DE2340370A1 - Schaltungsanordnung zur messung einer hohen gleichspannung - Google Patents

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul

Patentanwalt * « , « « ~ _.

7000 Stuttgart 30 £ £ H U O / y

Kurze Straße 8

N.A. Marshall

INTEENATIONAL STAEDAED ELECTEIG COEPOEATIOH, EEW YOEK

Sclialtungsanordnung zur Messung einer hohen Gleichspannung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung einer hohen Gleichspannung und insbesondere auf eine Schaltungsanordnung, die ein Ausgangssignal liefert, deren Größe abhängig ist von der Größe des Hochspannungsausgangssignals einer Gleichspannungsquelle.

Bekannte Anordnungen zur Messung hoher Gleichspannungen unter Verwendung von Zungenelektrometern erwiesen sich in der Praxis als nicht hinreichend zuverlässig. Auf der Verwendung elektrostatischer Methoden beruhende Anordnungen sind

vo/poe

18.7.73 409809/CU67 - 2 -

ILA. Marshall 1 - 2 -

nur beschränkt anwendbar und sind groß und sperrig. Bei Verwendung eines hochohmigen Reihenwiderstandes und eines Mikroamperemeters wird die zu messende Spannung zu stark "belastet und der durch die Messung verursachte Lsistungsver"brauch ist zu hoch. Andere "bekannte Anordnungen reagieren empfindlich auf Erschütterungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue und verbesserte Schaltungsanordnung zur Messung einer hohen Gleichspannung anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf die in Anspruch 1 angegebene Weise gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung mit ihren weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Zeichnungen näher erläutert: in diesen zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Blockschaltbildform,

]Fig. 2 im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel des in S"ig. 1 gezeigten Hochspannung skr eis es und

S¹Ig. 3 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel für die Schaltung des Hochsp annungskreis e s.

In i*ig. 1 ist in einem Hochspannungskreis 15 eine Hochspannungsquelle 16 vorgesehen, welche die zu messende hohe Gleichspannung erzeugt. Die Hochspannungsquelle 16

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weist zwei Ausgangsleiter 17 und 18 auf, von denen der eine (17) über einen Widerstand 21 mit einem Verbindungspunkt 22 verbunden ist, der seinerseits über einen variablen Kondensator 23 an einen Verbindungspunkt 19 angeschlossen ist. Der andere Ausgangsleiter 18 ist mit dem vorgenannten Verbindungspunkt 19 verbunden, der an Erde 20 angeschlossen ist.

Die Kapazität des Kondensators 23 wird, gesteuert von einer Lautsprecherwicklung 24, gemäß einer periodischen Funktion variiert. Die Erregung der Lautsprecherwicklung 24 erfolgt durch eine z.B. ein sinusförmiges Ausgangssignal liefernde Erregerquelle 25· Der Verbindungspunkt 22 ist überdies über einen der Gleichstromsperrung dienenden Sperrkondensator mit dem nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 26 verbunden. Der Verstärker 26 kann auch als Quellenfolger (source follower) ausgebildet sein. Der Ausgang des Verstärkers 26 ist an einen Verbindungspunkt 28 angeschlossen, der mit einem Eingang eines Synchrondetektors 29 verbunden ist. Ein weiterer Eingang dieses Synchrondetektors erhält das Ausgangssignal der Erregerquelle 25 zugeführt, während sein Ausgang an ein Spannungsmeßgerät 30 angeschlossen ist, das beispielsweise als Gleichspannungsvoltmeter oder als Analog-Digitalwandler mit nachgeschalteter digitaler Anzeigeeinrichtung ausgebildet sein kann. Der invertierende Eingang des Verstärkers 26 ist mit einem weiteren Verbindungspunkt 31 verbunden, der seinerseits über einen Bückkopp lungswider st and 32 mit dem Verbindungspunkt 28, sowie über einen Widerstand 33 mit einem Bezugspotential V1 verbunden ist.

Im Betrieb wird die Kapazität des Kondensators 23 variiert gemäß einer Funktion der Zeit, z.B. gemäß einer Funktion

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sin cot, wenn das Ausgangssignal der Erregerquelle 25 ebenfalls eine Funktion von sincat ist. Datei gilt Oa = 2Tf, wobei f die Frequenz des Signals der Erregerquelle 25 und t die Zeit ist.

Sobald die hohe Gleichspannung der Quelle 16 an der aus Widerstand 21 und Kondensator 23 gebildeten Reihenschaltung anliegt und die Erregerquelle 25 ein Ausgangssignal abgibt, wird sich die Ladung des Kondensators 23 entsprechend einer periodischen !Funktion ändern. Entsprechendes gilt auch für die Spannung am Kondensator 23 oder am Widerstand 21, sowie für den Strom durch den Widerstand 21.

Die Wechselspannungskomponente der Spannung am Kondensator 23 wird über den Sperrkondensator 27 dem Verstärker zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 26 gelangt zum Synchrondetektor 29· Der Synchrondetektor 29 ist von üblicher Bauart. Demgemäß wird das am Verbindungspunkt auftretende Ausgangssignal des Verstärkers 26 vom Synchrondetektor 29, während einer im Verhältnis zur Grundperiode nur kurzen Zeitspanne abgetastet. Die Abtastung erfolgt mit der Frequenz der Grundwelle. Der abgetastete Wert wird in einem Kondensator festgehalten. Das Ausgangssignal des Synchrondetektors 29 ist daher eine Gleichspannung. Obwohl nicht offensichtlich, ist die Gleichspannung am Ausgang des Synchrondetektors 29 wesentlich niedriger als die am Ausgang der Hochspannungsquelle 16. Dennoch ist die Gleichspannung am Ausgang des Synchrondetektors 29 direkt proportional zur Ausgangsspannung der Quelle 16. Demnach kann die Spannungsmeßeinrichtung 30 so geeicht sein, daß an ihr die Größe der Ausgangsspannung der Hochspannungsquelle 16 direkt abgelesen werden kann.

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Gegebenenfalls kann ein einstellbarer Phasenschieber zwischen Verbindungspunkt 34 und Synchrondetektor 29 eingefügt werden. Wenn dieser Phasenschieber so eingestellt wird, daß das Ausgangssignal des Synchrondetektors 29 seinen Maximalwert erreicht, ist eine optimale Empfindlichkeit erreicht. Dies wird in vielen Anwendungsfällen jedoch nicht benötigt werden.

Der Hochspannungskreis gemäß Pig. 2 umfaßt einen Eingangsleiter 35 der durch einen Isolierkörper 11 von einem leitenden Gehäuse 10 getrennt ist. Der Isolierkörper 11 ist sowohl in Bezug auf den Eingangsleiter als auch in Bezug auf das Gehäuse 10 fixiert. Der Isolierkörper 11 kann z.B. aus Epoxymaterial bestehen. Er umhüllt einen Hochspannungswiderstand 21, sowie einen Zentralstift, der als Leiter den Eingangsleiter 35 mit dem einen Ende des Widerstandes 21 verbindet. Ein weiterer Leiter 36 ist ebenfalls in den Isolierkörper 11 eingebettet und verbindet das andere (untere) Ende des Widerstandes 21 mit einer festen Elektrode 13 des Kondensators 23· Der Eondensator 23 weist weiter eine bewegliche Elektrode 37 auf, die an einem Stift 38 befestigt ist, der beispielsweise durch einen kleinen Konuslautsprecher 39 bewegt wird. Der Lautsprecher 39 ist im Gehäuse 10 angeordnet, wobei seine unbeweglichen Teile fest mit dem Gehäuse verbunden sind.

Der Leiter 36 kann z.B. als gerader Zylinder ausgebildet sein. Ein Teil 4-0 des Leiters 36 dient dann als die eine Elektrode eines Kondensators 41, der eine weitere Elektrode 42 aufweist. -Die Elektrode 42 ist ein geraderHohlzylinder mit konzentrischer Bohrung. Zwischen den Elektroden 40 und 42 des Kondensators 41 ist ein Dielektrikum

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angeordnet. Gegebenenfalls kann auch ein normaler keramischer Hochspannungs-Entkopplungskondensator 44 zwischen Kondensator 4-1 und Verstärker 26 (Fig. 1) angeordnet sein. Ein Schutzring oder ein leitender Zylinder 14 isoliert die Kondensatorelektrode 42 vom Kondensator 44.

Der Zylinder 14 weist eine Bohrung 45 auf, durch welche ein Leiter 46 zur Elektrode 42 geführt ist.

Ein anderes Ausführungsbeispiel des Hochspannungskreises der Fig. 1 ist in Fig. 3 mit 47 bezeichnet. Er umfaßt· die zu messende Hochspannungsquelle 48, welche die Ausgangsleiter 49 und 50 aufweist. Der Ausgangsleiter 50 ist mit einem Verbindungspunkt 51 verbunden, der bei 52 geerdet ist. Der Ausgangsleiter 49 führt zu einem Kondensator 53 ·> der mit einem Verbindungspunkt 5^ verbunden ist, der seinerseits über einen Widerstand 55 an den Verbindungspunkt 51 angeschlossen ist. Der Kondensator 53 kann auf die zuvor beschriebene Weise mit der Lautsprecherwicklung 24 in Verbindung stehen. Der Verbindungspunkt 54 ist, wie zuvor beschrieben, an Kondensator 27 angeschlossen.

Wie die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 zeigt, kann die Wechselspannungskomponente der in Bezug auf Erde oder in Bezug auf ein anderes Bezugspotential im Verbindungspunkt auftretenden Spannung entweder am Kondensator 23 - wie in Fig. 1 gezeigt - oder am Widerstand ^ — wie in Fig. 3 gezeigt - abgegriffen werden.

Mit dem Ausdruck "Anwenderkreis" wird hiernach jegliche Einrichtung bezeichnet, die dazu dient, eine erwünschte Funktion auszuführen in Abhängigkeit von Änderungen der unbekannten Ausgangsspannung der Hochspannungsquelle.

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Im Rahmen dieser Definition kann es sie h um eine Einrichtung handeln, die irgendein Gerät steuert oder die Ausgangsspannung der Hochspannungsquelle steuert. All diese Punktionen fallen ebenso wie die Anzeigefunktion unter den hier verwendeten Begriff "Anwenderkreis".

Der Hochspannungskreis kann wie folgt analysiert werden:

Venn der variable Kondensator die Kapazität C hat, dann gilt

C = f^(t) (1)

wobei f(t) eine periodische Funktion der Zeit ist. Definiert man

so kann eine Fourier-Eeihe entwickelt werden.

f₂(t) =A_{a0 +}A_a1 sin (cot + t J^

+ A_a2 sin fecot + 4 .Λ ... (3)

A und φ Konstante sind,

Co = 2 7Tf,-

ir = 3.1416, und
f die Frequenz der Erregerquelle ist.

Definiert man eine verwandte Fourier-Eeihe mit

f₃(t) - f₂(t) - A_a0 (4-)

und substituiert

^{= A}ao ^{+ f}3^> (5)

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in (2) und (2) in (1), so ergibt sich

Es ist wichtig, daran zu erinnern, daß die Eourier-Reihe für f^(t) keine Konstanten aufweist. Weiter ist festzuhalten, daß f^(t) max. niemals größer ist als

A ~ und daß A _Λ / O.da C niemals den Wert unendlich hat. aO al)

Die Ladung Q des variablen Kondensators steht über die Kapazität O in folgender Beziehung zur Spannung Y, die an ihm anliegt:

Q = CY (7)

Nach Kirchoff gilt

E = iß + V (8)

wobei der Strom i mit

¹ ■ § (9)

definiert, E die Hochspannung und E der Widerstandswert des Hochspannungswiderstandes ist.

Demnach gilt

V = § (10)

Substituiert man (9) und (10) in (8), so ergibt sich

Die Gleichung (11) ist eine Differentialgleichung bekannter Art, welche die allgemeine Lösung hat

_Q - Ke-^ ₊

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Β".A. Marshall 1 - 9 -

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und e = 2.7128 und K eine Konstante ist. Substituiert man (6) in (13), so ergibt sich

I dt (14)

Φ = -ψ t + J [ f^(t) dt (15)

Man nehme an, daß f_x(t) in (15) in üOurier-Reihenform dargestellt ist. Dann enthält +^J f^(t)dt keinen konstanten Ausdruck, da auch f^(t) keinen enthält, und da z.B.

A ^cos

1
eln(a«!rt +*„)«

_ΟΤΛ

Definiert man

* = -Ψ- (17)

^{1121(1 s} i /^{f(t) dt}

so ist festzuhalten, daß s keinen konstanten Ausdruck enthält.

Aus (15) ergibt sich

φ = rt + s (19)

- 10 409809/0467

ΙΓ.Α. Marshall 1 - 10 -

Aus (12) ergibt sich.

* ^S/e^{rt + S}dt (20)

- ^s

Betrachtet man e^{r + s} als das Produkt

β"" x e^s

so kann e^s in eine lOurier-Eeihe zerlegt werden

^{= A}"b0 ^{+ A}b1

sin

(2cot

/rt s
e e dt kann dann ausgewertet werden durch

rt

Integration der Produkte von e mit jedem einzelnen Ausdruck von (22). Dies kann durch die sogenannte einfache Integration "bewerkstelligt werden.

Der konstante Ausdruck ergibt integriert

I¹Ur das Integral des sin-Ausdruckes gilt

^sin (^{nOt +} ^bn)j ^dt =

A e^rt
bn^e - ,

sin in cot +

Vn cot + ^_n - arctan./^⁵)!

n^{2 2} L

- 11 409809/0467

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Wie ersichtlich, weisen in "beiden Gleichungen-(23) "und (24-) die rechts vom = -Zeichen stehenden Ausdrücke den Faktor e auf. Man "beachte auch den Ausdruck e^r außerhalb des Integrals .im rechts vom = -Zeichen stehenden Ausdruck der Gleichung (20). Das Produkt dieser "beiden !Faktoren ist daher = 1. Das heißt e^r χ e~^r = 1. Die Ladung Q ist dann

Q - Ke-^rt - ^s +(iV^Ct) (25)

wobei f/|(t) eine Fourier-Reihe ist. Aus (10) und (25) ergibt sich

V = _K e_L f. +f|jÜje~^sf₄(t) (26)

iR = E - V (27)

Für iE oder i ist (26) in (27) zu substituieren.

-rt - s

In (26) ist der Ausdruck K ~ ein Einschwingvorgang; dies folgt aus dem negativen Exponenten -rt. Sobald der Kondensator eine adäquate Durchschnittsladung aufweist, geht dieser Ausdruck gegen !Null (wie zuvor erläutert, ist C nie gleich 0).

Im eingeschwungenen Zustand (der noch immer periodisch ist) gilt für Spannung V_o dann

(28)

- 12 409809/0467

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Man "beachte, daß keine der Variablen C, s und f^ eine Funktion von E ist. Es läßt sich zeigen, daß das Produkt zweier Fourier-Eeihen eine weitere Fourier-Eeihe ist. Dies ergibt sich aufgrund der trigonometrischen Identität

sin px sin qx = τ> cos (p - q.)x - ^ cos(p + q)x (29)

Entsprechend dem zuvor Gesagten können f tj) und

e"^s in

Fourier-Reihen zerlegt werden.

Das Produkt e ⁸JT₂, (t) kann in Reihenform durch f[-(t) dargestellt werden.

Das Produkt f ^-Jf₁-Ct) kann dann in Eeihenform durch fg(t) dargestellt werden. Folglich gilt

Aus (30) ergibt sich evident, daß jeder Ausdruck der Pourier-Eeihe für 7 der Hochspannung E direkt proportional ist.

Wenn man die Spitzenamplitude der Grundwelle messen will wie hier beschrieben - und wenn

^f6^{(t) = A}c0 ^{+ A}c1

so gilt für die Spitzenspannung der Grundwelle als Prozentsatz des Mittelwertes

- 13 -

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U.A. Marshall Λ - 13 -

Der vorhergehende Beweis ist nicht auf f^(t) als eine "besondere Funktion von t "beschränkt. Die einzige Notwendigkeit ist, daß f;z(t) periodisch ist, d.h. in eine Pourier-Eeihe zerlegbar ist. Durch die wahrheitsgetreue Wiedergabe einer Sinuswelle durch den Lautsprecher ist es aber sehr wahrscheinlich, daß

^ ₁ (33)

wobei K^ eine Eonstante ist.

Es ist bekannt, daß für die Kapazität C eines Kondensators mit parallelen Platten als Elektroden gilt:

Kp

C=/ (34)

wobei Kg eine Konstante und T der Elektrodenabstand ist, der nie gleich Mull wird. Daher gilt wahrscheinlich, daß

^Ts ^{= T}p ⁺ \ si*¹^ (35)

wobei T und T Konstanten sind.
ir y.

Setzt man (35) in (34) ein, so gilt

^C ~ ^T + ^T

Die Gleichung (36) hat demnach die lorm der Gleichung (6) mit

a0

(37)

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N. A. Mar snail 1 - 14 -

f (t) = «£ sin<^t (38)

Aus den Gleichungen (33) und (38) folgt

K₁ - j| (39)

Die Grundwelle von V kann eine PhasenverSchiebung erfahren. Eines der "beiden Eingangs signale des Synchrondetektors kann gegebenenfalls phasenverschoben werden, um die Grundwelle präzise beim Spitzenwert zu detektieren. Gegebenenfalls kann zur Dämpfung der zweiten und höheren Harmonischen auch ein IPilter für V vorgesehen werden.

Wenn Gleichung (36) zutrifft, gilt zufolge

2 3
e^s = 1+s+|_r + |_T... (40)

e^s ^ 1 ₊₍z& cosuot

T
s =££§■ cosot und (42)

Bei Verwendung von Gleichung (41) kann die Differentialgleichung (11) durch einfache Integration gelöst werden, wenn dies gewünscht ist. Der Ausdruck für V enthält dann

nur die folgenden Ausdrücke

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N.A. Marshall 1 - 15 -

^Vs ^{= A}d0 ^{+ A}d1 ^s=Ln (⁽
d2 I

sin

das heißt, daß alle höheren Harmonischen als die dritte Harmonische Null als Koeffizienten ha"ben.

Die Arbeitsweise der Erfindung kann auch anders erläutert werden:

Unter der Voraussetzung, daß die Ladung des den Modulator umfassenden kapazitiven Systems sich während jeder A"btastzeit nicht ändert, gilt für die gesamte Systemladung

⁼ G-esamtkapazität des Systems, und

= unbekannte, zu messende Hochspannung ist.

Das Wechselstromsignal, das ein direktes Analogon der unbekannten hohen Gleichspannung darstellt, wird durch eine mechanische Modulation eines Kondensatorelementes gewonnen, die eine sinusmäßige Kapazitätsänderung "bewirkt mit einer bestimmten Modulationsfrequenz. Es gilt dann:

- 16 409809/0467

Ή.A. Marshall 1 - 16 -

Ausgangszustand:

^(CDyn. ^{at rest)} % ^{= 0}O ^{x V}O Bei einer inkrementalen Kapazitätszunahme um

= (C_o + AC)

Q = ursprüngliche Kondensatorladung,

= endgültige Kondensatorladung

= ursprüngliche Spannung am Kondensator und

= endgültige Spannung am Kondensator.

Infolge der Wirkung des Integrators E_T ,C ,Q = Q.

-LIl "U OO I

(Ladung des Systems bleibt konstant) und

^Co

^Co

^Co ^{x Y}o

^Co

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Ή.A. Marshall 1 - 17 -

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Es wird angenommen, daß

Y_o

c_o χ ν = V₁ χ Ac

Es wird angenommen, daß die Kapazität dynamisch, variierbar ist um 0,1 % (oder 1 %o). Dies käme "bei einem Elektrodenabstand von 2,54- cm (= 1 Zoll) einer Verschiebung um + 0,00254 cm (= 1 mil) gleich. Demnach gilt

AC _ 1

c_o - "^tööö

Nimmt man an, daß Y' - 50 x 10^ YoIt, so gilt

50 χ

Δν = 50 χ 10³ χ 10~⁵

AV = 50 Volt

+ AV = + Volt oder 50 Volt Spitze - Spitze (für eine 50 KY-Gleichspannung)

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Die Ladezeitkonstante muß berechnet werden, um zu ■bestimmen, o"b die Systemladung während einer Abtastperiode konstant "bleibt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bildet Ej, 21, das Widerstandselement dieses Tiefpaßnetzwerkes, das aus (23) χ Ej besteht. Nimmt man an, daß

^{= 20pI}

= 500 M

T = RC = 20 χ 10~¹² χ 500 χ 10⁶

T = 10~² Sekunden = 10 Millisekunden.

Für eine Erregungsfrequenz von 1 kHz ist dieses Verhältnis von 10:1 für den Integrator annehmbar.

Das 1 kHz-Wechselspannungsausgangssignal entsteht zufolge

a) des Vorhandenseins einer Gleichspannung am Eingang, und

b) der dynamischen Kapazitätsänderung.

Der Kondensator C (27) dient der Gleichstromentkopplung; in der Sc haltung nach I¹Ig. 1 sperrt der dynamische Kondensator die Hochspannung und muß daher hochspannungsfest sein. In Pig.3 rauß der Sperrkondensator auch die maximale Gleichspannung (Hochspannung) sperren, die während der Entladung des dynamischen Kondensators auftritt. Für den Kondensator C muß ein Kompromiß gewählt werden zwischen einer ungewünschten Parallelladung (bei einem

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größeren Vert) und einer reaktiven Spannungsteilung (die bei C <* C_n auftreten würde). Ein Vert von 10 pi¹ bis 20 pi¹ wurde gewählt für G^ = 25 pF.

Das Gehäuse 10 in Fig. 2 kann evakuiert oder mit einem Gas (z.B. Stickstoff, Vasserstoff oder ein anderes) gefüllt sein.

Vie angegeben, ist Rj ungefähr 500 M .ca.; es ist daher wichtig, daß der Operationsverstärker eine hohe Eingangsimpedanz hat und in der nichtinvertierender Konfiguration als Spannungsfolger.arbeitet. In der gezeigten Schaltung bestehen die folgenden Beziehungen:

Eingangsimpedanz:

Z. = π— [wenn A (V) sehr groß ist und

J-Xx ίΛ r> ■*■ \J

Regelkreisverstärkung (Spannungsübersetzungsfunktion):

1 + -b£ . [wenn A (W) ~» w]

Eing. Z_r L ο

■ Z- = differentielle Eigeneingangsimpedans Z^ = Rückkopplungsimpedanz

Z = Eingangsimpedanz des invertierenden

Eingangs

A_Q(V) - differentielle Eigenverstärkung des Operationsverstärkers

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Typische Werte wären A_Q(W) = 80 db (10 ).

z± =	100	ΕΛ
zf -	50
Z r	50
Dies ergibt
Zin =	5 3

= 450 M -n.

Bei Verwendung von Quellenfolgern hoher Impedanz ist es wichtig, einen Operationsverstärker zu wählen, der "bezüglich der erreichbaren Eingangsimpedanz nicht beschränkt ist durch einen Basisstrom, der vom Quellensignal durch die Quellenimpedanz geliefert werden muß. Zufolge des relativ großen Modulationssignals (bis 15 Volt) wird für diese Stufe keine Spannungsverstärkung größer 1 gefordert.

Das Wechselspannungssignal, das über eine niedrige Impedanz am Ausgang des Quellenfolgers verfügbar ist, wird dem Synchrondetektor zugeführt, der manchmal auch Demodulator für Signale mit unterdrücktem Träger genannt wird. Diese Methode ist sehr vorteilhaft, da sie polaritätsempfindlich ist} eine Ausgangsseitige digitale Anzeigeeinrichtung kann so eingerichtet sein, daß sie automatisch das Vorzeichen der unbekannten Gleichspannung (Hochspannung) anzeigt.

Ein wichtiges Element der erfindungsgemäßen Anordnung ist der variable Hochspannungskondensator. Zu den an ihn zu stellenden kritischen Forderungen gehören:

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a) Hochspannungsintegrität, gesicherte dielektrische Festigkeit und koronafreie Wirkungsweise;

b) dynamische Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, d.h. Konstanz der Modulationsfrequenz, der mechanischen Bewegungen etc.;

c) Operationsfähigkeit und Beibehaltung der Charakteristiken bei - in vernünftigen Grenzen - widrigen Verhältnissen einschließlich Luftfeuchtigkeit, rauhe Behandlung und elektromagnetische Interferenz;

d) Sicherheit und Flexibilität.

Der Isolierkörper 11 sichert die externe dielektrische Integrität für die Hochspannungsabtastung. Etwa 25 cm Isolation sollten ausreichend sein für ein Gleichspannungspotential von 50 kV in der Luft. Der Zentralstift 12, der koaxial zum Isolierkörper 11 ist, ist mit der festen Elektrode 13 verbunden. Da die Träger- oder Erregungsfrequenz schmalbändig ist, d.h. r*> 1 kHz, kann ein Rauschschutz sehr wirkungsvoll und eine extensive Abschirmung überflüssig sein. Der Lautsprecher ist fast ideal geeignet für die hier beschriebene Verwendung, da die Bewegung der sich bewegenden Wicklung und des tragenden Konus im wesentlichen einfach harmonisch ist. Auslenkungen von 0,025 - 0,08 mm sind gut realisierbar.

Wie angegeben, wird die externe Hochspannungsintegrität erreicht durch einen Oberflächenpfad entlang eines Qualitätsisolators - insbesondere glasiertes Keramikmaterial oder Glas. Die zeichnerische Darstellung in Fig. 2 ist

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Ή.Α. Marshall 1 - 22 -

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so gewählt, daß die Anordnung der Elemente und die ungefähre Geometrie gut ersichtlich sind. Der dynamische Kondensator und die Elektrodenstruktur können ihre dielektrische Festigkeit entweder durch SF^ oder Vakuum erlangen. Für zylindrische Elektrodenstrukturen mit einer Geometrie, die etwa der dargestellten entspricht, sollte SFg bei einer Atmosphäre Druck eine 50 kV Gleichspannungsfestigkeit für einen Elektrodenabstand von 3/4 Zoll (= 19,2 mm) ergeben. Bei Verwendung von Vakuum oder einer SF ,--Füllung unter höherem Druck (3-5 Atmosphären) können viel geringere Elektrodenabstände verwendet werden.

Eine Alternativlösung wäre die Verwendung eines Epoxy-Gehäuses unter Beibehaltung der SF^-Isolation für den Kondensator. Die Verwendung von trockener Luft als Kondensatorisolationsmedium oder das Risiko des Einflusses von Umgebungsluft ist möglich aber nicht empfehlenswert im Hinblick auf den für eine koronafreie "Arbeitsweise zu fordernden Elektrodenabstand.

<C<. 1 und

« 1,

kann Gleichung (44) vereinfacht werden zu

= E

~P

worin ö = arctg

T 1

Λ + ,ρ³- sin (cot - Q )\ P J

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In diesem lall ist die Phasenverschiebung trivial. Man beachte, daß wenn

CC 1, dann ist

wobei cot = rk der Punkt ist, bei welchem der Synchrondetektor die Grundwelle abtastet.

Um die Phasenverschiebung der Grundwelle klein zu halten, sollten die beiden zuletzt genannten Quotienten viel kleiner als Λ gehalten werden. Dies hält auch die Harmonischen klein, was für einen guten Wirkungsgrad wünschenswert ist. Es ist zu beachten, daß alle über den Hochspannungswiderstand fliessenden Ströme der Harmonischen unerwünscht sein können und unnötigen Energieverlust verursachen.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE

   Schaltungsanordnung zur Messung einer hohen Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß an der zu messenden hohen Gleichspannung eine Hochspanmingsreihenschaltung liegt, die aus einem Widerstand (21 bzw. 55) und einem variablen Kondensator (23 bzw. 53) besteht, daß Mittel (24) vorgesehen sind, die die Kapazität des variablen Kondensators (23 bzw. 55) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal einer Wechselspanmingserregerquelle (25) periodisch vergrößern und verkleinern, und daß der Verbindungspunkt (22 bzw. 54·) zwischen Widerstand (21 bzw. 55) und variablem Kondensator (23 bzw. 53) an einen Anwenderkreis angeschlossen ist.

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anwenderkreis einen mit einer ersten Elektrode an den Yerbindungspunkt (22) von Widerstand (21 bzw. 55) und variablem Kondensator (23 bzw. 53) angeschlossenen Sperrkondensator (27) umfaßt und ausgangsseitig die Größe der an der zwei ten Elektrode des Sperrkondensators (27) auftretenden Wechselspannung anzeigt.

   3- Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Sperrkondensator (27) mit seiner zweiten Elektrode an eine Schalteinrichtung angeschlossen ist, die eine zu der an der zweiten Elektrode des Sperrkondensators (27) auftretenden ersten Wechselspannung direkt proportionale zweite Wechselspannung einem Synchrondetektor (29) zuführt, der auch das Ausgangssignal der Wechselspannungserregerquelle (25) zugeführt

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   erhält und eine Gleichspannung abgibt, die dem Spitzenwert der ihm zugeführten zweiten Wechselspannung direkt proportional ist.

   Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchrondetektor (29) ausgangsseitig an ein Voltmeter (30) angeschlossen ist.

   5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen Differenzverstärker (26) umfaßt, dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Sperrkondensator (27)" und dessen Ausgang an den Eingang des Synchrondetektors (29) angeschlossen ist, und daß der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (26) einerseits über einen ersten Hilfswiderstand (32) mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (26) und andererseits über einen zweiten Hilfswiderstand (33) mit dem einen Pol (v1) einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist.

   Schaltungsanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Glieder (21 bzw. 55; 23 bzw. 53) der Hochspannungsreihenschaltung mit seiner freien Anschlußklemme an den anderen Pol (Erde) der Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, der auch am Differenzverstärker (26), am Synchrondetektor (29) und am Voltmeter (30) anliegt.

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