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Automatische Rüekstelleinrichtung für Impuls - und Stoßspannungsmeßgeräte.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine einfache Schaltungsanordnung,
die ein Impuls=und Sto13spannungsmeßgerät naeh Messung und Anzeige eines Impulses
sofort zur Messung des nächsten in Bereitschaft versetzt, ohne vorher den vorhandenen
Meßwert an der Anzeige auszulösohen.
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Bs sind viele Meßanordnungen fur Impuls= und Stoßspannungen bekannt,
die sämtlich in ihrem Grundprinzip darauf beruhen, daß die zu messende Spannung,
die beispielsweise in der o.h= spannungstechnik einem Stoßspannungsteiler entnommen
ist, ueber ein Gleichriehterventil einen Kondensator auf ihren höehsten aufgetretenen
Wert auflädt, worauf die Spannung am aufgeladenen Kondensator infolge der rückwärtssperrenden
Wirkung des Ventils auch beim Wiederabsinken und Verschwinden der zu messenden Spannung
eine Zeit lang erhalten bleibt.
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Die Spannung am Kondensator kann dann mit einem elektrostatischen
Voltmeter oder einem Röxren-bzw. Transistorvoltmeter gemessen werden (Fig.1).
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Diese Anordnung bedarf stets einer Vorrichtung, die das künstlichte,
schnelle Wiederentladen des Kondensators unds damit das "Löschen" des anstehenden
Meßergebnisses am Instrument ermöglicht (Tastkontakt in Fig.1).
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Vor Eintreffen eines zu messenden Impulses mui3 stets der noch anstehende
Meßwert des vorangegangenen gelöscht werden, anderen5 falls die Messung zweifelhaft
und damit wertlos wäre: Ist der neue Meßwert größer als der alte, so wird der Kondensator
auf den neuen, höheren Wert aufgeladen - die Messung gilt; ist er Jedoch niedriger,
so bleibt die Anzeige dennoch auf dem vorher= gehenden, bereits verwerteten Me3wert
stehen, denn der Kondensat tor kann sioh Ja nicht ueber die Diode auf die niedrigere,
nun anstehende Spannung entladen.
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Die in Fig.1 dargestellte Löschschaltung mittels Handtaste hat den
Nachteil, daß die messende Person einen Teil ihrer Aufmerksamkeit der stets rechtzeitigen
Betätigung der Löschtaste wid=
men muß; bei einer vergessenen oder
nicht rechtzeitig erfolgten Löschung vor dem nächsten Impuls geht dieser der Messung
verloren.
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Aus diesem Grunde haben die meisten bekannten Meßüeräte dieser Art
neben der handbedienten eine automatische Löschung, die nach Ablauf einer bestimmten,
eingestellten Zeit vom Erscheinen eines Meßwertes (Eintreffen eines Impulses) ab
mittels eines Zeitrelais den Löschkontakt betätigt. Jeder angezeigte ZeBwert bleibt
dann nur für die Dauer dieser eingestellten Zeit am Instrument und verschwindet
dann wieder. Von Nachteil ist hierb bei, daß die Zeit bis zur Löschung immer noch
etwas kürzer eingestellt werden muß als das kürzeste Intervall zwischen zwei Impulsen
einer Meßreihe. Oft verschwindet dann der Meßwert vom Anzeigeinstrument unnötig
früh, vor allem dann, wenn er zur besseren Kontrolle noch länger hätte stehen bleiben
können, der Ableser muß sich u.U. dadurch mit der Ablesung sehr beeilen, um den
Zeitpunkt der Löschung nicht zu verlassen Es ist weiterhin bekannt, die Spannung
an einem Kondensator in der Sclalting nach Fig.1 nicht mit einem Meßinstrument,
sondern über einen Impedanzwandelnden Verstärker mit sehr hohem Ein= gangs= und
kleinem Ausgangswiderstand einer weiteren nachgeschaln teten Anordnung nach Fig.1
zuzuführen, die vorteilhaft einen Kondensator größerer Kapazität besitzt als die
erste. An dem Kondensator dieses zweiten Spitzenwertgleichrichters wird dann die
Spannung direkt oder über einen weiteren Meßterstärker ge= messen. Der Anlaß zu
einer solchen Kaskadenschaltung mehrerer Spitzenwertgleichrichter liegt darin, daß
man den Speicherkon= densator in Fig.1 mit sehr kleiner Kapazität ausführen muß,
wenn eine Aufladung innerhalb der kurzen Anstiegs= und Scheitel= zeiten rasch veränderlicher
Impuls=und Stoßspannungen möglich sein soll. Eine so kleine Kapazität entlädt sich
über die un= vermeidlichen Isolations-und Ableitwjderstände so rasch, daß die zu
messende Spannung für dB Auswertung nicht hinreichend lange ansteht, wohl aber lange
genug, um über den angeschlosse= nen Meßwertverstärker einen folgenden, viel größeren
Kondensator aufzuladen. Sollte auch dieser für eine genügend lange Meßwert= speieherung
nicht groß genug werden können, so kann man noch
eine dritte und
weitere Kaskadenstufen mit immer größeren Kon densatoren folgen lassen.
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8 ist auch bekannt, zur Vermeidung des Einflusses der Dioden-Schleusenspannung
mit einem Operationsverstärker eine lineare zur Aufladung des Speicherkonfensators
herzustellen. Hierbei wird der Kondensator aus dem Ausgang des Operationsverstärkers
über eine Diode geladen. Der Kondensator ist außerdem mit dem sehr hochohmigen Eingang
eines weiteren Gleichspannungsverstärkers, der aus einem Feldeffekttransistor bestehen
kann, verbunden, an dessen Ausgang der Gegopplung5wider5tand des Rechenverstärkers
and das Anzeigeinstrument angeschlossen sind. Das Verstärkungsverhältnis der gesamten
Anordnung wird wegen der hohen offenen Verstärkung des Operationsverstärkers praktisch
allein durch das Verhältnis des Gegenkopplungswiderstandes zum Eingangswiderstand
bestimmt, wodurch die Diodensehleusenspannung eliminiert wird. Diese Anordnung ist
deshalb für eine Easkadenschaltung besonders geeignet, weil auf diese Weise die
sonst in Jeder Kasw ladenstufe zu überwindende Schleusenspannung nun'keinen Einfluß
mehr auf die Meßgenauigkeit hat.
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Die Erfindung betritt eine automatische Rückstelleinrichtung für Impuls
- und Stoßspannungsmeßgeräte, die aus mindestens zwei in Kaskade geschalteten Spitzenvertgleichrichteranordnungen
mit Speicherkondensatoren bestehen. Erfindungsgemäß ist mindestens der Speicherkondensator
des zweiten bzw. letzten Spitzenwert= gleichrichters der Kaskade itt einer steuerbaren
Entladevorrieh, tung aus6estattet,4ie Jeweils vom eintreffenden Impuls bzv.Stoß
über eine geeignete Anordnung, beispielsweise eine Trigger und/ oder monostabile
Kippschaltung, kurzzeitig betätigt wird und dabei den Kondensator bis auf den, dem
am Speicherkondensator des ersten bzw. vorletzten 8pitzentertgleichrichters anstehenden
entsprechenden Spannungswert herab entlädt, sofern vorher eine höhere Spannung anstand.
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Diese Anordnung hat den großen Vorteil, daß eine am Instrument bestehende
Anzeige überhaupt nicht mehr relöseht zu werden braucht; sie bleibt so lange erhalten,
bis der nächste Impuls eintrifft und wird von diesem dann nur auf seinen, also den
neuen , Meßwert hin korrigiert. Ist der neue Meßwert niedriger als der alte, so
wird die Anzeige nicht erst auf Null zurückgestellt und dann auf den neuen Wert
eingeregelt, sondern sie läuft lediglich
um das betreffende Meßwertintervall
zurück.
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Dies gestattet bei einer zu messenden langsamen Impulsfolge eine bequeme
Ablesung des über den ganzen Zeitraum anstehenden.
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Meßvrgebnisses und auoh ein Zurtekgreifen auf diesen Wert durch andere
Beobachter,,vermeidet Jedoch den Ausfall von Meßwerten dadurch, daß eine Löschung
vergessen wird.
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Die Messung von Impulsen, die schnell aufeinanderfolge ist ebenfalls
auf diese Weise günstiger als mit tels der bekannten automatischen Löschverfahren;
erstens ist der zur Ablesung freie Zeitraum stets größer, denn die automatische
Löschung iuß um einen zeitlichen Sioherhaitsabstand früher erfolgen als der nächste
erwartete Impuls, damit das nächste Meßergebnis in keines Falle beeinfluß werden
kann - oder überdeckt; zweitens bleibt der Zeiger des Anzeigeinstrumentes insgesamt
leichter verfolgbar, weil er nicht - wie bei der automatischen Löschung - Tor Jedem
neuen Meßwert die Spannung Null erhält.
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Die erfindungsgemäße Anordnung dient demnach einer leichteren und
sicheren Ablesung der angeschlossenen Zeigerinstrumente; dem Notieren wird ein größerer
Zeit spielraum gegeben, und man kann außerdem schnellere Meßwertfolgen erfassen
als bisher.
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Bin schematisches Ansfilhrungsbeispiel ist in der Fig.2 dargestellt.
Sie zeigt eine Kaskadenschaltung aus zwei linearen Spitzenwertgleichrichternschaltungen
mit Operationsverstärkern.
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In Fig.2 sind Jeweils in den beiden Kaskadenstufen: 1 und 11 die Speicherkondensatoren;
2 und 12 die Dioden, über die die Kondensatoren aufgeladen werden; 3 und 13 die
Operationsverstärker; 5 bzw.15 und 6 bzw. 16 die Eingangs- und Gegenkopplungswiderstän
de, die als Hechenelemente den Wert der Spannungsverstärkung bestimmen (die meist.
zu eins oder nahe eins ausgeführt wird); 4 und 14 je ein Feldeffekttransistor mit
Source S, Gate Gt und Drain Dr; 7 und 17 sind bipolare Transistoren, die die Entladewiderstände
8 und 18 einschalten; 9 und 19 sind die Basisvorwiderstände zum Ansteuern der Transistoren
7 und 17; lo und 20 die Sourcewiderstände der FET-Verstärkerstufen. 21 und 22 sind
zwei monostabile Kippstufen; 23 ist das anzeigende Instrument, beispielsweise ein
Drehspulspannungsmesser.
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Die Wirkungsweise ist sie folgt: Kine as Eingang (Punkt A) erscheinende
positive Impulsspannung
steuert den Oqorationsverstirker 3 am invertierenden
Eingang P aus; am Ausgang des Verstärkers erscheint dann eine negative Spannung
und lädt aber die Diode 2 den Kondensator 1 so weit auf, bis die durch den in Sourcefolgerschaltung
arbeitenden Feldeffekt= transistor auf den Punkt G mit einem Verstärkungsverhältnis
von nahezu eins vom Kondensator übertragene Spannung so hoch ist, wie Eingangsspannung
mal Verhältnis von Widerstand 6 zu Widerstand 5.
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Vom Punkt G wird die Spannung an die zweite Kaskadenstufe übertragen,
die ebenso arbeitet und von Punkt K die hier wieder positive Spannung an das Anzeigeinstrument
23 abgibt.
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Sinkt die Spannung am Eingangg A wieder ab (am Ende des Impulses),
so kann ihr dieJenige an der Source des FET 4 (Punkt G) nicht folgen, da der Kondensator
1 geladen bleibt und den YLT weitern hin in derselben Höhe ansteuert. Am Rechenverstärker
überwiegt Jetzt die Gegenkopplungsspannung über den Widerstand 6 die Ein= gangsspannung
, so daß er umgekehrt ausgesteuert wird und an seinem jaagang schlagartig die entgegengesetzte
Spannung, oder,wenn die nicht näher bezeichnete, mit gestrichelten Zuleitungen eingezeichnete,
gegenko pelde Diode dies verhindert, annähernd die Spannung Null erscheint. Der
Umschlag der Ausgangsspannung des Verstärkers 3 am Ausgang, Punkt B, stößt die monostabile
Kippt 21 an, die nun für die Zeitdauer t1 ihren metastabilen Zustand annimmt und
mit ihrer Ausgangsspannung am Punkt C den Transistor 17 aussteuert, der damit den
Entladewiderstand 18 am Kondensator 11 einschaltet. Die Anordnung befindet sieh
nun in folgendem Zustand: am Punkt ; steht die Spannung des soeben eingetroffenen
Impulses an, auf welche der Kondensator 1 geladen ist und steuert den Verstärker
13 aus. Ist der Kondensator 11 von einem orangen gangenen Impuls her noch auf eine
höhere Spannung geladan (die auch das Anzeigeinstrument 23 noch anzeigt), so kann
der Verstärw ker 13 noch keine Spannung abgeben, da er durch den Widerstand 16 von
Punkt M noch eine Ge nkopplungsspannung zugeführt bekommt, die höher ist als die
ansteuernde Spannung vom Puntt Q. Der Kondensator 11 beginnt in diesem Augenbliek,
sich über den vom Transistor 17 eingeschalteten Widerstand 18 zu entladen. Seine
Spannung, gleichzeitig auch die Spannung an Punkt H und am Instrument 23 sinkt,
und zwar so lange, bis sie den der am Punkt Q an, liegenden entsprechenden Wert
erreicht hat und untersehreiten soll.
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Ein weiteres Absinken ist nicht möglich, weil der Verstärker 13 nun
wieder eine Ausgangsspannung von solcher Höhe abgibt, daß die ihn ge nkoppelnde
Spannung an Punkt x auf dem seiner Eingangs, spannung von Punkt G entspreehr den
Wert gehalten wird,- und zwar auoh, wenn er zusätzlich mit dem Widerstand 18 belastet
wird, denn sein Ausgangswiderstand ist klein und die Leerlaufverstär= kung eines
Operationsverstärkers so hoch, daß das Gegenkopplungs-Eingangsspannungsverhältnis
allein durch die zugehörigen Wider= stände bzw. deren Verhältnis zueinander festgelegt
ist. Das Instrument 23 zeigt nunmehr den neuen Meßwert an. Nach Ablauf der Leit
t1 , die stets für die Entladung von Kondensator 11 ausreicht, kippt die monostabile
Kippstufe 21 wieder zurück. Der Transistor 17 wird wieder gesperrt, so daß Jetzt
der neue Meßwert im Kondensator 11 gespeichert bleibt. Die Kippstufe 21 stößt aber
beim Zurückkippen die zweite monostabile Kippstufe 22 an, die für ihre Eigenzeit
t2 den Transistor 7 einssehaltet, der nun über den Widerstand 8 den Kondensator
1 ersten Kaskadenstufe vollständig entlädt, was Jetzt geschehen darf, denn der Meßwert
ist im Kondensator 11 der zweiten Kaskadenstufe gespeichert.
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NaM dem Zurückkippen der Kippstufe 22 ist das Gerät zur Annahme des
nächsten Meßspannungsimpulses bereit.
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Zur Verdeutlichung sind die zeitlichen Spannungsverläufe an den Punkten
A (Keßeingang), B (Ausgang des ersten Operationsverstär= kers 3), C und D (A sgängev
der ersten und zweiten Kippstufe), E (Kondensator 1) und F (Kondensator 11) in Fig.3
schematisch dargestellt, und zwar zuerst für einen Impuls, der den Kondensat tor
11 ungeladen, d.h., das Instrument 23 in Nullstel-lung vorw findet, und dann für
einen zweiten, kleineren Impuls, der die Zurücknahme der Spannung am Kondensator
11 und Instrument 23 auf seinen kleineren Wert in der beschriebenen Weise besirkt.
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Ist der Kondensator 1 so klein dimensioniert, daß er sich über die
Isolationswiderstände und die Sperrwiderstände der Diode 2, des Tlansistors 7 und
des Gate-Singanges des FET 4 so rasoh entlädt, daß die Zeitdauer des mitnoch genügender
Genauigkeit anlie= genden Meßwertes zwar zur Übernahme durch den Kondensator 11
in der Zeit t1 ausreicht, der Kondensator 1 aber bis zum nächsten Impuls der beabsichtigten
kürzesten Impulsfolge aber sohon wieder weitgehend entladen ist, 8o kann die zweite
Kippstufe 22 und die
Sntladeeinrichtung der ersten Kaskadenstufe
mit dem Transistor 7 und den Widerständen 8 und 9 entfallen.
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Selbstverständlieh können statt der Transistoren 7 und 17 auoh Relais
verwendet werden, die von den Kippstufen 21 und 22 angesteuert werden und mit ihren
Kontakten die Entladewiderstände 8 und 18 einschalten.