanden ist.
  • Im weiteren Verlauf kann sich nun der Speicherkondensator C2 (und auch C1) nur noch über den Sperrwiderstand der Sperrdiode D2 entladen. Für eine Entladezeitkonstante Tee dieses Speicherkondensators C2 von 10000 Sekunden (d. h. bei einem zugrundegelegten Abfall des gespeicherten Signals in 10 Sekunden um 0,1%) muß der Sperrwiderstand der Diede D2 Fe2 RD2= # 1012 Ohm C1 + C2 Betragen. Man erkennt, dß Feldeffekttransistoren, die sich in ihrem P-N-Übergang in Durchlaßrichtung wie Dioden verhalten, in Sperrichtung aber außerordentlich hochohmig sind, besonders gut für die Aufgaben der Sperrdiode D2 geeignet sind, insbesondere, da die an D2 gemäß des hier ausgeführten Beispieles auftretende Sperrspannung kleiner als 1 V ist (im Gegensatz zu der an D 1 maximal auftretenden Sperrspannung von etwa 100 V).
  • Zu einer Erweiterung des Meßbereiches bei höheren Eingangsspannungen von z. B. 1000 V werden ausreichend viele Durchlaßdioden D1 in Reihe geschaltet, während die Sperrdiode D2 unverändert beibehalten werden kann.
  • Die an dem Speicherkondensator C2 liegende Spannung wird z. B. über einen in seinem Aufbau bekannten Brückenverstärker gemessen, der ebenfalls in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Die Ausgangsdiagonale der Brücke ist an ein Meßinstrument, beispielsweise ein Drehspulinstrument M angeschlossen.
  • Ein Brückenzweig enthält einen N-Kanal-Feldeffekttransistor (z. B. 2N4304), der mit seinen Hauptelektroden in den Brückenzweig eingeschaltet ist, während seine Steuerelektrode bei 2' mit dem einen Belag des Speicherkondensators C2 verbunden ist. Der andere Belag des Speicherkondensators C2 ist im Punkt 2 mit der unteren Spannungsecke der Brücke verbunden.
  • Es ist offensichtlich, daß eine Spannung an den Eingangsklemmen 2, 2' des Verstärkers eine Brückenver-Stimmung und damit eine Anzeige am Drehspulinstrument M bewirkt. An Stelle des Instrumentes M kann verständlicherweise auch ein Digitalvoltmeter, ein Schreiber o. dgl. angeschlossen werden.
  • Mit dem geschilderten Prinzip ist es möglich geworden, ein Meßgerät zu erstellen, das unipolare Spannungsimpulse bis zu einigen 100 V mit einer Dauer von einigen Nanosekunden bis zu einigen 10 Sekunden zu messen imstande ist.
  • Da für die sehr einfache Schaltung ausschließlich Bauelemente der Festkörperelektronik verwendet werden konnten, ist bei hoher Zuverlässigkeit die Leistungsaufnahme außerordentlich gering; das Gerät kann mit einer kleinen Batterie betrieben werden, ist damit netzunabhängig und potentialfrei. Durch den kompakten Aufbau in einem Metallgehäuse treten elektromagnetische Einstreuungen auch bei starken Störfeldern nicht merkbar auf.

Claims (3)

  1. Patentansprüche : 1. Schaltung zum Messen des Scheitelwertes von unipolaren Spannungsimpulsen mit vom zu messenden Impuls über eine Diode (D 1) aufzuladenden, in Reihe liegenden Kondensatoren (C1 und C 2) dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Eingangskondensators (C1) um mindestens eine Größenordnung kleiner als die des Speicherkondensators (C2) ist, daß die den Ladestrom durchlassende Halbleiterdiode (D 1) extrem gute Durchlaßeigenschaften aufweist und daß parallel zu der aus Speicherkondensator (C2) und erster Hålbleiterdiode (D1) bestehenden Rel henschaltung eine die Entladung des Speicherkondensators (C2) verhindernde zweite Halbleiterdiode (D 2, Sperrdiode) mit einem extrem hohen Sperrwiderstand in Reihe mit einem Widerstand (R) vorgesehen ist.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sperrdiode (D2) die Steuer-Hauptelektrodenstrecke eines N-Kanal-Feldeffekttransistors verwendet ist.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (C2) mit der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors verbunden ist, der in einem Zweig einer Spannungsw meßbrücke liegt.
DE19671591922 1967-12-22 1967-12-22 Messschaltung fuer Scheitelwerte von unipolaren Spannungsimpulsen Pending DE1591922B1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT389391B (de) * 1985-07-22 1989-11-27 Elin Union Ag Schaltungsanordnung zur erfassung des maximalwertes aus mindestens zwei unabhaengigen einphasigen wechselspannungen

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1120010B (de) * 1958-06-16 1961-12-21 Gen Electric Spitzenspannungsmesser

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