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Einrichtung zur Messung der Spitzenspannung einmaliger kurzzeitiger
Spannungsspitzen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Spitzenspannung
einmaliger kurzzeitiger Spannungsspitzen mit einem Integrationsglied, dessen Kondensator
von der Spannungsspitze über einen stromrichtungsabhängigen Widerstand (Gleichrichter)
auf die zu messende Spitzenspannung aufgeladen wird und das eine gegenüber der Dauer
der Spannungsspitze kleine Ladezeitkonstante, aber große Entladezeitkonstante hat.
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Die Untersuchung von nicht periodischen einmaligen und schnell verlaufenden
Vorgängen bereitet meßtechnisch Schwierigkeiten. Zu solchen impulsförmigen Vorgängen
gehören beispielsweise Druckstöße in Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern, Kurzschlußstromstöße
oder Überspannungsspitzen auf elektrischen Leitungen, Einschaltvorgänge in der Stark-
und Schwachstromtechnik, elektrische Entladungsvorgänge und viele andere Erscheinungen.
Derartige einmalige Vorgänge werden meistens mit Oszillographen untersucht, deren
Schirmbild entweder einen nachleuchtenden Phosphor hat oder photographisch aufgenommen
werden kann. Aus den Oszillogrammen lassen sich alle interessierenden Werte entnehmen,
z. B. zeitlicher Verlauf, Dauer und Spitzenwert des Vorganges. Dieses Meßverfahren
ist aber so umständlich und aufwendig, daß es für die Praxis in vielen Fällen nicht
in Betracht kommt. Oft genügt es auch, nur den Spitzenwert des impulsartigen Vorganges
zu messen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, solche Messungen des
Spitzenwertes auf möglichst einfache Weise auch bei äußerst schnell verlaufenden
Impulsvorgängen zu gestatten. Voraussetzung ist, daß sich der zu messende Vorgang
auf beliebige bekannte Weise in einen entsprechenden Spannungsimpuls, also in eine
Spannungsspitze überführen läßt. Gegenstand der Erfindung ist eine neuartige Einrichtung
zur Messung der Spitzenspannung solcher Spannungsspitzen.
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Zur Messung der Spitzenspannung von Spannungsimpulsen kann man sich
in bekannter Weise einer Einrichtung bedienen, die nach Fig. 1 im wesentlichen aus
einem Integrationsglied besteht, dessen Kondensator C von der Spannungsspitze über
einen Gleichrichter G auf die zu messende Spitzenspannung aufgeladen wird. Das Integrationsglied
hat eine gegenüber der Dauer der Spannungsspitze kleine Ladezeitkonstante, jedoch
ist die Entladezeit groß gegen die Dauer der Spannungsspitze.
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Der Kondensator C wird von dem Spannungsimpuls über den Gleichrichter
G aufgeladen, worauf die End-oder Spitzenspannung am Kondensator C mit einem geeigneten
Meßinstrument U, z. B. einem Galvanometer einem Elektrometer, einem Röhrenvoltmeter
od. dgl. gemessen wird. Diese Endspannung am Kondensator C ist die gesuchte Spitzenspannung.
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Die Aufladung des Kondensators C muß möglichst schnell gegenüber
der Dauer des zu messenden Vorganges
erfolgen, die Entladung dagegen so langsam,
daß der Endwert der Kondensatorspannung nach einigen Sekunden, die zur Ablesung
des Spannungswertes erforderlich sind, noch nicht nennenswert abgesunken ist. Es
kommt also darauf an, die Aufladezeitkonstante so klein wie möglich, die Entladezeitkonstante
aber ausrecichend groß für die Ablesung der Spitzenspannung zu machen.
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Die Aufladezeit des Kondensators C wird aber im wesentlichen bestimmt
durch den Ladewiderstand RL, der aus der Reihenschaltung des inneren Widerstandes
Rt der Spannungsquelle und des Durchlaßwiderstandes RD des Gleichrichters besteht.
Ein kleiner Widerstand führt zwar zu kleiner Ladezeit, aber auch zu großen Spitzenströmen,
die die zu messende Spannungsquelle oder gegebenenfalls zwischengeschaltete Verstärkerelemente
und den Gleichrichter stark belasten können.
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Darum muß die Kapazität des Kondensators C verhältnismäßig klein gewählt
werden. Auch leistungsmäßig muß eine kleine Kapazität für den Kondensator C gefordert
werden, denn die Energie, die am Kondensator C gespeichert wird, muß in einer sehr
kurzen Zeit aufgebracht werden. Die Spitzenleistung bei der Aufladung kann also
sehr hohe Werte annehmen, wenn die Kapazität des Kondensators C groß ist.
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Die Entladung des Kondensators C soll dagegen so langsam erfolgen,
daß der Endwert innerhalb von einigen Sekunden, die zur Ablesung nötig sind, noch
nicht nennenswert abgesunken ist. Für die Entladung kann näherungsweise ein konstanter
Widerstand RE angenommen werden, über den sich der Kondensator C entlädt. RE ist
dabei der Widerstand des Gleichrichters G in Sperrichtung mit parallel liegendem
Leckwiderstand des Kondensators und Eingangswiderstand des Voltmeters U zur Anzeige
des Spitzenwertes am Kondensator
C. Die letzteren beiden Widerstände
können allerdings als groß im Vergleich zu dem Sperrwiderstand des Gleichrichters
angesehen und daher vernachlässigt werden. Der Sperrwiderstand des Gleichrichters
liegt bei handelsüblichen Gernaaniumdioden zwischen 10 kOhm und 1 MOhm, bei Siliciumdioden
zwischen 50 und 200 MOhm. Bei Hochvakuumdioden ist der Sperrwiderstand noch größer
und kann bei Elektrometerröhren Werte von bis zu 106 MOhm erreichen.
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Ausschlaggebend für die Brauchbarkeit des Integrationsgliedes zur
Messung der Spitzenspannung ist somit in erster Linie das Verhältnis der Widerstände
REIRL, das im wesentlichen gleich dem sogenannten Sperrverhältnis des Gleichrichters
G ist und möglichst groß sein soll. Bei optimalen Verhältnissen, und zwar bei Verwendung
einer Elektrometerröhre in Diodenschaltung als Gleichrichter und einer weiteren
Elektrometerröhre in einer Röhrenvoltmeterschaltung, erhält man als größtmögliches
Sperrverhältnis ungefähr 106.
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Wie Versuche gezeigt haben, muß zur einwandfreien und bequemen Ablesung
des Spitzenspannungswertes die Entladezeitkonstante wenigstens 60 Sekunden betragen,
wenn man einen Ablesefehler von etwa 10/o zuläßt.
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Dann ist die Ladezeitkonstante gleich 60 ,sec, und der kürzeste meßbare
Impuls kann etwa 600 psec lang sein.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung sollen demgegenüber noch wesentliche
kleinere Spannungsspitzen, und zwar von ungefähr 3 psec Dauer, gemessen werden können.
Die Erfindung geht aus von der bekannten Einrichtung mit einem Integrationsglied,
dessen Kondensator von der Spannungsspitze über einen stromrichtungsabhängigen Widerstand
(Gleichrichter) auf die zu messende Spitzenspannung - aufgeladen wird und das eine
gegenüber der Dauer der Spannungsspitze kleine Ladezeitkonstante, aber große Entladezeitkonstante
hat, und verbessert diese Einrichtung in der Weise, daß mindestens zwei solcher
Integrationsglieder mit von Glied zu Glied zunehmender Entladekonstante hintereinander
angeordnet sind, wobei zwischen je zwei Gliedern ein Impedanzwandler vorgesehen
ist, dessen hochohmiger Eingang von der Spannung am Kondensator der vorhergehenden
Glieder gesteuert wird und dessen niederohmiger Ausgang die Spannung für das folgende
Glied liefert.
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Der Impedanzwandler zwischen den einzelnen Integrationsgliedern kann
zweckmäßigerweise ein Leistungsverstärker, etwa ein Kathodenverstärker oder ein
Transistorverstärker, sein. Am günstigsten ist es, daß die Kapazität des Kondensators
ungefähr der von Glied zu Glied zunehmenden Entladekonstante entsprechend von Glied
zu Glied größer wird, weil dann in allen Integrationsgliedern der gleiche Typ für
den Gleichrichter verwendet werden kann.
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Die Wirkungsweise und weiteren Einzelheiten der erfindungsgemäßen
Einrichtung sollen an Hand der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert werden.
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Fig. 2 zeigt schematisch die grundsätzliche Anordnung für eine Einrichtung
gemß der Erfindung.
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1 ist eine Vorrichtung, die gegebenenfalls vorgesehen ist, um den
zu messenden einmaligen schnellen Vorgang in eine proportionale Spannungsspitze
umzuwandeln oder um einen zu messenden Spannungsimpuls auf einen Wert zu bringen,
z. B. durch Verstärkung oder Spannungsteilung, der von den verwendeten Gleichrichtern
am besten verarbeitet werden kann.
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Ein erstes Integrationsglied I besteht aus einem Kondensator 4 und
einer Gleichrichterdiode 3.
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2 ist der Aufladewiderstand, der im wesentlichen gleich dem Durchlaßwiderstand
der Gleichrichter-
diode 3 ist. Der Kondensator 4 muß so klein sein, daß seine Aufladezeit
über den Widerstand 2 kurz gegen den kürzesten zu messenden Spannungsimpuls ist.
Er lädt sich dann auf den Spitzenwert dieses Spannungsimpulses auf.
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Eine Entladung des Kondensators 4 erfolgt über einen Widerstand 5,
der im wesentlichen der Sperrwiderstand der Gleichrichterdiode 3 ist. Wegen der
Größe des Widerstandes 5 erfolgt die Entladung etwa 103 bis 105-mal langsamer als
die Aufladung, aber wenn der zu messende Impuls eine Länge von beispielsweise nur
10 Casec hat, so erfolgt die Entladung noch viel zu schnell, um eine Ablesung der
Endspannung am Kondensator 4 zu erlauben.
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Deshalb ist erfindungsgemäß hinter dieses erste Integrationsglied
I über einen Impedanzwandler 6, z. B. einen Kathodenverstärker, eine weitere Integrationsstufe
II geschaltet. Die mit 7, 8, 9 und 10 bezeichneten Elemente des Integrationsgliedes
II sind den Elementen 2, 3, 4 und 5 des Integrationsgliedes I ganz analog mit dem
Unterschied, daß die Kapazität des Kondensators 9 wesentlich größer als die des
Kondensators 4 ist. Daher ist auch die Aufladezeitkonstante des Kondensators 9 groß
gegen die des Kondensators 4, aber noch hinreichend klein gegen die Entladezeitkonstante
des Kondensators 4, so daß sich der Kondensator 4 fast ganz auf den End- oder Spitzenwert
der Spannung am Kondensator 4 aufladen kann. Bei Verwendung gleicher Typen für die
Gleichrichterdioden 3 und 8 sind auch die Widerstände 7 und 10 den Widerständen
2 und 5 etwa gleich. Die Vergrößerung der Aufladezeit im zweiten Integrationsglied
II gegen diejenige im ersten Integrationsglied I entsteht daher praktisch ausschließlich
dadurch, daß der Kondensator 9 größer als der Kondensator 4 ist.
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Das auf das Integrationsglied II folgende, nicht dargestellte Integrationsglied
ist wieder über einen Kathodenverstärker oder einen einzelnen Leistungsverstärker
11 angekoppelt. Durch eine entsprechende Anzahl von Integrationsgliedern kann die
Aufladezeitkonstante von Glied zu Glied so weit gesteigert werden, daß das letzte
aus den Elementen 12, 13, 14 und 15 bestehende Integrationsglied eine so große Zeitkonstante
hat, daß die Messung der End- oder Spitzenspannung am Kondensator 14 mittels eines
Zeigerinstrumentes 16, etwa eines statischen Voltmeters oder eines Röhrenvoltmeters
geschehen kann. Nur zur Veranschaulichung sei angegeben, daß der Kondensator 4 des
ersten Integrationsgliedes beispielsweise eine Kapazität von 100 pF, der Kondensator
14 des letzten Gliedes dagegen eine solche von z. B. 8 ,uF haben kann, wodurch insgesamt
eine Vergrößerung der Entladezeitkonstante auf das 80000fache erreicht ist.
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Die Vorgänge in den beiden Integrationsgliedern I und II der Fig.
2 gehen im einzelnen aus der nachstehenden Erläuterung an Hand von Fig. 3 hervor,
wo die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 gewählt wurden.
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Der zu messende Spannungsimpuls wird an die Eingangsklemmen 17-17
der Einrichtung gelegt. 1 ist wieder der Kathodenverstärker, der verhindern soll,
daß die zu messende Impulsspannungsquelle durch den Kondensator 4 unzulässig belastet
wird. Ebenso entkoppelt der Kathodenverstärker 6 die beiden Integrationsglieder
I und II. Die beiden Integrationsglieder I und II seien gleich aufgebaut, so daß
die Widerstände 2 und 7 einerseits sowie 5 und 10 andererseits gleich groß sind.
Dagegen ist der Kondensator 9 des zweiten Integrationsgliedes groß gegen den Kondensator
4 des ersten Integrationsgliedes. Der Kondensator 4 möge sich durch den Spannungsimpuls,
der die
Spitzenspannung UO hat, in einer sehr kurzen Zeit auf den
Spitzenwert aufgeladen haben und beginne, sich zur Zeit t = Null mit exponentiellem
Spannungsabfall U, über den Widerstand 5 zu entladen. Nimmt man die Spannungsverstärkung
des Kathodenverstärkers 6 annäherungsweise mit Eins an, so tritt diese Spannung
U, auch an der Kathode der Röhre 6 auf und bewirkt zunächst eine Aufladung des Kondensators
9 über den Gleichrichter 8. Während U1 langsam absinkt, steigt U2 so lange an, bis
U1 = U ist. Wenn U2 den Augenblickswert von U, erreicht hat, wird der Ladestrom
i des Kondensators 9 Null. Der Strom i würde nun seine Richtung umkehren, und der
Kondensator 9 würde sich entladen, was aber wegen des Sperrwiderstandes der Gleichrichterdiode
8 sehr viel langsamer vor sich geht. In dem Augenblick, wo i = Null ist, hat U seinen
Maximalwert U max. erreicht.
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Maßgebend für den Wert von U2 max. ist - wie die Rechnung zeigt -
das Verhältnis der Entladezeitkonstante des ersten zur Ladezeitkonstante des zweiten
Integrationsgliedes. Je größer dieses Verhältnis ist, um so weniger unterscheidet
sich U2 max. von U0 und um so kleiner ist der Fehler des am Instrument 16 abgelesenen
Meßwertes.
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Die Entladung des Kondensators 9 erfolgt nun wieder im wesentlichen
exponentiell, aber langsamer als die vom Kondensator 4, weil der Kondensator 9 groß
gegen den Kondensator 4 ist. Durch Hintereinanderschalten mehrerer Integrationsglieder
erreicht man schließlich bei genügend kleiner Ladezeitkonstante des ersten Gliedes
eine zur Ablesung ausreichend große Entladezeitkonstante des letzten Gliedes. Wenn
diese beiden Werte vorgegeben sind, hängt die Anzahl der Stufen nur noch von dem
Sperrverhältnis der Gleichrichter in den einzelnen Integrationsgliedern und dem
zulässigen Ablesefehler ab. Da UO den Spitzenwert von U,, nämlich U0, infolge der
im Zeitpunkt t = Null einsetzenden Entladung des Kondensators 4 grundsätzlich nicht
ganz erreichen kann, entsteht ein gewisser Meßfehler.
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Dieser Meßfehler F ist = (1 -a), wenn a = U2max./UO ist.
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Fig. 4 zeigt die praktische Schaltung einer ausgeführten Einrichtung
gemäß der Erfindung, die beispielsweise zur Messung der Zündimpulsspannung von Blitzröhren
elektronischer Blitzlichtgeräte geeignet ist. Die zu messende Spannungsspitze wird
an die Eingangsklemme 18 der Einrichtung gelegt. Ein Kathodenverstärker 19 verhindert,
wie bereits erläutert, eine unzulässige Belastung der die Spannungsspitze liefernden
Quelle. Es folgt ein erstes Integrationsglied 20, 21, an
das ein zweites Integrationsglied
23, 24 über einen Kathodenverstärker angekoppelt ist. Daran schließt sich über einen
weiteren Kathodenverstärker 25 ein weiteres Integrationsglied 26, 27 und schließlich
über einen Kathodenverstärker 28 das letzte Integrationsglied 30, 31 an.
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Das Verhältnis der Ladezeitkonstante eines Integrationsgliedes zur
Entladezeitkonstante des vorhergehenden Gliedes ist bei allen Gliedern gleich 2
10-3 gemacht worden, woraus sich ein Meßfehler von 20/o für den kürzesten meßbaren
Impuls von 3 llsec Länge durch die Hintereinanderschaltung der 4 Integrationsglieder
ergibt. Messung und Anzeige der Spannung am Kondensator 30 des letzten Integrationsgliedes,
die eine Entladezeitkonstante von 80 Sekunden hat, erfolgt beispielsweise durch
ein Röhrenvoltmeter, das an einer Klemme 31 angeschlossen werden kann.
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PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur Messung der Spitzenspannung einmaliger
kurzzeitiger Spannungsspitzen mit einem Integrationsglied, dessen Kondensator von
der Spannungsspitze über einen stromrichtungsabhängigen Widerstand (Gleichrichter)
auf die zu messende Spitzenspannung aufgeladen wird und das eine gegenüber der Dauer
der Spannungsspitze kleine Ladezeitkonstante, aber große Entladezeitkonstante hat,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei solcher Integrationsglieder mit von
Glied zu Glied zunehmender Entladezeitkonstante hintereinander angeordnet sind,
wobei zwischen je zwei Gliedern ein Impedanzwandler vorgesehen ist, dessen hochohmiger
Eingang von der Spannung am Kondensator des vorhergehenden Gliedes gesteuert wird
und dessen niederohmiger Ausgang die Spannung für das folgende Glied liefert.