DE2035617C3

DE2035617C3 - Schaltungsanordnung zum Messen der Kapazität und des Verlustwinkels von Kondensatoren

Info

Publication number: DE2035617C3
Application number: DE19702035617
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 7921 Bolheim Hecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-07-17
Filing date: 1970-07-17
Publication date: 1978-07-13
Also published as: DE2035617A1; DE2035617B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen der Kapazität und des Verlustwinkels von Kondensatoren unter Verwendung einer Schering-Meßbrücke.

Zur Messung sehr kleiner Widerstandswerte wird in der Elektrotechnik eine Thomson-Meßbrücke verwendet, mit der Zuleitungswiderstände eliminiert werden können (vgl. R i η t, »Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker«, Jahrgang 1957, Band 5, Seite 692). Eine solche Thomson-Meßbrücke muß ebenso wie eine Schering-Meßbrücke mit mechanischen Mitteln abgestimmt werden. Das ist zum Zweck von Serienmessungen im Prüffeld äußerst unbefriedigend, da die Abstiramzeit und der Wartungsaufwand sehr groß sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der Messungen der Kapazität und des Verlustwinkels von Kondensatoren unter Vermeidung von Meßfehlern, die durch Übergangswiderstände verursacht werden, automatisch durchgeführt werden können. Das heißt, die bei den bekannten Meßbrücken erforderlichen mechanisch durchgeführten Abstimmvorgiinge sollen vermieden werden, damit .Serienmessungen mit vernünftigem Aufwand möglich sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäU dadurch gelöst,daß Prüfling-Kondensator C,.und Einstellwiderstand Ri mit einer Thomson-Kontaktierung ausgebildet sind und daß zum Bestimmen des komplexen Brückenverhältnisses an Stelle von Widerstands- und Kapazitätsdekaden Analog-Rechenverstärker und einstellbare Spannungsteiler verwendet werden.

Diese einstellbaren Spannungsteiler werden in vorteilhafter Weise zum Zweck eines automatischen Brückenabgleiches durch elektronisch gesteuert," elektronische Spannungsteiler verwirklicht Das kann mit Hilfe von Feldeffekt-Transistoren, bipolaren Transistoren oder Diodenanordnungen geschehen. Beispielsweise enthält ein solcher Spannungsteiler einen als Schalter verwendeten Feldeffekt-Transistor, der in vorteilhafter Weise digital von einer Rechteckspannung angesteuert wird. Das Tastverhältnis der Rechteckspannung bestimmt dann die Einstellung des Spannungsteilers.

Durch die Ausbildung sowohl des Prüfling-Kondensators Ce ais auch des Einstellwiderstandes R\ werden die Übergangswiderstände eliminiert und können somit nicht zu einer Verfälschung des Meßergebnisses beitragen.

In einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Strom in den einzelnen Brückenzweigen praktisch von den Scheinwiderständen des zu prüfenden Kondensators und des verwendeten Normalkondensators abhängig, da an beider.relativ hohe Spannungen stehen, während die einstellbaren Elemente nur geringe Spannungen führen. Das komplexe Verhältnis dieser Ströme wird erfindungsgemäß durch einen Vergleich mit Hilfe der Analog-Rechentechnik bestimmt. Dadurch benötigt man keine Widerstands- und Kapazitätsdekaden. Die dennoch benötigten Spannungsteiler werden in vorteilhafter Weise elektronisch ausgeführt und mit Hilfe der Digitaltechnik angesteuert. Durch diese sinnvolle Kombination der Digitaltechnik und Analog-Rechentechnik ist eine vollelektronische automatische Messung von Kondensatoren mit großer Genauigkeit und hoher Prüfgeschwindigkeit mögi'ch, wobei die zur Messung von Kondensatoren mit kleinem Verlustfaktor benötigten hohen Spannungen verwendet werden können.

Einzelheiten und weitere Merkmale der Erfindung sollen anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei ist in Fig. 1 eine Meßbrücke dargestellt, die auf der einen Seite die erfindungsgemäße Kombination einer Schering-Meßbrücke mit einer Thomson-Meßbrücke enthält utid in der auf der anderen Seite der Vergleich der in den einzelnen Brückenzweigen fließenden Ströme über Analog-Rechenverstärker erfolgt. Dabei sind zum Brückenabgleich jedoch noch mechanisch einzustellende ohmsche Spannungsteiler enthalten. Fig. 2 zeigt dann die Erweiterung dieses Ausführungsbeispiels zur vollelektronischen Anordnung. Darin enthalten die zwei benötigten einstellbaren Spannungsteiler jeweils einen Feldeffekt-Transistor, der, digital gesteuert von einer Rechteckspannung, den Spannungsteiler einstellt, so daß dessen Teilerverhältnis dem Tastverhältnis der Rechteckspannung entspricht. Die Reehteekspannung samt ihrem Tastverhältnis wird über einen gesteuerten Begrenzer aus einer analogen Größe und aus einem Sägezahnsignal gewonnen. Die Einstellung der Spannungsteiler als Einstellung einer analogen Größe erfolgt damit auf digitalem Weg über ein Digitalsignal, das seinerseits aus einer analogen Größe gewonnen wurde.

Im einzelnen besteht in de. in I'i g. I dargestellten

Meßbrücke der eine Brückenzweig aus der Hintereinanderschaltung eines Prüfling-Kondensators Cv mit einem ohmschen Widerstand R\. Im anderen Brückenzweig liegen ein Normalkondensator Cv und ein ohmscher Normalwiderstand Rn- Setzt man voraus, daß der => Normalkondensator Cv relativ klein gegenüber dem Prüfling-Kondensator Cv ist, dann kann man die Übergangswiderstände vom Prüfling-Kondensator Cv zum Noritnalkondensator Cv bzw. zum Widerstand R\ vernachlässigen. An die Hintereinanderschalturrg des ι ο Prüfling-Kondensators Cv und des Widerstandes Rj ist eine Wechselspannungsquelle gelegt, die auf der Widerstandsseite mit dem Bezugspotential verbunden ist

Des weiteren enthält das Ausführungsbeispiel fünf Analog-Rechenverstärker Vi bis Vs, die jeweils einen positiven und einen negativen Eingang und einen Ausgang besitzen. Die dem ohmschen Widerstand R\, der als Einstellwiderstand mit Thomson-Kontaktierung ausgebildet ist, zugekehrte Seite des Prüfling-Kondensators Cv Hegt an dem positiven Eingang des Analog-Rechenverstärkers Vj, die andere Seite über den Normalkondensator Cv an dem negativen eingang des Analog-Rechenverstärkers V₄. Darüber hicaus ist die dem Einstellwiderstand Ri abgekehrte Seite des Prüfling-Kondensators Cv über den Normalwiderstand Rn mit dem negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V) verbunden. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V5 führt sowohl zum positiven Eingang des Analog-Rechenverstärkers V₃ als auch zu dem des Analog-Rechenverstärkers V₄. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V₃ ist über einen einstellbaren ohmschen Spannungsteiler β mit dem Bezugspotential verbunden, dessen Abgriff über einen Einstellwiderstand /?6 mit dem negativen Eingang des Analog-Re- η chenverstärkers Vj verbunden ist. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V₄ führt über einen ohmschen Widerstand ebenfalls zu dem negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V?.

Der Einstellwiderstand R\ hat zwei herausgeführte -40 Abgriffe, von denen einer zum positiven Eingang des Analog-Rechenverstärkers Vi und der andere über einen Einstellwiderstand Λ2 zu dem negativer; Eingang des Analog-Rechenverstärkers V\ führt. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers Vi ist über einen einstellbaren ohmschen Spannungsteiler α mit dem Bezugspotential verbunden, dessen Angriff über einen Einstellwiderstand /?5 zum negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V2 führt. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers Vi führt außerdem zu dem >o negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V₂ über einen Einstellwiderstand /?₄. Die beiden Einstellwiderstände Rt und /?5 sind in ihrer Einstellung mechanisch miteinander gekoppelt. Zwischen dem Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V₂ und dem ·->■-, Bezugspotential liegt ein Anzeigeinstrument.

Der Anaolg-Rechenverstärker Vj weist zwischen Ausgang und dem negativen Eingang eine direkte Rückkopplung auf, die Analog-Rechenverstärker Vi, Vj und V₄ eine Rückkopplung zwischen ihren Ausgängen mi und negativen Eingängen über jeweils einen ohmschen Widerstand. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V₂ ist auf den negativen Eingang über einen Einstellwiderstand Ri rückgekoppelt.

Zum Schutz der Verstärker sind zweckmäßigerweise ηϊ die Eingänge und eier Übergang vom llochspannungsteil der Wechselspannungsquelle zum Meßteil durch Dioden geschützt. Das geschieht jeweils über eine Kombination von zwei Zener-Dioden, die gegeneinander geschaltet sind; und zwar liegt eine solche Kombination jeweils zwischen den herausgeführten Abgriffen des Einstellwiderstandes R\ und dem Bezugspotential, zwischen den negativen Eingängen der Analog-Rechenverstärker Vi₁ V₄ sowie dem positiven Eingang des Analog-Rechenverstärkers V₅ und dem Bezugspotential und zwischen dem Verbindungspunkt des Einstellwiderstandes R\ mit dem Prüfling-Kondensator Cv und dem Bezugspotential. Der positive Eingang des Analog-Rechenverstärkers Vi ist direkt mit dem Bezugspotential verbunden. Der im Prüflingszweig, d. h. im ersten Brückenzweig fließende Strom wird über den niederohmigen Einstellwiderstand R\ und über den mit dem Widerstand Ri stark gegengekoppelten Analog-Rechenverstärker Vi in eine proportionale Spannung mit um 180° gedrehter Phase umgewandelt. Ein dieser Spannung fest proportionaler Strom und ein einstellbarer Teilstrom werden dem Analog-Rechenverstärker Vi zi'.geführt. Der Analog-Rechenverstärker V5 arbeitet als Impedanzwandler und se ^,t dafür, daß die Kontakte am Prüfiing-Kundensalor Ca p'iktisch nicht belastet werden.

Störströme über die Verdrahtungskapazitäten des Ausgangs belasten nur diesen Verstärker; ohne ihn würden -Je den Meßstrom im Einstellwiderstand R\ verfälschen. Das Potential an der dem Einstellwiderstand R] gelegenen Seite des Prüfling-Kondensators C\ steht am Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V5 niederohmig zur Verfügung und wird den positiven Eingängen der Analog-Rechenverstärker Vj und V₄ zugeführt. Durch das Zusammenarbeiten der Analog-Rechenverstärker V3 und V5 wird dafür gesorgt, daß an den Normalien Cv und Rn immer die gleiche Spannung wie am Prüfling-Kondensator Cv steht; auch der Spannungsabfall an den Stromkontakten des Prüfling-Kondensators Cv und der Spannungsabfall am Einstellwiderstand R\ verändern diese Spannungsgleichheit nicht.

Über die Analog-Rechenverstärker Vj bis V=, werden dem Analog-Rechenverstärker V2 außerdem der Strom durc:.. den Normalkondensator Cv und der durch den Normalwiderstand Rn fließende Strom mit einstellbarer Größe zugeführt.

Sind die ohmschen Verluste des Normalkondensators Cv vernachlässigbar klein, dann gilt, wenn die Summe der Eingangsströme des Analog-Rechenverstärkers V> gleich Null ist:

C_x = (K₁ + K₂

tan ΛA^- =

^Jr

Dabei ist Cv in dsr Formel die Parallelersatzkapazität des Prüfling-Kondensators Cv und tan <5A"sein Verlustfaktor. Die Konstanten Ki und K₂ hängen bei genügend guten Rechenverstärkern nur von den eingestellten Werten der ohmschen Widerstände Rt bis R^ ah. α in der Formel ist gleich dem Teilerfaktor des Potentiometers λ am Ausgang des Analog-Rechenverstärkers Vi. β in der Formel ist gleich dem Teilerfaktor des Potentiometers β am Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V). Die Konstante Kt ist abhängig von der Dimensionierung des Normalzweigs.

Die Analog-Rechenvcrslärker V,. Vi und V, sorgen gleichzeitig dafür, daß die /wischen den Strommeßslellcn liegenden Potentialdiffercnzcn die Summicriing der Ströme im Analog-Rechcnverstärkcr Vj nicht beeinflussen, da ihre Eingänge eine hohe Gleichtakuinterdrükkimg aufweisen und die jeweiligen Ausgangsspaniuiiigen auf das He/iigspotential bezogen sind.

für eine etwa benötigte Bereichsumschaltung ist die folgende Zuordnung mit Rücksicht auf Funktions- und Ai:ssteuerbcreich zweckmäßig: Die Einstellung rx = 0.5 des Potentiometers λ sollte der Abweichung Null zwischen der .Sollkapazität und der Kapazität des Prüfling-Kondensators C\ entsprechen, tx - 0 entspricht dann der größten meßbaren negativen relativen Kapaz.itätsabweichung. λ = 1 der dem Detrag nach gleich großen positiven relativen Kapazitätsabweichting. Die relative Kapazitätsabweichung ist tx direkt proportional; der Anschluß von Klassiergeräten ist daher einfach.

Der Meßbereich für die Kapaz.itätsabweichung wird mit den mechanisch gekoppelten Potentiometern Ra und R-, eingestellt. Die Sollkapaz.ität wird mit dem Einstellwiderstand R\ für die Eingabe der Zehnerpotenz und mit dem Einstellwiderstand /?2 für die Einstellung der Wertziffern ausgelegt. Der Meßbereich für den Verlustfaktor wird mit dem Einstellwidersland R_h gewählt. Die Empfindlichkeit des Nullabgleich^ ist mit dem Einstellwiderstand Ri an die Höhe der Meßspannung angepaßt. Falls dabei der Aussteuerbereich der Analog-Rechenverstärker nicht ausreicht, müssen die Gegenkopplungswiderstände der Analog-Rechenverstärker Vi. V) und Vt gemeinsam mit der gewählten Meßspannung umgeschaltet werden.

Die Anordnung eines einzigen Analog-Rechenverstärkers statt der beiden Analog-Rechenverstärker V₁ und V₄ wäre für den Handabgleich möglich. Wie jedoch in der in Fig. 2 dargestellten vorteilhaften Ausgestal tung des Ausführungsbeispiels nach F i g. I ersichtlich ist, wird für einen automatischen Abgleich der Meßbrücke die Ausgangsspannung des Analog-Rechenverstärkcrs V] zusätzlich als Steuerspannung für einen phasengesteuerten Gleichrichter benötigt. Aus diesem Grund ist es auch zweckmäßig, das für den Verlustfaktor-Abgleich benötigte Potentiometer β nach diesem Analog-Rechenverstärker V₁ anzuordnen.

Zum Zweck eines automatischen Abgleiches der Meßbrücke werden, wie in der F i g. 2 dargestellt, die Potentiometer ix und β jeweils durch eine digitale Anordnung ersetzt. Dazu besitzt die in der F i g. 2 dargestellte Anordnung zwei Eingänge, von denen einer mit dem Ausgang de., Analog-Rechenverstärkers V, und der andere mit dem Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V, verbunden ist. Diese Anordnung ersetzt damit die den Analog-Rechenverstärkern V, und V₃ im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nachgeschaltete Anordnung. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V₁ ist über einen Begrenzer 1 mit dem Steuereingang eines gesteuerten Gleichrichters 2 verbunden, der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers Vi über einen Begrenzer 3 mit dem Steuereingang eines gesteuerten Gleichrichters 4. Der Ausgang des gesteuerten Gleichrichters 2 führt über einen Tiefpaß 5 zum Steuereingang eines gesteuerten Begrenzers 6, der Ausgang des gesteuerten Gleichrichters 4 über einen Tiefpaß 7 zum Steuereingang eines gesteuerten Begrenzers 8. Mit den beiden Signaleingängen der Begrenzer 6 und 8 ist ein Sägezahngenerator 9 verbunden. Außerdem besitzen die beiden Begrenzer 6 und 8 jeweils zwei Ausgänge, von denen ie einer /ti je einem Meßinstrument 10 bzw. Il führt. Mit den beiden Signaleingängcn der gesteuerten Gleichrichter 2 und 4 ist der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V.> verbunden. Dieser besitzt zwei Eingänge, von denen der positive wie in I- i g. 1 auf He/ugspotential gelegt ist und der negative über einen ohmsi'hen Riickknppliingswidcrstand mit dem Ausgang verbunden ist.

Die beiden Ausgänge der Analog-Recheiiveislärkcr V₁ und V| sind außerdem über je einen gesteuerten Spannungsteiler und über je einen Tiefpaß 12 bzw. 13 mit dem negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V₂ verbunden. Der dem Analog-Rechenverstärker V) nachgeschaltete einstellbare Spannungsteiler besteht dabei aus zwei hintereinandergeschaltcten ohmsehen Widerständen, deren Verbir.dungspunkt über die Arbeitsstrecke eines Fcldeffekt-Transistors 14 auf Bezugspotential liegt. Der Steuercingang des FeldefikiTi 14 lsi Uni Oiiieii'i dci uc-iucii Ausgänge

des Begrenzers 6 verbunden. Der dem Analog-Rechenverstärker V| nachgcschaltete einstellbare Spannungsteiler besteht aus einer gleichartig aufgebauten Anordnung mit einem Feldeffekt-Transistor 15, dessen Steuereingang mit einem der beiden Ausgänge des Begrenzers 8 verbunden ist, wobei in diesem Falle die Hintereinanderaschaltung der beiden ohmschen Widerstände mit einem parallelgeschalteten ohmschen Widerstand übe:.vückt ist.

Die in F i g. 2 geschilderte Anordnung arbeitet nach folgendem Prinzip: Ein hochfrequentes Rechtecksignal steuert einen Schalter an. Der Momentanwert Null des hochfrequenten Rechtccksignals öffnet den Schalter, der Momentanwert 1 schließt ihn. Gibt man eine niederfrequente Spannung über diesen Schalter auf einen Tiefpaß zur Unterdrückung der Schaltfrequenz, so ist die Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Tastverhältnis des hochfrequenten Rechtecksignals vermindert, und zwar ist der Gleichspannungswert des Rechtecksignals gleich dem Teilerfaktor für die niederfrequente Spannung.

Nach F i g. 2 erzeugen die beiden Begrenzer 1 und 3 aus den Ausgangssignalen der Analog-Rechenverstärker V, und V₁ jeweils ein Steuersignal für den zugehörigen gesteuerten Gleichrichter 2 bzw. 4 am Ausgang des Analog-Rechenverstärkers Vi. Die so entstehenden Gleichspannungen werden über je einen Tiefpaß 5 bzw. 7 gesiebt und den gesteuerten Begrenzern 6 und 8 zugeführt. Diese Begrenzer 6 und 8 erzeugen aus einer hochfrequenten Sägezahnspannung entsprechend der über die Tiefpässe 5 und 7 zugeführten Steuerspannung jeweils eine Rechteckspannung mit entsprechendem Tastverhältnis. Diese Rechteckspannungen steuern die im vorliegenden Fall für die gesteuerten Spannungsteiler verwendeten und als Schalter arbeitenden Feldeffekt-Transistoren 14 und 15. Statt der Feldeffekt-Transistoren können auch Transistor- oder Diodenanordnungen verwendet werden. Entsprechend dieser Steuerung werden die den Analog-Rechenverstärkern V₁ und V₃ entnommenen niederfrequenten Signale im richtigen Teilerverhältnis dem Analog-Rechenverstärker V₂ zugeführt. Da der Gleichspannungsmittelwert des Steuersignals für die Feldeffekt-Transistoren 14 und 15 bei richtiger Dimensionierung gleich dem Teilerverhältnis ist, kann der Gleichspannungsmittelwert und damit die relative Kapazitätsabweichung bzw. der Verlustfaktor von den angeschlossenen Meßinstrumenten 10 und 11 angezeigt werden. Diese Gleichspannungen können auch, über

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Tiefpässe gesiebt, Grcn/werischalter für kapazitive verwendet werden, so ist es zweckmäßig, mit der

Abweichung oder für den Verlustfaktor ansteuern. I ine Ausgangsspannung der gesteuerten Gleichrichter 2 und

solche Auslegung wäre für Meßautomalcn geeignet. 4 die Inipulsfolgcfrequcn/ eines Rechteck-Generators

Soll eine erfindungsgemäße Meßbrücke für Iland- mit konstanter Impulsdauer /u steuern und die

meßplät/e nut digital gesteuerter /illermiblcsung , Impulsfolgefrcquenz digital /u zählen und anzuzeigen.

I lii-izii .- HIaII

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Messen der Kapazität und des Verlustwinkels von Kondensatoren unter Verwendung einer Schering-Meßbrücke, dadurch gekennzeichnet, daß Prüfling-Kondensator C_x und Einstellwiderstand R\ mit einer Thomson-Kontaktierung ausgebildet sind und daß zum Bestimmen des komplexen Brückenverhältnis- to ses an Stelle von Widerstands- und Kapazitätsdekaden Analog-Rechenverstärker Vi bis K₅ und einstellbare Spannungsteiler verwendet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck eines automatisehen Brückenabgleiches die einstellbaren Spannungsteiler durch elektronisch gesteuerte elektronische Spannungsteiler, insbesondere mit Hilfe von Feldeffekttransistoren (14,15), verwirklicht sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der automatische Brückenabgleich durch einen Regelkreis erfolgt, der neben den gesteuerten elektronischen Spannungsteilern gesteuerte Gleichrichter enthält

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Spannungsteiler über digital gesteuerte Schalter erfolgt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Steuerung mit Hilfe von Rechteckimpulsen erfolgt, deren Tastverhältnis ω einer Steuergleichspannung als analoger Größe und dem eingestellten Spannungsteilerverhältnis entspricht.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer; ig der elektroni- r> sehen Spannungsteiler über eine variable Frequenz erfolgt, deren Größe dem Spannungsteilerverhältnis proportional ist.