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Schaltungsanordnung zum Messen der Kapazität und des Verlustwinkels
von Kondensatoren Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen der
Kapazität und des Verlustwinkels von Kondensatoren unter Verwendung einer Schering-Meßbrücke.
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Damit bei der Messung von Kondensatoren, insbesondere bei solchen
mit kleinem Verlustwinkel, die an den Klemmen auftretenden ubergangswiderstände
keine Meßfehler einbringen, ist es an sich bekannt, eine sogenannte Thomson-Meßbrücke
zu verwenden, mit der Zuleitungswiderstände eliminiert werden können (vergniche
Rint "Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker" Jahrgang 1957, Band 5, Seite
692). Eine solche Thomson-Meßbrücke muß ebenso wie eine Sch,ering-Meßbrücke mit
mechanischen Mitteln abgestimmt werden. Das ist zum Zweck von Serienmessungen im
Prüffeld äußerst unbefriedigend, da die Abstimmzeit und der Wartungsaufwand sehr
groß sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
anzugeben, mit der Messungen der Kapazität und des Verlustwinkels von Kondensatoren
automatisch durchgeführt werden Wönnen. Das heißt, die bei den bekannten Meßbrücken
erforderlichen mechanisch durchgeführten Abstimmvorgänge sollen vermieden werden,
damit Serienmessungen mit vernünftigem Aufwand möglich sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer;Schaltungsanordnung der eingangs
erwähnten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zum Vermeiden von Meßfehlern, die
durch Ubergangswiderstände an den Meßklemmen verursacht werden, die Schering-Meßbrücke
mit einer Thomson-Meßbrücke kombiniert ist und daß zum Bestimmen des komplexen Brückenverhältnisses
anstelle von Widerstands-und Kapazitätsdekaden Analog-Rechenverstärker und einstellbare
Spannun teiler verwendet werden.
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Diese einstellbaren Spannungsteiler werden in vorteilhafter Weise
zum Zweck eines automatischen Brückenabgleiches durch elektronisch gesteuerte elektronische
Spannungsteiler verwirklicht. Das kann mit Hilfe von Feldeffekt-Transistören-, bipolaren
Transistoren oder Diodenanordnungen geschehen.
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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.
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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 beiden 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 möglich,
wobei die zur Messung von Kondensatoren
Ulit kleinem Verlustfaktor
benötigten hohen Spannungen verwendet werden können.
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Einzelheiten und weitere Merkmale der Erfindung sollen anhand eines
in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert
werden. Dabei ist in Figur 1 eine Meßbrücke dargestellt, die auf der einen Seite
die erfindungsgemäße Kombination einer Schering-Meßbrücke mit einer Thomson-Meßbrücke
enthält und 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. Figur 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.
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Die Rechteckspannung 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.
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Im einzelnen besteht in der in Figur dargestellten Meßbrücke der eine
Brückenzweig aus der Hintereinanderschaltung eines Prüfling-Kondensators Cx mit
einem ohmschen Widerstand R1.
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Im anderen Brückenzweig liegen ein Normalkondensator CN und ein ohmscher
Norsalviderstand RN. Setzt man voraus, daß der Normalkondensator CN relativ klein
gegenüber dem Prüfling-Kondensator Cx ist, dann kann man die Übergangswiderstände
vom Prüfling-Kondensator CX zum Normalkondensator CN bzw.
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zum Widerstand R1 vernachlässigen. An die Hintereinanderschaltung
des
Prd.fling-Kondensators CX und des Widerstandes R1 ist eine Wechselspannungsquelle
gelegt, die auf der Widerstandsseite mit dem Bezugspotential verbunden ist.
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Des weiteren enthält das Ausführungsbeispiel fünf Analog-Rechenverstärker
V1 bis V5, die jeweils einen positiven und einen negativen Eingang und einen Ausgang
besitzen. Die dem ohmschen Widerstand R1, der als Einstellwiderstand mit Thomson-Kontaktierung
ausgebildet ist, zugekehrte Seite des Prüfling-Kondensators Cx liegt an dem positiven
Eingang des Analog-Rechenverstärkers V5, die andere Seite über den Normalkondensator
0N an dem negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V4.
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Darüberhinaus ist die dem Einstellwiderstand R1 abgekehrte Seite des
Prüfling-Kondensators CX über den Normalwiderstand RN mit dem negativen Eingang
des Analog-Rechenverstärkers V3 verbunden. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers
V ftihrt 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 ß mit zumit dem Bezugspotential
verbunden, dessen Abgriff über einen Einstellwiderstand R6 mit dem negativen Eingang
des Analog-Rechenverstärkers V2 verbunden ist. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers
V4 führt über einen ohmschen Widerstand ebenfalls zu dem negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers
V2. 2 Der Einstellwiderstand R1 hat zwei herausgeführte Abgriffe, von denen einer
zum positiven Eingang des Analog-Rechenverstärkers V1 und der andere über einen
Einsteliwiderstand R2 zu dem negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V1 bührt.
Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V1 ist über einen einstellbaren ohmschen
Spannüngsteiler n mit dem Bezugspotential verbunden, dessen Abgriff über einen Einstellwiderstand
zum negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V2 fükrt.
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Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V1 führt außerdem zu dem
negativen Eingang des Analog-Rechenverstärkers V2 über einen Einstellwiderstand
R4 Die beiden Einstellwiderstände R4 und R5 sind in ihrer Einstellung mechanisch
miteinander gekoppelt. Zwischen dem Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V2 und
dem Bezugspotential liegt ein Anzeigeinstrument.
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Der Analog-Rechenverstärker V5 weist zwischen Ausgang und dem negativen
Eingang eine direkte Rückkopplung auf, die Analog-Rechenverstärker V1, V3 und V4
eine Rückkopplung zwischen ihren Ausgängen und negativen Eingängen über jeweils
einen ohmschen Widerstand. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V2 ist auf den
negativen Eingang über einen Einstellwiderstand R7 rückgekoppelt.
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Zum Schutz der Verstärker sind zweckmäßigerweise die Eingänge und
der uebergang vom Hochspannungsteil 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 R1 und dem Bezugspotential,
zwischen den negativen Eingängen der Analog-Rechenverstärker V3, V4 sowie dem positiven
Eingang des Analog-Rechenverstärkers V5 und dem Bezugspotential und zwischen dem
Verbindungspunkt des Einstellwiderstandes R1 mit dem PrUfling-Kondensator Cx und
dem Bezugspotential. Der positive Eingang des Analog-Rechenverstärkers V2 ist direkt
mit dem Bezugspotential verbunden. Der im Prüflingszweig d.h. im ersten Brückenzweig
fließende Strom wird über den niederohmigen Einstellwiderstand R1 und über denemit
dem Widerstand R3 stark gegengekoppelten Analog-Rechenverstärker V1 in eine proportionale
Spannung mit um 1800 gedrehter Phase umgewandelt. Ein dieser Spannung fest proportionaler
Strom und ein einstellbarer Teilstrom werden dem Analog-Rechenver3tärker V2 zugeführt.
Der Analog-Rechenverstärker V5 arbeitet als Impedanzwandler und sorgt dafür, daß
die Kontakte am Prüfling-Kondensator Cx praktisch nicht belastet werden.
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Störströme über die Verdrahtungskapazitäten des Ausgangs belasten
nur diesen Verstärker; ohne ihn würden sie den Meßstrom im Einstellwiderstand R1
verfälschen. Das Potential an der dem Einstellwiderstand R1 gelegenen Seite des
Prüfling-Kondensators Cx steht am Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V5 niederohmig
zur Verfügung und wird den positiven Eingängen der Analog-Rechenverstärker V3und
V4 zu geführt. Durch das Zusammenarbeiten der Analog-Rechenverstärker V3 und V5
wird dafür gesorgt, daß an den Normalien CN und RN immer die gleiche Spannung wie
am Prüfling-Kondensator Cx steht; auch der Spannungsabfall an den Stromkontakten
des Prüfling-Kondensators Cx und der Spannungsabfall am Einstellwiderstand R1 verändern
diese Spannungsgleichheit nicht.
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Über die Analog-Rechenverstärker V3 bis V5 werden dem Analog-Rechenverstärker
V2 außerdem der Strom durch den Normalkondensator CN und der durch den Normalwiderstand
RN fließende Strom mit einstellbarer Größe zugeführt.
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Sind die ohmschen Verluste des Normalkondensators 0Nvernachlässigbar
klein, dann gilt, wenn die Summe der Eingangsströme des Analog-Rechenverstärkers
V2 gleich Null ist: Cx = (K1 + K2 a ) CN und
Dabei ist Cx in der Formel die Parallelersatzkapazität des Prüfling-Kondensators
Cx und tan8X sein Verlustfaktor. Die Konstanten K1 und K2 hängen bei genügend guten
Rechenverstärkern nur von den eingestellten Werten der ohmschen Widerstände R1 bis
R5 ab. a in der Formel ist gleich dem Teilerfaktor des Potentiometers a am Ausgang
des Analog-Rechenverstärkers V1. 13 in der Formel ist gleich dem Teilerfaktor des
Potentiometers d am Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V Die Konstante K3 ist
abhängig von der Dimensionierung des Normalzweigs.
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Die Analog-Rechenverstärker V1, V3 und V4 sorgen gleichzeitig dafür,
daß die zwischen den Strommeßstellen liegenden Potentialdifferenzen die Summierung
der Ströme im Analog-Rechenverstärker V2 nicht beeinflussen, da ihre Eingänge eine
hohe Gleichtaktunterdrückung aufweisen und die jeweiligen Ausgangsspannungen auf
das Bezugspotential bezogen sind.
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Für eine etwa benötigte Bereichsumschaltung ist die folgende Zuordnung
mit Rücksicht auf Funktions- und Aussteuerbereich zweckmäßig: die Einstellung =
0,5 des Potentiometers a sollte der Abweichung Null zwischen der Sollkapazität und
der Kapazität des Prüfling-Kondensators Cx entsprechen.a =0 entspricht dann der
größten meßbaren negativen relativen Kapazitätsabweichung, a =1 der dem Betrag nach
gleich großen positiven relativen Kapazitätsabweichung. Die relative Kapazitätsabweichung
ist a direkt proportional; der Anschluß von Klassiergeräten ist daher einfach.
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Der Meßbereich für die Kapazitätsabweichung wird mit den mechanisch
gekoppelten Potentiometern R4 und R5 eingestellt. Die Sollkapazität wird mit dem
Einstellwiderstand R1 für die Eingabe der Zehnerpotenz und mit dem Einstellwiderstand
R2 für die Einstellung der Wertziffern ausgelegt. Der Meßbereich für den Verlustfaktor
wird mit dem Einstellwiderstand R6 gewählt. Die Empfindlichkeit des Nullabgleichs
ist mit dem Einstellwiderstand R7 an die Höhe der Meßspannung angepaßt. Falls dabei
der Aussteuerbereich der Analog-Rechenverstärker nicht ausreicht, müssen die Gegenkopplungewiderstände
der Analog-Rechenverstärker V1, V3 und V4 gemeinsam mit der gewählten Meßspannung
umgeschaltet werden.
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Die Anordnung eines einzigen Analog-Rechenverstärkers statt der beiden
Analog-Rechenverstärker V3 und V4 wäre für den Handabgleich möglich. Wie jedoch
in der in Figur 2 dargestellten
vorteilhaften Ausgestaltung des
Ausführungsbeispiels nach Figur 1 ersichtlich ist, wird für einen automatischen
Abgleich der Meßbrücke die Ausgangsspannung des Analog-Rechenverstärkers V3 zusätzlich
als Steuerspannung für einen phasengesteuerten Gleichrichter benötigt. Aus diesem
Grund ist.
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es auch zweckmäßig, das für den Verlustfaktor-Abgleich benötigte Potentiometer
3 nachzunah diesem Analog-Rechenverstärker V3 anzuordnen Zum Zweck eines automatischen
Abgleiches der Meßbrücke werden, wie in der Figur 2 dargestellt, die Potentiometero
und /3 jeweils durch eine digitale Anordnung ersetzt. Dazu besitzt die in der Figur
2 dargestellte Anordnung zwei Eingänge, von denen einer mit dem Ausgang des Analog-Rechenverstärkers
V3, und der andere mit dem Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V1 verbunden ist.
Diese Anordnung ersetzt damit die den Analog-RechenverstärkeniV1 und V3 im Ausführungsbeispiel
nach Figur 1 nachgeschaltete Anordnung. Der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers
V3 ist über einen Begrenzer 1 mit dem Steuereingang eines gesteuerten Gleichrichters
2 verbunden, der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V1 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 Begrener 6 und 8 ist ein Sägezahngenerator 9 verbunden. Außerdem besitzen die
beiden Begrenzer 6 und 8 jeweils zwei Ausgänge, von denen je einer zu je einem Meßinstrument
lo bzw. 11 führt. Mit den beiden Signal eingängen der gesteuerten Gleichrichter
2 und 4 ist der Ausgang des Analog-Rechenverstärkers V2 verbunden. Dieser besitzt
zwei Eingänge, von denen der positive wie in Figur 1
auf Bezugspotential
gelegt ist und der negative über einen ohmschen Rückkoppiungswiderstand mit dem
Ausgang verbunden ist.
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Die beiden Ausgänge der Analog-Rechenverstärker V1 und V3 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
V3 nachgeschaltete einstellbare Spannungsteiler besteht dabei aus zwei hintereinandergeschalteten
ohmschen Widerständen, deren Verbindungspunkt über die Arbeitsstrecke eines Feldeffekt-Transistors
14 auf Bezugspotential liegt. Der Steuereingang des Feldeffekt-Transistors 14 ist
mit einem der beiden Ausgänge des Begrenzers 6 verbunden. Der dem Analog-Rechenverstärker
V1 nach geschaltete 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 Hintereinanderschaltung
der beiden ohmschen Widerstände mit einem parallelgeschalteten ohmschen Widerstand
überbrückt ist.
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Die in Figur 2 geschilderte Anordnung arbeitet nach folgendem Prinzip:
Ein hochfrequentes Rechtecksignal steuert einen Schalter an. Der Momentanwert Null
des hochfrequenten Rechtecksignals 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.
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Nach Figur 2 erzeugen die beiden Begrenzer 1 und 3 aus den Ausgangs
signalen- der Analog-Rechenverstärker V1 und V3 jeweils ein Steuersignal für den
zugehörigen gesteuerten Gleichrichter 2
bzw. 4 am Ausgang des Analog-Rechenverstärkers
V2, Die so entstehenden Gleichspannungen werden über je einen Tiefpaß 5 bzw. 7 gesiebt
und den gesteuerten Begrenzern 6 und 8 zugeführt.
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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-Rechenverstärkem 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 1o und 11 angezeigt werden. Diese Gleichspannungen
können auch, über Tiefpässe gesiebt, Grenzwertschalter für kapazitive Abweichung
oder für den Verlustfaktor ansteuern. Eine solche Auslegung wäre für Meßautomaten
geeignet.
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Soll eine erfindungsgemäße Meßbrücke für Handmeßplätze mit digital
gesteuerter Ziffernablesung verwendet werden, so ist es zweckmäßig, mit der Ausgangsspannung
der gesteuerten Gleichrichter 2 und 4 die Impulsfolgefrequenz eines Rechteck-Generators
mit konstanter Impulsdauer zu steuern und die Impulsfolgefrequenz digital zu zählen
und anzuzeigen.
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2 Figuren 6 Patentansprüche