DE1927417A1

DE1927417A1 - Arrangement for measuring high-ohmic resistances

Info

Publication number: DE1927417A1
Application number: DE19691927417
Authority: DE
Inventors: Thalwitzer Dipl-Ing Axel; Jungmeister Dr-Ing Dr Hans; Bieck Dipl-Ing Rolf-Dieter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-05-29
Filing date: 1969-05-29
Publication date: 1970-12-03

Description

Anordnung zum Messen hochohmiger Widerstände Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen hochohmiger Widerstände nach dem ;;tro;meAverfai'lrc-n, bei den der zu nessende Widerstand und der Eingang eines Verstärkers sowie gegebenenfalls diesem parallel geschaltete Widerstande in Reihe geschaltet sind und von in Stron aus einer Speisespannungsquelle mit einer bestimmten Ausgangsspannung durchflossen sind. Derartige Anordnungen sind aus der Zeitschrift ATM V 3513-1 bekannt. Die Verstärker haben im allgemeinen einen hochohmigen Eingang, so daß, wenn deren Eingangsstufen halbleiterbauelemente enthalten, bei Bedienungsfehlern, z.B. Einschalten eines falschen Meßbereiches, diese beschädigt werden können.Arrangement for measuring high-ohmic resistances The invention relates to an arrangement for measuring high resistance according to the ;; tro; meAverfai'lrc-n, where the resistance to be measured and the input of an amplifier as well as possibly This parallel connected resistors are connected in series and from in Stron flowed through from a supply voltage source with a certain output voltage are. Such arrangements are known from the magazine ATM V 3513-1. The amplifiers generally have a high impedance input, so if their input stages contain semiconductor components in the event of operating errors, e.g. switching on an incorrect one Measuring range, this can be damaged.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, bei der der Verstärker nicht nur einen hochohmigen Eingang hat, sondern auch gegenüber Spannungen weitgehend geschützt ist.The object of the present invention is to create an arrangement in which the amplifier not only has a high-impedance input, but also opposite Tensions is largely protected.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Speisespannung nach dem Einschalten langsam bis auf den Vorbestimmten Wert ansteigt und daß sie abgeschaltet wird, wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.According to the invention this object is achieved in that the supply voltage after switching on slowly increases to the predetermined value and that it is switched off when the output voltage of the amplifier is a predetermined Exceeds limit.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.Based on the drawing, in which an exemplary embodiment is shown, the invention and further advantages and additions are described in more detail below and explained.

Figur 1 zeigt im Prinzip eine @nordnung zum Messen hochohmiger Widerstände.In principle, FIG. 1 shows an arrangement for measuring high-ohmic resistances.

In den Figuren 2 und 4 ist je ein Schaltbild eines Verstärkers für eine soche Anordnung dargestellt.In Figures 2 and 4 is a circuit diagram of an amplifier for such an arrangement is shown.

Die Figur )7 verdeutlicht die Anschaltung von Meßwiderständen mittels Transistoren.The figure) 7 illustrates the connection of measuring resistors by means of Transistors.

In Figur 1 ist der zu messende Widerstand mit Rx bezeichnet, der mit dem Eingangswiderstand Re eines Verstärkers 1 und gegebenenfalls einem oder mchreren Meßwiderständen Rp einen Teiler für die Ausgengsspannung einer Speisespannungsquelle 2 bildet. Dic abgegriffenc Spannung wird in den Verstärker 1 verstärkt, an den ein Spannungs- oder Strommesser 3 angeschlossen ist. Da der Widerstand Rx sehr hocho@@ig ist, muß auch der Widerstand Re hochohmig soin, damit die Eingangsspannung des Verstärkers eine ausreichende Größe hat.In FIG. 1, the resistance to be measured is denoted by Rx, and that by the input resistance Re of an amplifier 1 and possibly one or more Measuring resistors Rp a divider for the output voltage of a supply voltage source 2 forms. The tapped voltage is amplified in the amplifier 1, to which a Voltmeter or ammeter 3 is connected. Since the resistance Rx is very high o @@ ig is, the resistor Re must also be high impedance so that the input voltage of the amplifier is of sufficient size.

Es sind zwar hochohmige Verstärker bekannt. Inthalten aber deren Fingangsstufen Halbleiterbauelemente, z.B. Feldeffekt transistoren, dann besteht die Gefahr, daß zumindest der Eingangstransistor durch Überstouchung boschädigt wird, z.B. dann, wenn ein Widerstand Rx mit zu niedrigem Widerstandswert eingesetzt wird.It is true that high-impedance amplifiers are known. However, they contain their initial stages Semiconductor components, e.g. field effect transistors, then run the risk of at least the input transistor is damaged by overload, e.g. then, if a resistor Rx with too low a resistance value is used.

Um diese Gefahr zu vermeiden, wird bei der neuen Anordnung die Speisespannung für die Reik\henschaltung der Widerstände Rx und Rc, Rp nicht plötzlich eingeschaltet, sondern es wird eine sägezahnförmig ansteigende Sapnnung angelegt, die bis auf einen vorbestimmten Wert, bei dem der Widerstand Rx genessen wird, ansteigt und sicn dann nicht nehr selbständig ändert. Entsprechend steigt auch die Ausgangsspannung des Verstärkers an. Überschreitet diese einen vorgegebenen Grenzwert, oberhalb dessen der Eingangstransistor oder das Voltmeter beschädigt werden könnte, dann wird mittels eines nicht dargestellten Grenzwertmelders die ansteigende Speisespannung über eine Leitung 4 abgeschaltet. Die Anstiegsgeschwindigkeit muß so bemessen sein, daß die ansteigende Spannung noch rechtzeitig abgeschaltet wird, bevor der Verstärker beschädigt werden kann.In order to avoid this risk, the supply voltage is used in the new arrangement for the series connection of the resistors Rx and Rc, Rp not suddenly switched on, but a sawtooth-like increasing tension is created, which except for one predetermined value at which the resistance Rx is measured, rises and then sicn does not change independently. The output voltage of the increases accordingly Amplifier. If this exceeds a specified limit value, above this the input transistor or the voltmeter could be damaged then by means of a limit indicator, not shown, the increasing supply voltage over a Line 4 switched off. The rate of rise must be such that the increasing Voltage is switched off in time before the amplifier can be damaged.

Übersteuerungen des Verstärkers können «.B. auftreten, wenn der Wert des Widerstandes Rx zu. klein ist bzw. niedriger als der eingeschaltete Widerstandsbereich des Meßgerätes ist. Zur Bereichsumschaltung kann entweder der Endwert der Speisespannung umgeschaltet werden, oder es können dem Eingangswiderstand Re des Verstärkers Widerstände Rp parallelgeschaltet werden. Auch ist es möglich, den Meßbereich des Spannungs- oder Strommessers zu ändern.Overdrive of the amplifier can «.B. occur when the value of the resistance Rx to. is small or lower than the activated resistance range of the measuring device. Either the end value of the supply voltage can be used to switch the range be switched, or it can be the input resistance Re of the amplifier resistors Rp can be connected in parallel. It is also possible to set the measuring range of the voltage or to change the ammeter.

Da sowohl der zu messende Widerstand Rx als auch der Eingang des vorzugsweise vergossenen Verstärkers vor Störfeldern geschützt werden müssen, ist der Verstärker vorzugsweise durch einen Metallkäfig abgeschirmt. Dieser weist eine Metallklappe auf, durch die der zu messende Widerstand Rx eingesetzt und entfernt werden kann. Von dieser Klappe wird ein Schalter betätigt, der bei oeffnen der Klappe die Speisespannung abschaltet. Dadurch wird verhindert, daß der zu messende Widerstand bei eingeachaltoter Prüfspannung angeschlossen werden kann, ohne daß der Grenzwertmelder und die Abschaltvorrichtung eine Beschädigung acs Verstärkers rechtzeitig verhindern können.Since both the resistance Rx to be measured and the input of the preferably encapsulated amplifier must be protected from interference fields is the amplifier preferably shielded by a metal cage. This has a metal flap through which the resistor Rx to be measured can be inserted and removed. A switch is operated by this flap, which supplies the supply voltage when the flap is opened turns off. This prevents the resistance to be measured from becoming dead Test voltage can be connected without the limit indicator and the disconnection device prevent damage to the acs amplifier in good time.

Der Verstärker nach Figur 2 ist ein Differenzverstärker mit den beiden Feldeffekttransistoren FET 1 und FET 2. Damit ein möglichst großer Eingangswiderstand erzielt wird, sind dies bevorzugt Metalloxydhalbleiter-Feldeffekttransistoren, genannt MOS-Transistoren. Der Abgriff des Spannungsteilers mit den Widerständen Rx und Rp 1 bzw. Rp 2 ist mit der Gate-Elektrode des Transistors FET 1 verbunden. Das Gate des Transistors FET 2 liegt an einer konstanten Referenzspannung, die von einer temperaturstabilisierten Zenerdiode Z gebildet und an einem Spannungsteiler mit den Widerständen R 1 und R 2 abgegriffen wird. An die Sourceelektroden der beiden Transistoren FET 1 und FET 2 ist jeweils ein Widerstand R 3 bzw. R 4 angeschlossen, die eine; Gegenkopplung bewirken. Bevorzugt sind sic so groß gewählt, daß der Verstärkungsgrad des Differenzverstärkers etwa Eins ist. Die beiden Transistoren verden über die Widerstände R 3 und R4 aus einer gemeinsamen, temperatur-stabilisierten Quelle eingeprägten Stromes gespeist, die sich z.B. durch die Schaltung mit den beidcn Transistoren T 1 und T 2 realisieren läßt.The amplifier of Figure 2 is a differential amplifier with the two Field effect transistors FET 1 and FET 2. This means that the input resistance is as large as possible is achieved, these are preferably metal oxide semiconductor field effect transistors called MOS transistors. The tap of the voltage divider with the resistors Rx and Rp 1 or Rp 2 is connected to the gate electrode of the transistor FET 1. The gate of the transistor FET 2 is at a constant reference voltage, which is from a temperature-stabilized Zener diode Z and connected to a voltage divider the resistors R 1 and R 2 is tapped. To the Source electrodes of the two transistors FET 1 and FET 2 is a resistor R 3 and R 4, respectively connected to the one; Cause negative feedback. They are preferably chosen so large that that the gain of the differential amplifier is about unity. The two transistors verden via the resistors R 3 and R4 from a common, temperature-stabilized Source of impressed current, which is e.g. both transistors T 1 and T 2 can be realized.

An die Drainelektroden der Transistoren FET 1 und FET 2 sind die Arbeitswiderstände R 5 und R 6 angeschlossen, die etwa gleiche Größe haben. Zwischen den Drainelektroden liegt der Spannungs- oder Strommesser 3, der mittels des Widerstandes R 7 bei der Eingangsspannung Null auf den Widerstandswert # eingestellt wird. Ein weiterer Abgleich des vergossenen Yerstärkers ist nicht notwendig.The load resistors are connected to the drain electrodes of the transistors FET 1 and FET 2 R 5 and R 6 connected, which are approximately the same size. Between the drain electrodes is the voltage or ammeter 3, which by means of the resistor R 7 at the Input voltage zero is set to the resistance value #. Another comparison of the encapsulated booster is not necessary.

Damit der volle Linearitätsbereich des Differenzverstärkers ausgenützt werden kann, wird die Vorspannung des Transistors FET 2 so gewählt, daß sie in der Mitte des Austeuerbereiches des Transistors FET 1 liegt. Für den Transistor FET 1 kann z.B. ein Aussteuerbereich von Null bis 5 V zugelassen werden; in diesem Falle ist die Vorspannung des Transistors FET 2 2,5 V. Es muß dann ein Anzeigeinstrument verwendet werden, dessen Zeiger sich in den Ruhelage in Skalenmitte befindet, oder es muß dem Anzeige instrument ein Vorstrom von entsprechender Größe Eingeprägt werden.So that the full linearity range of the differential amplifier is used can be, the bias of the transistor FET 2 is chosen so that it is in the The middle of the control range of the transistor FET 1 is located. For the transistor FET 1, for example, a control range from zero to 5 V can be permitted; in this case The bias of the transistor FET 2 is 2.5 V. It must then be a display instrument whose pointer is in the rest position in the middle of the scale, or a bias current of the appropriate size must be impressed on the display instrument.

In eier derartigen Schaltung ist die Temperaturabhängigkeit der Verstärkung der Feldeffekttransistoren weitgehend kompensiert. Zur Verbesserung des Tomperaturganges des Verstärkers können zusätzlich die beiden Transistoren mit einem gemeinsamen Metallkörper in Wärmekontakt gebracht werden, damit sie auf gleicher Temperatur sind. Beispielswerse können sie von beiden Seiten in eine federnde Metallhülse gesteckt werden, falls die Source-Elektroden nicht mit dem Gehäuse verbunden sind.In such a circuit there is the temperature dependence of the gain of the field effect transistors largely compensated. To improve the temperature response of the amplifier can also use the two transistors with a common Metal bodies are brought into thermal contact so that they are at the same temperature are. For example, they can be put into a resilient metal sleeve from both sides plugged if the source electrodes are not connected to the housing.

Diese Verbesserung läßt sich auch erreichen, wenn man zwei Transistoren im gemeinsamen Gehäuse einsetzt. Sind diese Transistoren außerdem bezüglich gleicher Verstärkungseigenschaften gepaart, so erleichtert dies die Linearisierung des Terstä kews.This improvement can also be achieved by using two transistors used in the common housing. In addition, these transistors are the same with respect to Paired gain properties, this facilitates the linearization of the Terstä kews.

In Gegensatz zu bipolaren Transistoren gibt es bei MOSTETs stets einen Arbeitsstrom bei dem die Verstärkung temperaturunabhängig ist. Dimensioniert man die Stromquelle so, daß durch die Transistoren FET 1 un FET 2 dieser für temperaturunabhängige Verstärker maßgebende Strom flieht, wenn sich die Gitter auf gleichem Potential befinden, so läßt sich eine weitere Stabilisierung der Verstärkung des Differenzverstärkers gegen Tomperaturschwankungen erreichen.In contrast to bipolar transistors, MOSTETs always have one Working current at which the gain is independent of temperature. One dimensioned the current source so that through the transistors FET 1 and FET 2 this for temperature-independent Amplifier governing current escapes when the grid is at the same potential are located, a further stabilization of the gain of the differential amplifier can be achieved against temperature fluctuations.

Am Gitter des j'ransistors FET 1 liegen die Widerstände Rp 1 und Rp 2, 21 zur Umschaltung des Meßbereiches verwendet werden Können und die vorzugsweise über Relais r 1 und r 2 oder, wie es in Figur 3 dargestellt ist, als Schalter arbeitende Feldeffekttransistoron FET 5 und bei 6 an Masse schaltbar sind. Die Parallelwiderstände Rp 1 und Rp 2 und die Schalter sind zusammen mit dem Verstärker vergossen.The resistors Rp 1 and Rp are connected to the grid of the transistor FET 1 2, 21 can be used to switch the measuring range and preferably via relays r 1 and r 2 or, as shown in FIG. 3, as a switch Field effect transistor FET 5 and at 6 can be switched to ground. The parallel resistors Rp 1 and Rp 2 and the switches are potted together with the amplifier.

In der Schaltung nach Figur t wird die am Spannungsteiler mit den Widerstäden Rx und Re abgegriifene Spannung der Gateelektrode eines ersten Feldeffekttransistors FET 3 zugeführt, der in Sourceschaltung arbeitet. Bessen Arbeitswiderstand R 8 wird so gewählt, daß die Spannungsverstärkung größer als Eins ist. Abn die Drainelektrode ist ein Spannungsttiler mit den Widerständen R 9, R 10 und R 11 angeschlossen, der zu einer negativen Spannungsqulle -V 2 führt. Dieser Spannungsteiler nat einen Widerstandewert, der groß gegenüber dem des Widerstandes R 8 ist, vorzugsweise ist er um mindestens eine Größenordnung hochohmiger. Ferner ist er so dimensioniert, daß am Abgriff bei geerdetem Eingang des Transistors FET 3 O V eingestellt werden können und daß die Spannungsverstärkung zwischen dem Eingang des Transistors FET 3 und dem Abgriff etwa Eine beträgt. Bei einer solchen Wahl der Widerstände R 8, R 9, R 10, R 11 werden der Transistor FET 3 und ein zweiter Feldeffckttransistor FET 4, dessen Steuerelektrode mit dem Spannungsteilerabgriff verbunden ist, symmetrisch angesteuert. Dieser zweite Transistor arbeitet ebenfalls in Sourceschaltung. Zwischen die Drainelektroden der beiden Transistoren FET 3 und FET 4 ist ein Sapnnungs- oder Strommesser, z.B. ein Drehspulinstrument geschaltet. Selbstverständlich kann dieses durch einen Differenzverstärker ersetzt werden, der dann seinerseits ein Instrument oder eine andere Auswertecinrichtung anstouert. Der Arbeitswiderstand des Transistors FET 4 ist veränderlich, wobei der maximale desamtwiderstand etwas größer als der Widerstand R 8 ist, damit die Ausgangsspannung des Verstürkers zwischen den Drainelektroden der Transistoren auf Null eingestellt werden kann, auch wenn die Transistoren etwas unterschiedlich sind.In the circuit according to Figure t, the voltage divider with the Resistances Rx and Re tapped voltage of the gate electrode of a first field effect transistor FET 3 supplied, which works in source circuit. Its working resistance is R 8 chosen so that the voltage gain is greater than one. Remove the drain electrode a voltage regulator with the resistors R 9, R 10 and R 11 is connected, the leads to a negative voltage source -V 2. This voltage divider has a resistance value, the is large compared to that of the resistor R 8, preferably it is at least one Order of magnitude higher resistance. It is also dimensioned so that at the tap when the Input of the transistor FET 3 O V can be adjusted and that the voltage gain between the input of the transistor FET 3 and the tap is approximately one. at Such a choice of resistors R 8, R 9, R 10, R 11 becomes the transistor FET 3 and a second field transistor FET 4, the control electrode of which is connected to the voltage divider tap is connected, controlled symmetrically. This second transistor also works in source circuit. Between the drain electrodes of the two transistors FET 3 and FET 4 is a voltage or ammeter, e.g. a moving coil instrument. Of course, this can be replaced by a differential amplifier that then in turn anstouert an instrument or another evaluation device. The working resistance of the transistor FET 4 is variable, the maximum being the total resistance is slightly larger than the resistor R 8, so that the output voltage of the amplifier is set to zero between the drain electrodes of the transistors can be, even if the transistors are slightly different.

10 P a t e n t a n s p r ü c h e @ Figuren10 P a t e n t a n s p r ü c h e @ figures

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e arrangement for measuring high resistance according to the current measurement method, in which the resistance to be measured and the input resistance an amplifier and, if necessary, resistors connected in parallel to this Are connected in series and by a current from a supply voltage source with a certain output voltage are flowed through, characterized in that the supply voltage after switching on slowly increases to the predetermined value and that it is switched off when the output voltage of the amplifier (1) has a predetermined value Exceeds limit.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the final value of the supply voltage is switchable.

3. Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that that the amplifier (1) the resistance to be measured (Rx) and, if necessary, the additional existing measuring resistors (Rp) are housed in a shielded housing, that has a flap for introducing and calibrating the resistance to be measured (Rx), by which a switch is actuated, which supplies the supply voltage when the flap is opened turns off.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the amplifier (1) is a differential amplifier with two field effect transistors, in particular metal oxide semiconductor field effect transistors, their grid electrodes the measuring voltage or a reference voltage is supplied to the source electrodes each via a negative feedback resistor (R 3, R 4) from a high-resistance power source (T 1, T 2) are fed and a working resistor for each of their drain electrodes (R 5, R 6) is connected in series and that a voltage between the drain electrodes or ammeter (3) is connected.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the reference voltage lies in the middle of the measuring voltage range and the zero point of the voltage or The ammeter is in the middle of the scale.

6. Arrangement according to claim 4, characterized in that the same Gate potential the transistors FET 1 and FET 2 have a current flowing through them, in which the gain of the transistors is independent of temperature.

7. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the input transistor (FET 3) of the amplifier is a field effect transistor, which works in source circuit and one end of one at its drain electrode Voltage divider (R 9, R 10, R 11) with eillem compared to the working resistance (R 8) large transverse resistance to a voltage (-V 2) of such magnitude and polarity is connected that a voltage can be tapped at the voltage divider, the when the input transistor (FET 3) is not activated, it is approximately equal to the voltage at its Is control electrode, and that the voltage gain between the electrode of the iransistors (FET 3) and the potentiometer tap is about one that at the potentiometer tap a second field effect transistor (FET 4) operating in a source circuit is connected whose work resistance (R 12, R 13) is approximately the same size as the work resistance of the input transistor (FET 3) and that between the drain electrodes of the two Transistors (FEt 3, FET 4) a voltmeter (3) is connected.

8. Circuit arrangement according to claim 6, characterized in that the working resistance (R 12, R 13) of the transistor (FET 4) is adjustable.

9. Arrangement according to one of claims 1 to 7, d a d u r c h g ek It is indicated that the input resistance (Rc) of the amplifier has measuring resistances (Rp) can be switched in parallel.

10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that that the parallel connection of the measuring resistors either by plugging them in from the outside is made or that the measuring resistors mechanically, preferably by RElais or electronically, preferably by means of MOSFETs, the measuring resistors and switches are preferably cast together with the amplifier.

L e r s e i t e