Anordnung zur Messung des Scheitelwerts flüchtiger elektrischer Spannungen
Zur Messung des Scheitelwertes flüchtiger Spannungen, d. h. von Überspannungen und Stossspan -nungen, sind schon Schaltungen mit Diode, Messkondensator und elektrostatischem Voltmeter bekannt geworden, wie sie etwa in Fig. 1 dargestellt sind. Mit 1 ist dort eine Diode, meist wird eine Hochvakuumdiode verwendet, bezeichnet, mit 2 der Messkondensator und mit 3 ein elektrostatisches Voltmeter, das zum Messkondensator parallel liegt. Die Anschlusspunkte dieses Scheitelwertmessgerätes werden mit 4 und 5 bezeichnet.
An die Diode 1, die, wie schon erwähnt, meist als Hochvakuumdiode ausgeführt ist, werden nun, vor allem wenn es sich um die Messung sehr kurzer einmaliger Spannungsimpulse handelt, sehr hohe Anforderungen gestellt. Diese ergeben sich daraus, dass der Messkondensator 2 innerhalb der Anstiegszeit der flüchtigen Spannung möglichst genau auf den Scheitelwert dieser Spannung aufgeladen werden soll.
Anschliessend daran soll die Entladung des Messkondensators 2 über die Diode 1 vernachlässigbar klein bleiben. Obwohl man den Messkondensator 2 so klein als möglich halten wird, um die Diode nur mit einem möglichst kleinen Strom zu beanspruchen und damit den Spannungsabfall in der Durchlassrichtung klein zu halten, ist es notwendig, Dioden zu wählen, die einen Durchlasswiderstand, ermittelt aus Anodenspannung und gleichzeitig auftretendem Anodenstrom, von etwa unter 1000 Ohm besitzen, wobei der Isolationswiderstand in der Sperrichtung extrem hohe Werte in der Grössenordnung von etwa 1013 Ohm besitzen muss.
Die praktische Erfahrung zeigt nun, dass es mit wirtschaftlichem Aufwand nicht möglich ist, Dioden mit den erwähnten Eigenschaften speziell für den angegebenen Zweck herzustellen. Vor allem der extrem hohe Isolationswiderstand lässt sich in der Herstellung nicht zuverlässig erreichen. Die einzige Möglichkeit, derartige Dioden zu einem tragbaren Preis zu erhalten, ist die, aus laufenden Serien von Dioden, die für die Bestückung normaler Nachrichten- und Fernsehgeräte Verwendung finden, einzelne geeignete Exemplare auszusuchen. Damit ist man aber in anderer Hinsicht wieder an die normalen Daten solcher Röhren gebunden, so vor allem in bezug auf die Sperrspannung.
Die praktische Erfahrung zeigt auch hier wieder, dass die Sperrspannung von Dioden, die hinsichtlich des Durchlasswiderstandes und Sperrwiderstandes sehr gut brauchbar sind, für den angegebenen Zweck relativ niedrig ist, beispielsweise etwa zwischen 300 und 500 V liegt.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass für viele Zwecke die in Fig. 1 dargestellte Schaltung in bezug auf das Anzeigeinstrument 3 zweckmässig mit elektrostatischen Voltmetern ausgerüstet wird, die mit einem Endausschlag von etwa 300 V ausgeführt werden sollten, wenn ein genügendes Drehmoment, d. h. eine genügende mechanische Robustheit erwartet wird.
Unter den eben erwähnten Voraussetzungen eines Anzeigeinstrumentes von etwa 300 V Vollausschlag und einer Sperrspannung der Diode 1 von etwa 300-500 V können sich nun insofern messtechnische Schwierigkeiten mit einer Einrichtung nach Fig. 1 ergeben, als bei Überspannungsmessungen mit einer Anordnung nach Fig. 1 an den Klemmen 4 und 5 des Messgerätes, das nur Spannungen anzeigt, die an der Klemme 4 negativ gegen die Klemme 5 gepolt sind, flüchtige Spannungen umgekehrter Polarität auftreten können, die zusammen mit der Spannung des etwa aufladenden Messkondensators 2 die Sperrspannung der Diode 1 erheblich überschreiten und die Diode 1 beschädigen.
Den eben genannten Schwierigkeiten könnte man nun etwa dadurch begegnen, dass anstelle des vorgenannten elektrostatischen Voltmeters 3 mit einem Vollausschlag von etwa 300 V ein Elektrometer Röhrenvoltmeter angeschlossen wird, das seinen Vollausschlag etwa bei 30 V erreicht. Setzt man dann für die Sperrspannung der Diode 1 300 V ein, dann wäre die Messanordnung nach Fig. 1 auch sehr hohen überschiessenden Überspannungen mit entgegengesetzter Polung gewachsen. Diese sicher sehr wirkungsvolle Massnahme bedeutet aber in vielen Fällen einen erheblichen Mehraufwand, da gute Elektrometer-Röhrenvoltmeter noch relativ teuer sind und einer gewissen Wartung bedürfen.
Erfindungsgemäss wird nun die Grundschaltung nach Fig. 1 z. B. zur Messung von Überspannungen bestimmter Polarität in Messkreisen, in denen hohe Überspannungen entgegengesetzter Polarität auftreten, dadurch brauchbar gemacht, dass zur Verminderung der an der Messdiode auftretenden zu sperrenden Spannung zu der Serienschaltung von Messdiode und Messkondensator eine zweite Diode, entgegengesetzt gepolt zu der Messdiode, parallel geschaltet und dieser Anordnung ein gemeinsamer Vorwiderstand vorgeschaltet wird.
In Fig. 2 ist eine Schaltung nach der Erfindungsidee beispielsweise wiedergegeben. Hier ist mit 6 die Messdiode bezeichnet, mit 7 der Messkondensator und mit 8 das elektrostatische Voltmeter. Parallel zu der Serienschaltung der Messdiode 6 und des Messkondensators 7 liegt die erfindungsgemäss vorgeschlagene Diode 9, die zweckmässig als Ableitdiode bezeichnet wird, und von der so gebildeten Schaltung der gemeinsame Vorwiderstand 10. Nach einer weiteren Idee wird nun dieser Vorwiderstand 10 mit einer weiteren Diode 11, die genau so gepolt ist wie die Messdiode 6, überbrückt. Die Anschlussklemmen des auf diese Weise gebildeten Scheitelwert- bzw. Spitzenspannungsmessgerätes sind mit 12 und 13 bezeichnet.
Durch die Anwendung der zum Widerstand 10 parallel liegenden Diode 11 lässt sich erreichen, dass der Vorwiderstand 10 sehr gross gemacht werden kann in bezug auf den Durchlasswiderstand der Messdiode 6, ohne dass die Aufladung des Messkondensators 7 behindert wird, wenn die Diode 11 so ausgesucht wird, dass sie einen genügend kleinen Durchlasswiderstand besitzt. Da ausser der Forderung eines sehr kleinen Durchlasswiderstandes in bezug auf Sperrwiderstand keinerlei Anforderungen gestellt werden, bereitet es keine Schwierigkeiten, aus den kommerziell verfügbaren Röhren geeignete Typen auszuwählen.
Zum Nachweis der Leistungsfähigkeit der vorgegebenen Anordnung sei zunächst eine Kapazität des Messkondensators 7, zu dem die Eigenkapazität des elektrostatischen Voltmeters 8 zuzuschlagen ist, in der Grössenordnung von etwa 50 pF angenommen, ein gesamter Durchlasswiderstand der Dioden 6 und 11 - hierbei sind die Impulseharakteristiken der Dioden in Rechnung zu setzen - von etwa 200 Ohm und weiter ein Vollausschlag des Instruments 8 von etwa 300 V, eine nach etwa 0,5 Ets abgeschnittene Keilwelle lädt den Messkondensator dann bis auf etwa 2 /9 des Scheitelwerts der an den Klemmen 12 und 13 angelegten Spannung auf.
Die hieraus sich ergebende Messgenauigkeit ist für die Messung derartig rasch ablaufender Vorgänge sehr gut ausreichend; sie kann durch entsprechend sorgfältige Röhrenauswahl auch noch verbessert werden. Die Messgenauigkeit wird erheblich grösser bei der Messung der in den Starkstrom- und Hochspannungsnetzen und bei den Stossspannungsprüfungen auftretenden Überspannungen bzw. Stossspannungen, da diese erheblich langsamer verlaufen.
Wie schon erwähnt, ist es wichtig, dass die Messdiode einen sehr hohen Sperrwiderstand besitzt.
Dieser kann, wie entsprechende Untersuchungen zeigten, ohne Einbusse an Ergiebigkeit in Durchlassrichtung, d. h. ohne dass der Spannungsabfall in Durchlassrichtung nennenswert erhöht wird - bei der Ausführung der Messdiode als Hochvakuumdiode - da- durch erzielt werden, dass diese unterheizt wird. Es zeigte sich bei den fraglichen Untersuchungen, dass bei den kleinen Kapazitäten der Messkondensatoren eine ganz erhebliche Unterheizung der Diode in Kauf genommen werden kann, bevor der Spannungsabfall in Durchlassrichtung nennenswert ansteigt.
Einen besonders einfachen Aufbau bei der Schaltung nach Fig. 2 erhält man dann, wenn für die Messdiode eine Doppeldiode mit getrennten Kathoden vorgesehen wird, das eine Diodensystem lässt sich dann als Messdiode, das zweite bei entgegengesetzter Polung als Ableitdiode verwenden.
Soll in der Schaltung nach Fig. 1 der Scheitelwert der flüchtigen Spannung möglichst genau gemessen werden, dann wird man nicht nur Messdiode und Messkondensator so dimensionieren, dass die Messfehler sehr klein werden, sondern man wird auch den Anlaufstrom der Diode durch eine entsprechende Kompensationsspannung eliminieren. Diese Massnahme ist bei der Schaltung nach Fig. 2 erst recht angebracht, da sich bei dieser Schaltung zu der den Anlaufstrom treibenden Eigenspannung der Messdiode auch noch jene Spannung addiert, die den Anlaufstrom in der Ableitdiode 9 bzw. in der Überbrückungsdiode 11 - die Dioden 9 und 11 sind in diesem Fall als parallel geschaltet zu denken - treibt.
Da sowohl die Anlaufströme als auch der Isolationswiderstand der Messdiode von der Temperatur der jeweiligen Kathoden, d. h. also auch von deren Heizspannung abhängig sind, ist es bei der Schaltung nach Fig. 2 besonders zweckmässig, die Heizspannungen für sämtliche Röhren zu stabilisieren, etwa mit Hilfe eines Spannungskonstanthalters.
Die beschriebenen Scheitelspannungsmesser werden in den meisten Fällen wohl zur Messung von Überspannungen verwendet, die über ihren unmittelbaren Messbereich von einigen 100 V hinausgehen, d. h. aber, dass sie meist in Verbindung mit Spannungsteilern Verwendung finden. Häufig werden nun kapazitive Spannungsteiler vorgesehen, vor allem bei der Messung in Starkstrom- bzw. Hochspannungsnetzen.
Um in solchen Fällen Ausgleichströme zu vermeiden, die das Messergebnis fälschen könnten, und die daher rühren, dass den angelegten Über- spannungen die auf den Messkondensator gespeicherte Ladung entzogen wird, wird man zweckmässig parallel zu den Eingangsklemmen der in Fig. 1 und 2 dargestellten Messeinrichtungen, d. h. zwischen die Klemmen 4 und 5 bzw. auch zwischen die Klemmen 12 und 13 Ausgleichswiderstände schalten, die der Übersichtlichkeit halber in den beiden Bildern fortgelassen sind. Diese Ausgleichswiderstände wird man so wählen, dass sie auf der einen Seite möglichst niedrig sind, anderseits aber den Frequenzgang des kapazitiven Teilers in dem für die Messung in Frage kommenden Frequenzbereich nicht fälschen.
Bei den vorstehenden Ausführungen ist darauf hingewiesen worden, dass man als Messdiode bei dem heutigen Stand der Technik zweckmässig Hochvakuumdioden, und zwar solche mit heisser Kathode, verwendet. Dies gilt im wesentlichen auch für die Ableitdiode (9) und die Oberbrückungsdiode (11).
Selbstverständlich ist die Erfindungsidee auch für den Fall nützlich, dass die eine oder auch alle Dioden als Halbleiterdioden zur Anwendung kommen. Wenn eingangs darauf hingewiesen wurde, dass die Nützlichkeit der Idee vor allem dann gegeben ist, wenn für das Ableseinstrument 8 elektrostatische Voltmeter verwendet werden, so kann die Schaltung aber auch ohne Einschränkung in solchen Fällen angewendet und nützlich werden, in denen das Anzeigeinstrument (8) als elektronisches Elektrometer ausgeführt ist.