DE2040550B2

DE2040550B2 - Veraenderbarer hochohmiger praezisionswiderstand fuer hoch frequenzanwendungen

Info

Publication number: DE2040550B2
Application number: DE19702040550
Authority: DE
Inventors: Bunjiro Hamamatsu Ichijo (Japan)
Original assignee: Todai Musen K.K., Tokio
Priority date: 1969-08-15
Filing date: 1970-08-14
Publication date: 1972-02-24
Also published as: US3629701A; DE2040550A1; GB1311297A

Description

Hx =

ti)

messen läßt.

2. Veränderbarer hochohmiger Präzisionswiderstand Tür Hochfrequenzanwendung nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch zwei Parallelplatten-Kondensatoren C₁ und C₂. die durch zwei feststehende Platten und eine dazwischenliegende Verschiebbare Plattegebildet sind.sodaßdazwischen zwei Spalte /, bzw. t₂ bestehen, mit einer kleinen Kapazität Co. die in Serie zu jedem der Parallelplatten-Kondensatoren C₁ und C₂ liegt und mit einem Norm-Festwiderstand Rs, der zu dem Parallelplatten-Kondensator C₂ parallel geschaltet ist. Wobei der Kapazitätswert des Parallelplatten-Kondensators C₂ durch Veränderung des Luftspalts t₂ so veränderbar ist, daß die Beziehung

2.-T · / · C₂ · Rs § 10

Zwischen dem Parallelplatten-Kondensator C₂, dem Normwiderstand Rs und einer Versorgungsfrequenz / erfüllbar ist, so daß eine Kombination der Parallelplatten-Kondensatoren C₁ und C₂ und des Norm-Widerstandes Rs durch eine Parallelverbindung eines Äquivalenzwiderstandes Rx gebildet ist, bei der der Widerstand Rx kontinuierlich veränderbar und die Kapazität C_AB konstant gehalten ist.

Die Erfindung geht aus von veränderbaren hoch- ohmigcn Präzisionswiderständen zur Verwendung in hohen Frequenzbereichen.

In jüngster Zeit wird es aus verschiedenen¹ Gründen immer wichtiger, bei der Messung eines dielektrischen trizitütskonstanli* <, gefüllt und der dazwischenliegende aus dünnen Panllelplatten gebildete Kondensator mit dem Dielektrikum der Dicke (,, und der Dielektrizitätskonstante <_s so verschieblich ausgebildet ist. daß eine kleine Verschiebung mittels einer Vorrichtung erreichbar ist. die den durch dünne Parallelplatten gebildete!. Kondensator parallel zu den beiden gegenüberstehenden Seiten der Elektroden hält, und wobei eine Kapazität C₂ zwischen einer Elektrode des verschiebbaren Kondensators gegen den Luftspalt r, und die an Masse gelegte Elektrode gerichtet ist und durch den Ausdruck

darstellbar ist und wobei ein genormter Hochfrequenz-Festwiderstand mit einem Widerstandswert Rs parallel zur Kapazität C, geschaltet ist und der Widerstandswert dieses Widerstandes Rf die Beziehung 2.τ / C₂ Rs ^ 10 befriedigt (/ = Frequenz einer Speisequelle) und wobei ein unbekannter Widerstand Rx einer zu untersuchenden Probe parallel zu der erwähnten Kondensatorgruppe geschaltet ist und durch eine kleine Verschiebung If des verschiebbaren Kondensators ersetzbar ist und sich der unbekannte hohe Wert des Widerstandes R.x über die Beziehung

I₁ 1- f₂ 2 U

I I - Tf 2fV

Verlustwinkels im Bereich hoher Frequenzen auch sehi kleine dielektrische Verluste zu messen, wobei das überstrichene Frequenzband immer breiter wird von den sogenannten drahtlose·¹ Frequenzen etwa im Lang- oder Mittelwellenbereich bis zu sehr hohen ja ultrahohen Frequenzen. Ein veränderbarer handelsüblicher Widerstand mit hohem Widerstandswert, dei über solch weite Frequenzbänder sehr zuverlässig ist, wird zur genauen Messung sehr kleiner Verlustwinkel in erster Linie benötigt.

Seit kurzer Zeit sind unter den synthetischen Isolier materialien solche mit ausgezeichneten Eigenschafter nacheinander entwickelt und für die Praxis nutzbai gemacht worden. Es ist jedoch eine Tatsache, daß ei bis heute keine Vorrichtung zur genauen Messung von f und Λ für Isolatoren mit einem Gütewert Q vor bis 10^s über einen Frequenzbereich zwischer 100 kHz und 1000 MHz gibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen standardisier baren, veränderbaren Widerstand mit hohem Wider standswert zur Anwendung in hohen Frequenzbe reichen zu schaffen, der ausgezeichnete Zuverlässigkeit

d. h. Reproduzierbarkeit bei hoher Präzision übe einen weiten Frequenzbereich aufweist, um so dei oben kurz dargestellten Erfordernissen entsprechei zu können.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 an

gegebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß ein handeis üblicher veränderbarer Widerstand mit hohem Wider standswert und hoher Genauigkeit für einen weitei Frequenzbereich und großer Variabilität des Wider

Λ5 standswertes durch einen relativ einfachen Aufbai herstellbar ist.

An Hand von Zeichnungen werden mehrere Aus führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

3 ⁴

Fig. IA. IH h/w. IC /eigen eine Kombination geordnet ist, ist verschiebbar so gehaltert, daß eine

von Parallelplatten-Kondensaloren und einem Wider- kleine Verschiebung erreicht werden kann, wairuiu

„land zur Verdeutlichung des Prinzips eines veränder- die Parallelstelliinu zum Kondensator > ^L1IHI "":'

baren und standardisierbaren Widerstandes mit hohem Platte E mittels einer geeigneten VornciunfcW

Widerslandswert für I Ioehfrequen/anwendung gemäß ? etwa eines Mikrometers, beibehalten bleiDi auir

der Frtindunu; dünne Metallplatten sind als Elektroden an der Lm.cr-

F ie. 2Λ und 2B verdeutlichen Aquivalenzschal- fläche des Kondensators 1, beiden Flachen des Kon-

tungen des Auihaus gemäß I·ig. IB: densators 2 und der Oberfläche der Hatte/: vor-

I-ig.3A und 3 B zeigen Äquivalenz- oder Ersatz- gesehen. Ein scheibenförmiger Isolator geeigneicr

schaltungen der in Fig. IC uezeiüien Kombination: io Dicke ist zwischen die Ober- und Unterpiatu. uu

F ι n. 4 verdeutlicht eine erste Ausführungsform der Platte E eingesetzt. Wie erwähnt, ist eine senr dünne

I rlinJune zur Messung eines unbekannten Wider- Metallplatte mit der Oberfläche des Scneibenisounors

Standes Rx. wobei der für Hochfrequenzanwendung verbunden, und eine Metallplatte mit einer υ ic kl

eeeismete hochohmiue veränderbare Standardwider- zwischen 0,5 und 1 mm ist an der Unternacne aicscs

stand verwendet wird: is Isolators befestigt, wobei die Ober- und Unterplatte

Fig 5 A zeigt eine zweite Ausführungsform der gewöhnlich elektrisch miteinander·_ verbunden sina

Erfindung bei der der für hohe Frequenzen Geeignete wie aus F i g. 1 B ersichtlich ist Wie t ig. zeig ,

hochohmige und veränderbare Widerstand gemäß der ist zwischen der unteren Elektrode des Kondensau-rs, ^

Erfindung für Meßzwecke mit einem abgestimmten und der oberen Elektrode de. Platte t ein tür tiocn

Abstimrn- oder Schwingkreis verbunden ist: 20 frequenzanwendung geeigneter Festwiderstand «s an-

F i g. 5 B verdeutlicht die Ersatzschaltung des in geschlossen. Wird der Kapazitatswert zwirnen oer

I-ig. 5 A gezeisten veränderbaren Widerstands und unteren Elektrode des Kondensators 2 und der emeren

F i g 6A bzw 6B verdeutlichen eine dritte Ausfüh- E'ektrode der Platte E mit C₂ bezeichnet, so gilt, lungsform der Erfindung gemäß der der für hohe

Frequenzen geeignete veränderbare Widerstand für 25 ^. _ ^>Mji,

Meßzwecke mit einem Abstimmkreis verbunden ist. ² t₂ ■

wobei eine gemeinsame Masseverbindung besteht. , . •,••_fI.i,-„._t!inff. a_p*

sowie den zu diesem Schaltungsaufbau gehörenden wobei ,₀ der absoluten Dielektnzitatskoiwtante des

Ersatzschaltkreis. Vakuums entspricht Die Kondensatoranorfnungder

Unter Bezug auf die Zeichnungen werden Aus- 30 F i g. 1 B wird durch die in F 1 g. 2A gezeig te Aqui

führungsbeispiele der Erfindung im folgenden in valenzschaltung wiedergegeben, und e* gilt die folgende

Einzelheiten erläutert. In Fig. IA sind Elektroden- Beziehung:

platten von kreisförmigen Parallelplatten-Konden- . _{f f} i,f_s + Fs'i

satoren 1 und 2 mit der gleichen Plattenfläche A und _. = —*—-- H --j = — _f _{f A} ⁽ '

dazwischenliegender dielektrischer Substanz mit einer 35 ^Cr 'o's^ ^foM 0 1 s Dielektrizitätskonstante r_s und entsprechenden

Dicken is, bzw. f.s, parallel zueinander angeordnet. wobei gilt: t_s = t_s) + ta- _ _{f h}· _f

wobei Spalte f, und u auf beiden Seiten des Konden- Für die Kreisfrequenz ,,, gilt «. - ^h wod« j

sators 2 vorgesehen sind. Eine fluide dielektrische Sub- der Frequenz der speisenden Quelle entspncnt. in

stanz (Luft oder Flüssigkeit) mit der Dielektrizitäts- 40 F i g. 2A gilt unter der Bedingung

konstante f, füllt die Spalte f₍ und t₂ aus. Es gelte die ρ

Beziehung r₀ = f, 4- t₂ und fs = fs, + fs₂. und weiter- '"C₂Rs^ 10 (-'

hin sei angenommen, daß fs >· f_fl. Beispielsweise liege -nc- τ δ η H-i« ripr

der Wert für fs zwischen 10 und 20mm. und f₀ habe daß das Ersatzbild gemäß Fig. ^A in aas uu den Wert lmm. Der Zwischenkondensator 2. der 45 Fig. 2 B transformiert werden kann. Fur die h ig. <-β

zwischen dem Kondensator 1 und einer Platte E an- gelten die folgenden Beziehungen.

¹ ₌ '< ₊ '' ₊ A_ = .--h:._ + _'"- = const. Cp f„f_SA fn's-4 ΌM ^A 'ö^fs·⁴ ΌΊ^

_B /■ . QVn. _ fy , 'i'.^'J'iYr, (3)

t\po —

Wird, wie aus F 1 g. 1 C ersichtlich, der Zwischenkondensator 2 um einen kleinen Betrag If an die Platte £ verschoben, so ergibt sich als Ersatzbild die in F i g. 3A gezeigte Darstellung, für die gilt:

1 I₁I, + i.s-Ci + ")

Cr' j,,/,/_s/I

r ■ '"'1^/f

Weiterhin kann das Ersatzschaltbild der F i g. 3Λ in das der F i g. 3 B transformiert werden. Für i i .». 3 H gilt dann der Ausdruck:

Cp' Cr' C₁ 'n's'/i 'd M-'' Ίι'.νΊ '(i'.S''' Ίι M -¹I

Damit entspricht der Wert Cp in F ig. 2 B dem Wert Cp in F ι g. 3 B. Das heißt, es gill (ρ — Cp'. Die von den Klemmen T₁ und T₁ aus sichtbare Kapazität Cp ist damit für kleine Verschiebungen des Kondensators 2 konstant. Andererseits läßt sich Rpx durch den folgenden Ausdruck darstellen:

si'; -

Rs

Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, daß sich ein hochohmiger veränderbarer Normwiderstand Tür hohe Frequenzen durch Veränderung der Größe If herstellen läßt.

F i g. 4 zeigt eine erste Ausfiihrungsform der Erfindung, bei der der veränderbare Normwiderstand für hohe Frequenzen, wie er oben beschrieben wurde, in Verbindung mit einer Meßschaltung verwendet wird, wobei zunächst eine Probe einer dielektrischen Substanz mit einer Kapazität Cx und einem Widerstand Rx über einen Schalter S vom Kreis abgetrennt ist. In diesem Zustand wird der Kreis durch eine einstellbare Kapazität Cd abgestimmt. Der Abstimmwert von Cr sei Cc₁. und der durch das Anzeigegerät fließende Strom sei Igo. Danach wird nach Anklemmen der Probe der dielektrischen Substanz (Cx. Rx) parallel zu den Anschlußklemmen Tj und T₂ durch Schließen des Schalters S der Kreis wiederum durch Nachstellen von Ci' abgestimmt. Damit gilt die folgende Beziehung:

Cx = Cf₁ -Cr₂.

Darin ist Cr₂ der Abstimmwert für Cr, wenn die Probe angeklemmt ist. In diesem Fall nimmt der durch das Anzeigegerät fließende Strom auf Grund des Anschlusses von Rx vom Wert Igo aus ab. jedoch kann dieser Strom durch Einstellen des Kondensators 2 des veränderbaren Widerstands für hohe Frequenzen durch eine kleine Verschiebung gegen die Platte E wieder auf den gleichen Wert Igo einjustiert werden. Erreicht der durch die Anzeigevorrichtung fließende Strom den Wert Igo. so betrage nach Anschließen der Probe an den Kreis die Verschiebung den Wert Ii, und es läßt sich folgendes ableiten:

I
Rx

Rpx Rp<>

daraus folgt:

R_x = Rp₁)

1 — Rp<i Rpx

Wird Rpo und Rpx in den Gleichungen (3) und (4i durch die Beziehung (5) substituiert, so ergibt sich die folgende Gleichung (6):

_R._{Y =} O^YJJL.A...._J___RS.,«, des hochohmigen Widerstandes Rx aus der folgenden ίο Beziehung(7)ermitteln:

's'n/ If

ΚWerden beispielsweise die verschiedenen Parameter wie folgt gewählt: Durchmesser der Elektroden = 40 mm. f₀ = 1 mm, t, = f₂ = 0,5 mm. r₂ = 10 mm. Rs = 40 kü. f_s = 5 (für eine Glasplatte) und./' = 2 χ

10⁶ FIz. so daß sich «>C₂R_S = 10 ergibt, so folgt aus Gleichung (7). wenn If = 10 μ ist: Rx = 36 Mti. Wird eine Flüssigkeit mit f, = 10 als fluides Dielektrikum verwendet, so ergibt sich für If = 10 ■>. Rx = 1764 MLl. d.h.. es zeigt sich, daß der Wider- standswer. des hochohmigen Widerstandes Rx .über einen sehr weiten Widerstandsbereich gemessen werden kann.

Die zweite und dritte abgewandelte Ausführungs form der Erfindung, bei der der veränderbare Norrr

,0 oder Bezugswiderstand für hohe Frequenzen gcmiil¹ der Erfindung auf Meßschaltungen angewendet ist. wird im folgenden unter Bezug auf die F i g. 5Λ und 5 B bzw. 6 A und 6 B näher erläutert. In Fig. 5A sind Parallelplatten-Kondensatoreii ■

und C₂ mit Luftspalten f, bzw. r₂ gezeigt. Ein·.· 1 zwischenliegende Metallplatte liegt an Masse und ;·. Kapazitätswerte der Kondensatoren C₁ und C₂ s durch die Beziehung

C₁ = ^f-1^A bzw. C₂ = 1^A-

gegeben. Darin bedeutet A die Fläche jeder Elektron·.·; platte der Kondensatoren C₁ und C₂, die nicht \

Masse Hegen, und ^₀ bezeichnet die absolute Die¹·-· trizitätskonstante des freien Raumes, d. h. für Vakuu Die dazwischenliegende geerdete Platte kann mine; einer Mikrometerschraube um kleine Verschiebung betrage auf und ab bewegt werden. Wird nun vr der Annahme, daß f_n = r, = r₂ gilt, die an Μ·.<liegende Zwischenelektrode geringfügig nach ■ oder unten nach Ir verschoben, so ändern sic'r-Kapaziuitswerte der Kondensatoren C₁ und C_; sprechend. Dabei jedoch bleibt der über die hci.c:

5S Anschlußklemmen A und B der Kondensatoren und C₂ meßbare Ka.pazitätswert C_AB unveränd-::: konstant, d. h.. es eilt:

In der Gleichung (6) sind die Werte für ,. _ν. ;„. r- und Rs alle bekannt, so daß der Widerstandswert no des hochohmigen Widerstands Rx durch Nietung des Wertes Ir erhalten werden kann. Weiterhin iaßt sich der Gütewert Q der Probe durch die Beziehung Qx = f-iCxRx erhalten.

In dem speziellen Fall, daß für den Kondensator 2 zunächst die Beziehung r, = r₂ gilt und die fluide dielektrische Substanz Luft ist. d. h. f, gleich oder annähernd gleich 1 ist. läßt sich der Widerstandswert C,

C₁

ί -

- Ii ·,, A

f,-·
= —-,- = constant.

Wird gemäß Fig. 5A ein Normfestwidersiand R> für hohe Frequenzen (beispielsweise ein Kohleschichtwiderstand) parallel zum Kondensator C₂ geschaltet. so läßt sich mit C_AB und Rx etwa der in Fig. 5B

.JICHNU,

clfi rgestef I te Äquivalenzschaltkreis angeben, wobei für die Ausdrücke Rx und C_A„ die folgenden Beziehungen (8) und (9) gelten:

,,'C₁'Ks

is (X)

_ C₁II I ,,,¹C₁(C₁ I C₂)Ky" ! ■"' " I ( '^(C₁ l· C₂)²Rs² ■ _fo

Mit i>, = 2.7 / als Kreisfrc(|ucnz einer Versorgungsquelle und unter der Annahme, daß der Widerstandswert des Festwiderstandes Rs so gewählt ist, daß die Beziehung Das heißt, der Widerstandswert Rx kann beliebig und kontinuierlich zwischen Rs und Unendlich verändert werden, während der Kapazitätswert für C._1fl unverändert bleibt.

Um als variablen Widerstand Rp einen sehr hohen Widerstandswert zu erreichen, der eine Äquivalcnzdarstellung des erfindungsgemäßen variablen Widerstandes ist. wie er an den Klemmen T₁ und T₂ auftritt, wenn der Wert für t₂ nicht Null ist, werden die Kondensatoren Co, die die Beziehung Cf) <: C _(fl befriedigen, in Reihe mit dem Kondensator C_1n eingesetzt. Damit läßt sich Tür Rp der folgende Ausdruck (12) angeben:

J ,,,C₂Rs

oder

Damit wird ein veränderbarer Normwiderstand mit sehr hohem Widerstandswert für Hochfrequenzanbefricdigl ist. lassen sich die Gleichungen (S) und (9) 20 wendung erhalten, wodurch Verlustwiderstände sehr unter Beachtung der Beziehung ,,²C₂ ²Rs² » I wie yerlustarmer Dielektrika durch ein Substitutionsverfolgt vereinfachen:.

Unter Verwendung der Beziehungen

(10)

(II) fahren meßbar werden.

Der Widerstand Rx der Probe wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben: *

Co

Rs.

C₁=

und

in den obigen Ausdrücken können clic folgenden Be-Ziehungen abgeleitet werden

C,„ =

'^oA

= const.

(ΙΟ)'

(Ι1Γ wobei r₂₀ dem Spalt des Kondensators C₂ zum Beginn der Messung und f_2x dem diesem Widerstandswert zugeordneten Spalt entspricht. Dabei kann ein Widerstandswert des veränderbaren erfindungsgemäßen Widerstandes als Wert Rxs der Probe im Verlauf der Messung substituiert bzw. ermittelt werden.

Im Prinzip entsprechen die Schaltungen der Fig. 6A und 6B vollständig den Schaltungen der Fig. 5A und 5B. Lediglich die verschiebbare Zwischenplatte zwischen den Parallelplatten-Kondensatoren ist insofern abgewandelt, als diese Platte gegen Masse isoliert und die untere Elektrodenplatte des Kondensators C₂ an Masse gelegt ist. da der Abstimmkreis zur Messung an eine durchgehende Masseleitung gelegt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen *)9 509/342

Claims

Patentansprüche.

1. Veränderbarer hochohmiger Prazisionswiderstand für Hochfrequenzanwendung. gekennzeichnet durch einen durch dünne Pariillelplatten gebildeten Kondensator mit dünnen Memllfilmelektroden auf beiden Seiten und mit einem dazwischen angeordneten Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante i_s und einer Dicke r₀ I₁I. dessen dünne Metallfilmelektroden parallel zu den Elektrodenplatten eines Parallelplatten-Kondensators mit der Plattenfläche .4 angeordnet sind und der ein dazwischenliegendes Dielektrikum mit der Dielektrizitätskonstante t_s und einer Dicke /_sl aufweist, wobei die angrenzenden Elektroden der beiden Kondensatoren voneinander durch einen Spalt T₁ getrennt sind, und mit einem als Parallelplatte ausgebildeten dielektrischen Element beliebiger Dicke, das auf beiden Seiten mit Metallelektrodenplatten versehen ist und parallel zum Kondensator mit den dünnen Platten angeordnet ist. wobei ein Zwischenspalt f₂ vorgesehen ist und wobei die Metallelektrodenplatten zur Bildung einer Masse-Elektrode mit- einander verbunden und an Masse gelegt sind, wobei weiterhin die Spalte T₁ und f₂ mit einer fluiden dielektrischen Substanz mit einer Dielek-