DE1591922C - Meßschaltung fur Scheitelwerte von unipolaren Spannungsimpulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen lange dauern darf, daß der Kondensator C über den des Scheitelwertes von unipolaren Spannungsimpulsen. Sperrwiderstand der Diode D bereits merklich ent-

Zum Messen von einmalig und kurzzeitig auftreten- laden wird, können mit.diesen Schaltungen nur Spanden Spannungsimpulsen ist es bekannt, an Stelle einer nungsimpulse relativ kurzer Dauer (etwa bis zur aufwendigen Aufzeichnung mit Hilfe eines Oszillo- 5 Größenordnung von Millisekunden) registriert werden. · graphen Meßgeräte zu verwenden, die den vornehmlich Hierdurch ist eine wesentliche Einschränkung "der interessierenden Scheitelwert des Spannungsimpulses Anwendbarkeit gegeben.

unmittelbar auf einem Meßinstrument anzeigen. Bei Ferner ist es auch schon bekannt, die Diode D

diesen Meßgeräten kommt es darauf % an, eine dem durch einen mechanischen Schalter oder einen elek-Scheitelwert des zu messenden Spannungsimpulses io ironisch gesteuerten Relaiskontakt nach dem Impulsentsprechende Größe für eine bestimmte Zeit, z. B. ende vom Kondensator C abzutrennen. Abgesehen mehrere Sekunden, ohne nennenswerte Verfälschung vom Aufwand haben auch diese Schaltungen den Nachais Meßwert zu speichern. ' teil, daß nur Spannungsimpulse gemessen werden

Für eine solche Speicherung ist eine Schaltung können, die vor der Abschaltung ihr Spannungsgemäß folgendem Grundprinzip bekannt: Ein Kon- 15 maximum erreicht haben.

densator C wird über eine Diode D auf den Scheitel- Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaf-

wert des am Schaltungseingang auftretenden Span- fung einer verbesserten Schaltung, die sehr robust nungsimpulses aufgeladen. Eine Entladung dieses Kon- und betriebssicher ist, eine hohe Bandbreite aufweist, densators C am Ende des Impulses wird durch den einen sehr kompakten Schaltungsaufbau ermöglicht Sperrwiderstand der Diode D verhindert. Die am Kon- 20 und keine Schalter, Relaiskontakte oder Röhren beindensator C, d. h. am Ausgang der Schaltung liegende haltet.

Spannung läßt sich mit einem elektrostatischen Volt- Ausgehend von einer bekannten Schaltung zum

meter oder einem hochohmigen Verstärker mit nach- Messen des Scheitelwertes von unipolaren Spannungsgeschaltetein Drehspulinstrument od. dgl. zur Anzeige impulsen mit vom zu messenden Impuls über eine bringen. 35,DiodeDl aufzuladenen, in Reihe liegenden Konden-

Die Nachteile dieser bekannten Schaltung ergeben satoren Cl und Cl, wird zur Lösung der vorgenannten sich aus der nachfolgenden Betrachtung. Die Kapazität Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Schaldes Kondensators C muß möglichst klein gehalten tung so auszubilden, daß die Kapazität des Eingangswerden, jdenn der Kondensator belastet die Impuls- kondensator Cl um mindestens eine Größenordnung Spannungsquelle und bestimmt auch den über die 30 kleiner als die des Speicherkondensators Cl ist, daß Diode D beim Anstieg des Spannungsimpulses fließen- die den Ladestrom durchlassende Halbleiterdiode Dl den Stromi — C- (du/dt). Ferner legt der Konden- extrem gute Durchlaßeigenschaften aufweist und daß sator C die Bandbreite/& der Schaltung fest: Wenn parallel zu der aus Speicherkondensator Cl und erster "die Impulsspannungsquelle einen Inhenwiderstand Ri Halbleiterdiode Dl bestellenden Reihenschaltung eine besitzt, ergibt sich als Bandbreite/_Ö = 1/(2π · Ri · C). 35 die Entladung des Speicherkondensators Cl verhin-Ferner bestimmt die Größe des Kondensators C zu- dernde zweite Halbleiterdiode Dl (Sperrdiode) mit sammen mit dem Sperrwiderstand Rd der Diode D die einem extrem ■ hohen Sperrwiderstand in Reihe mit Entladezeitkonstante der Schaltung: T_e = Rd · C. einem Widerstand R vorgesehen ist.

Wenn man nun beispielsweise den Kondensator C · Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung zu 100 pF wählt, müßte der Sperrwiderstand Rd für 4° ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen eine Entladezeitkonstante T_e von 1000 Sekunden einen Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Schalt-Wert von 10¹³ Ohm annehmen. Da aber herkömm- bild einer bevorzugten, erfindungsgemäßen Schaltung liehe Halbleiterdioden einen so hohen Sperrwiderstand beispielsweise veranschaulicht ist. nicht aufweisen, wurden bereits verschiedene Schal- Wie die Zeichnung zeigt, ist die Schaltung so aus-

tungen entwickelt, mit denen die Entladung des Ein- 45 gebildet, daß ein Eingangskondensator Cl, ein Speichergangskondensators verzögert wird. Röhrendioden mit kondensator Cl und eine zwischen den Kondensatoren den geforderten hohen Sperrwiderständen haben da- liegende, den Ladestrom durchlassende erste HaIbgegen folgende Nachteile: Sie haben einen relativ leiterdiodeDl an die Eingangsklemmen 1, V angehohen Durchlaßwiderstand in der Größenordnung yon schlossen sind und daß parallel zu der aus Speicher-100 Ohm, sie erfordern eine Heizung, was besonders 50 kondensator Cl und erster Halbleiterdiode Dl bebei batteriebetriebenen Geräten einen erheblichen stehenden Reihenschaltung eine die Entladung des Mehraufwand bedeutet, sie erwärmen das Gerät Speicherkondensators Cl verhindernde zweite HaIb-(thermische Driften der übrigen Bauelemente) und leiterdiode Dl in Reihe mit einem Widerstand R vorerfordern in der Regel eine Gegenspannung zur Er- gesehen ist.

reichung des geforderten hohen Sperrwiderstandes; 55 Diese Schaltung ohne den Widerstand R ist formal schließlich ist die Lebensdauer geringer als bei Halb- gleich einer bereits bekannten Gleichrichterschaltung, leiterdioden. . · wie sie sich beispielweise in der ersten Stufe einer

Einige der oben erwähnten verbesserten Schaltungen Greinacher-Kaskade befindet oder wie sie auch in basieren auf einer Umladung des Kondensators C Meßgeräten zur Messung des Scheitelwertes periodiauf einen wesentlich größeren Speicherkondensator C_u. 60 scher Wechselspannungen dient (deutsches Pa-Die Umladung erfolgt entweder über einen mechani- tent 1120 010). Bei dieser bekannten Schaltung wird sehen Schalter oder einen hochohmigen Widerstand zur Erzeugung einer Gleichspannung an einem Konoder eine Diode in Reihe mit einem hochohmigen · densator Cl an den Eingang 11' eine Wechselspannung Widerstand. Der Nachteil dieser letzteren Schaltungen gelegt. Hiermit erscheint an Cl der doppelte Scheitelist, daß die Umladezeitkonstante wesentlich größer 65 wert der angelegten Wechselspannung infolge einer sein muß als die Impulsdauer, da es sonst zu einer sich über viele Perioden erstreckenden sukzessiven unvertretbaren Verfälschung des Meßergebnisses Aufladung, unabhängig von der Größe der Kapazikommt. Da aber andererseits die Umladung nicht so " läten Cl und Cl. Ozr Kondensator Cl dagegen lädt

sich auf den Scheitelwert der Wechselspannung "auf. satoren Cl und Cl aufteilt. Da der Eingangskonden-Üblicherweise werden die Kapazitäten Cl und Cl sator Cl wesentlich kleiner ist als der Speicherkongleich groß oder im Verhältnis 1:2 unterschieden densator Cl, liegt nahezu die gesamte Spannung "gewählt. Für die Funktion dieser Schaltung ist es am Kondensator Cl. '-·:'-wesentlich, daß die DodenDl und Dl gleich sind 5 Am Ende des Impulses liegt im ersten Augenblick sowohl in ihren Durchlaß- als auch in ihren Sperr- . die Sperrspannung von etwa 100 V an der Diode Dl eigenschaften. (An beiden Dioden tritt' eine gleich und nun wird der Eingangskondensator Cl über die große Sperrspannung auf.) ' Diode D1 in Durchlaßrichtung, den Widerstand R und

Soll diese Schaltung zur Messung des Scheitelwertes den an den Eingangsklemmen 1, V liegenden äußeren von periodischen Wechselspannungen dienen, so kann io Kreis entladen. Da der Entladestrom durch die Steuerparallel zum Kondensator Cl ein Meßgerät angeschlos- Hauptelektrodenstrecke des als Sperrdiode Dl ver-, sen werden. Die durch das Instrument entzogene wendeten Feldeffekttransistors keinesfalls zu groß Ladung wird e"benso wie die über die Sperrwiderstände werden darf, ohne die Diode zu zerstören, ist seine der Dioden Dl und Dl abfließende Ladung konti- Begrenzung durch den Widerstand R wesentlich für nuierlich nachgeliefert durch die periodische Span- 15 die Funktion der Schaltung. Wenn man beispielsnungsquelle am Eingang. Diese Schaltung ist aber weise den Entladewiderstand R zu 1 Megohm wählt, absolut ungeeignet zur Messung von periodischen ergibt sich ein maximaler Strom von
Spannungen, die nur wenige Perioden andauern, da ■ .
der Kondensator Cl erst während einer. Vielzahl von - Vci/R «* 100/10» = 0,1 mA, ■
Perioden auf den Endwert aufgeladen wird und somit ao ; ·
die an Cl anstehende Spannung abhängig von der ^we™ f<* ^d,^{16 S}P^annunS ^a?,^{C1 ISt} ®^{lS Entladun}8 Anzahl der Perioden der Wechselspannung wird·. Auch ^{von C1 edol}& ^{mit einer} Zeitkonstanten
zur Messung einmaliger Spannungsimpulse ist diese ■ j. _ « . q-% _ 1 qq „_s
Schaltung in der vorliegenden Form nicht geeignet! ⁿ ^ '

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung zur Messung 25 Im weiteren Verlauf wird nun der Eingangskonden-

unipolarer, einmalig auftretender Spannungsimpulse sator Cl über den Sperrwiderstand Rd₁ der Diode Dl

wird von der Überlegung ausgegangen, daß Halb- auf die Spannung des Speicherkondensators Cl von

Ieiterdioden mit sehr guten Durchlaßeigenschaften, wie etwa 0,1 V umgeladen. Geht man davon aus, daß Rdi

hohe Strombelastbarkeit, geringer Durchlaßwiderstand einen Wert von 10⁸ Ohm hat, ergibt sich eine Zeit-

und insbesondere auch geringe Erholzeit in Sperrich- 39 konstante
tung, keinen extrem hohen Sperrwiderstand besitzen.

Dsshalb wurden die beiden Funktionen, nämlich das t_u — * R_Dl — 10 ms.

Aufladen des Speicherkondensators Cl über die mit Cl + Cl
dem Kondensator Cl in Reihe liegende Diode Z)l.und

die Verhinderung der Entladung durch die Diode Dl 35 Nach Beendigung dieser Umladung von der Speicherextrem verschiedenen Diodentypen übertragen. Wäh- kapazität Cl auf die Eingangskapazität Cl sind beide rend als DiodeDl z. B. eine diffundierte Siliziumdi- Kondensatoren gleichsinnig aufgeladen und über den ode 1N914 verwendet wird, kann als Diode Dl eine nicht sehr hohen Sperrwiderstand von Dl: Rd₁ Steuer-Hauptelektrodenstrecke eines iV-Kanal-Feld- parallel geschaltet.

effekttransistors 2N4304, deren Sperrstrom in der 40 Es sei darauf hingewiesen, daßdie durch T_ei und T_u

Größenordnung von 1 pA liegt, verwendet werden. charakterisierten Vorgänge erst dann beginnen, wenn

Für die Funktion dieser Schaltung ist es weiterhin die Spannung an den Eingangsklemmen 1,1' verwesentlich, daß die Kapazitäten Cl und Cl sich in schwunden ist. Somit sind die Spannungen an den ihrer Größe sehr voneinander unterscheiden. So wird Kondensatoren Cl und Cl, die sich schließlich eindie Kapazität Cl zweckmäßig in der Größenordnung 45 stellen, unabhängig davon, wie lange die Rechteckvon 100 pF gewählt, die Speicherkapazität Cl in der ' spannung an den Eingangsklemmen 1,1' angestan-Größenordnung von 100 nF. Somit ist die an Cl auf- den ist.

tretende Spannung und somit auch die an der Diode Dl Im weiteren Verlauf kann sich nun der Speicher-

ansteTiende Sperrspannung stets wesentlich kleiner als kondensator Cl (und auch Cl) nur noch über den

der Scheitelwert der Eingangsspannung. 5° Sperrwiderstand der Sperrdiode Dl entladen. Für eine

Die Registrierung der Spannung an dem Speicher- Entladezeitkonstante T_ez dieses Speicherkondensa-

kondensator Cl kann nun dadurch erfolgen, daß Cl tors Cl von 10 000 Sekunden (d. h. bei einem zu-

mit der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors grundegelegten Abfall des gespeicherten Signals in

verbunden ist, der mit seiner Hauptelektrodenstrecke 10 Sekunden um 0,1 %) muß der Sperrwiderstand der.

als Widerstand in dem Zweig einer Meßbrücke liegt. 55 Diode Dl
.Allerdings kann die beschriebene Schaltung auch an

einen Meßverstärker mit ausreichend hohem Ein- ^₀₂ = . _^e2 ^ 10¹²Ohm

gangswiderstand angeschlossen werden. Cl + Cl

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der in der Zeichnung dargestellten Schaltung sei angenommen, daß 60 betragen. Man erkennt, daß Feldeffekttransistoren, die daß an den Eingangsklemmen 1,1' ein positiver recht- sich in ihrem P-N-Ubergang in Durchlaßrichtung wie eckförmiger Spannungsimpuls mit einer Amplitude Dioden verhalten, in Sperrichtung aber außerordentvon 100 V auftritt. Die in Reihe liegenden Konden- lieh hochohmig sind, besonders gut für die Aufgaben satoren, nämlich der Eingangskondensator Cl von der Sperrdiode Dl geeignet sind, insbesondere, da die z.B. 100 pF und der Speicherkondensator Cl von 65 an Dl gemäß des hier ausgeführten Beispieles aufz. B. 100 nF, werden über die Aufladediode D1 auf- tretende Sperrspannung kleiner als 1 V ist (im Gegengeladen, wobei sich die Spannung etwa im umgekehr- satz zu der an Dl maximal auftretenden Sperrspannung ten Verhältnis der Kapazitätswerte auf die Konden- von etwa 100 V). '

Zu einer Erweiterung des Meßbereiches bei höheren ' Eingangsspannungen von z. B. 1000 V "werden aus- reichend viele Durchlaßdioden Dl in Reihe geschaltet, während die Sperrdiode DT unverändert beibehalten werden Jcann." - .. '

Die an dem Speicherkondensator Cl 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 JV-Kanal-Feldeffekttransistor (z. B. 2N4304), der mit seinen Hauptelektroden in den Brückenzweig eingeschaltet ist, während seine Steuerelektrode bei T mit dem einen Belag des Speicherkqndensators Cl verbunden ist. Dar andere Belag des Speicherkondensators Cl ist im Punkt 2 mit der unteren Spannungsecke der Brücke verbunden. Es ist offensichtlich, daß eine Spannung an den Eingangsklemmen 1,2' des Verstärkers eine Brückenver- so 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.

Di für die sehr einfache Schaltung ausschließlich Bauelementeder. 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)

Patentansprüche: "

1. Schaltung zum Messen des Scheitelwertes von unipolaren Spannungsimpulsen mit vom zu messenden Impuls über eine Diode (Dl) aufzuladen-• den, in Reihe liegenden Kondensatoren (Clund Cl) dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Eingangskondensators (Cl) um mindestens eine Größenordnung kleiner als die des Speicherkondensators (Cl) ist, daß die den Ladestrom durchlassende Halbleiterdiode (Dl) extrem gute Durchlaßeigenschaften aufweist und daß parallel zu der aus Speicherkondensator (Cl) und erster Halbleiterdiode (Z>1) bestehenden Reihenschaltung eine die Entladung des Speicherkondensators (Cl) verhindernde zweite Halbleiterdiode (Dl, Sperrdiode) mit einem extrem hohen Sperrwiderstand in Reihe mit einem Widerstand (R) vorgesehen ist.

2. Schaltung tiach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sperrdiode (Dl) die Steuer-Hauptelektrodenstrecke eines iV-Kanal-Feldeffekttransistors verwendet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (Cl) mit der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors verbunden ist, der in einem Zweig einer Spannungsmeßbrücke liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen