DE4124679A1 - Widerstand fuer hochohmigen spannungsteiler grosser frequenzbandbreite - Google Patents
Widerstand fuer hochohmigen spannungsteiler grosser frequenzbandbreiteInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Widerstand für hochohmige Span
nungsteiler mit großer Frequenzbandbreite, bei dem ein mög
lichst homogenes elektrisches Feld in der Umgebung der Wider
standssäule geformt wird.
Solche Spannungsteiler werden für die Messung hoher Spannungen
benötigt, die sich zeitlich verändern. Neben der Messung des
Spannungsverlaufs mit dem Oszilloskop ist die Istwerterfassung
in elektronisch geregelten Hochspannungserzeugern, z. B. in
Kondensatorladegeräten, insbesondere bei hohen Wiederholraten,
ein Anwendungsgebiet für breitbandige Spannungsteiler.
Ohmsche Spannungsteiler zum Messen von Hochspannung bestehen
in der Regel aus einer Serienschaltung von einem hochohmigen
Widerstand von mehreren hundert Megohm und einem um mehrere
Zehnerpotenzen kleineren Widerstand, an dem die Meßspannung
abgegriffen wird. Bei zeitlich veränderlichen Spannungen wird
der Potentialverlauf längs des hochohmigen Widerstands durch
kapazitive Ströme zu der auf Erdpotential liegenden Umgebung
gestört; diese Störung verfälscht frequenzabhängig das Teiler
verhältnis und führt zu einem fehlerhaften Verlauf der Meß
spannung bei zeitlich veränderlichen Spannungen.
Breitbandigkeit kann erzielt werden, indem man das elektrische
Feld in unmittelbarer Nähe der hochohmigen Widerstandssäule
formt. Beispielsweise kann durch eine tellerförmige Elektrode
am Spannungsteilerkopf die kapazitive elektrische Feldvertei
lung an die lineare ohmsche Spannungsaufteilung angepaßt
werden; hierbei erzwingt man in der Umgebung der Widerstands
säule ein homogenes elektrisches Feld (Adolf J. Schwab:
"Hochspannungsmeßtechnik", Springer-Verlag Berlin Heidelberg
New York 1981, S. 61).
Für die Formung des elektrischen Feldes mittels Elektroden im
freien Raum oder in den für die Isoliertechnik üblichen
Materialien, die gewollt eine niedrige DK besitzen, wird rela
tiv viel Raum benötigt, was die Konstruktion kompakter Geräte
sehr erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, die geometrischen Abmessungen
von breitbandigen Spannungsteilern für Hochspannung zu
verringern.
Um einen breitbandigen Spannungsteiler mit geringem Raumbedarf
zu realisieren wird erfindungsmäßig zur Formung des elektri
schen Feldes dielektrisches Material mit hoher DK eingesetzt.
Solche Dielektrika mit hohen Dielektrizitätskonstanten im Be
reich von 90 bis 6000 sind übliche Werkstoffe für keramische
Kondensatoren. Diese Werkstoffe sind hervorragend für den Bau
von Feldformern für elektrische Felder geeignet und ermögli
chen die Miniaturisierung von breitbandigen Spannungsteilern
für Hochspannung.
Eine geeignete Feldformung kann dadurch erzeugt werden, daß man
die hochohmige Widerstandssäule mit der Keramik hoher DK
umgibt, z. B. indem man die Widerstandssäule gemäß Patentan
spruch 2 koaxial in einem Keramikrohr positioniert. Die metal
lisierten Stirnflächen des Keramikrohrs werden mit den beiden
Anschlüssen der hochohmigen Widerstandssäule verbunden.
Da die Wandstärke des Keramikrohres klein ist im Vergleich zur
Rohrlänge, ist der radiale Potentialgradient in der Rohrwand
vernachlässigbar, so daß zwischen Außenwand und Innenwand kein
merklicher Potentialunterschied besteht. Deshalb erhält man
die gleiche Feldformung, wenn man die Keramik mit hoher DK in
das Innere der Widerstandssäule verlegt, indem man einfach den
Tragkörper des Widerstandes, der stabförmig oder rohrförmig
von beliebiger Querschnittsform sein kann, aus keramischem Ma
terial mit hoher DK macht, entsprechend Patentanspruch 3.
Die Keramik mit hoher DK führt grundsätzlich zu einer Erhöhung
der Eingangskapazität des Spannungsteilers. Die bisher be
trachteten erfindungsgemäßen Widerstände besitzen eine hohe
Eigenkapazität. Der kapazitive Strom fließt auch über den un
teren Widerstand des Spannungsteilers und muß dort durch eine
relativ große Parallelkapazität kompensiert werden, um das
Spannungsteilerverhältnis über ein breites Frequenzband
beizubehalten. Große Kapazitäten können zu Schwierigkeiten be
züglich ihrer Eigenresonanzen führen.
Um die Eigenkapazität des hochohmigen Widerstandes zu
verringern, aber die feldformende Wirkung der Keramik
beizubehalten, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfin
dung zwischen Widerstandssäule und Keramikrohr ein Spalt ge
lassen und die erdnahe metallisierte Kontaktfläche des Kera
mikrohrs als dritter Anschluß des Widerstandes benutzt, der
wahlweise mit der Widerstandssäule oder mit dem Bezugspotenti
al des Spannungsteilers verbunden werden kann (Patent
anspruch 4).
Verbindet man diesen dritten Anschluß mit dem Bezugspotential
des Spannungsteilers, das gewöhnlich Erdpotential ist, so ist
der kapazitive Anteil am Meßstrom sehr klein.
Bei einem 25 cm langen Keramikrohr (DK = 6000, Außendurchmes
ser 8 mm und Innendurchmesser 5 mm) entsprach der kapazitive
Anteil des Meßstroms einer Eigenkapazität der hochohmigen Wi
derstandssäule von weniger als 10-2 pF, so daß die notwendige
Paralellkapazität am unteren Teilerwiderstand bei dem Teiler
verhältnis von 1000 : 1 einen Wert von einigen pF haben mußte.
Da Oszilloskopeingänge Kapazitäten von 10 bis 50 pF besitzen,
ist es sinnvoll, die Eigenkapazität der Widerstandssäule etwas
zu erhöhen, z. B. indem man die Widerstandssäule aus Widerstän
den nach Patentanspruch 3 aufbaut oder ein zusätzliches Kera
mikrohr unmittelbar an der Widerstandssäule anbringt, dessen
untere metallisierte Kontaktfläche mit dem unteren Anschluß
der Widerstandssäule verbunden wird.
Es ist natürlich auch möglich, die Spannungsteilung mit Hilfe
eines Operationsverstärkers durchzuführen, indem man den er
findungsgemäßen hochohmigen Widerstand als Vorwiderstand be
nutzt und den niederohmigen Widerstand als Gegenkopplungswi
derstand des Operationsverstärkers. Da breitbandige Operati
onsverstärker mit niedriger Eingangskapazität von wenigen Pi
cofarad zur Verfügung stehen, läßt sich so ein Spannungsteiler
realisieren, bei dem mit keramischem Material hoher DK die
elektrischen Streufelder vermindert werden und die geringe Ei
genkapazität der hochohmigen Widerstandssäule nicht erhöht zu
werden braucht.
Wie oben erwähnt, wird durch das keramische Material mit hoher
DK grundsätzlich die Eingangskapazität des Spannungsteilers
erhöht. Beispielsweise betrug bei dem oben beschriebenen 25 cm
langen Keramikrohr die Eingangskapazität des Spannungsteilers
6 pF. Um die Feldformerwirkung zu verbessern oder, um ohne
Verringerung der Feldformerwirkung die Eingangskapazität zu
verkleinern, wird als weitere Ausbildung der Erfindung eine
Mehrzahl von Keramikrohren hoher DK koaxial auf die Wider
standssäule aufgebracht, zwischen denen sich Schichten niedri
ger DK befinden (Patentanspruch 5).
Dem Patentanspruch 5 liegt folgende Idee zugrunde: Die Wirkung
des Keramikrohrs liegt darin, daß die axialen Verschiebungs
ströme verstärkt und die radialen Verschiebungsströme zum um
gebenden Erdpotential dagegen vernachlässigbarer werden, was
zu einer Verbesserung der Linearität des Potentialverlaufs
entlang der Widerstandssäule führt. Unterteilt man die Wand
stärke des Keramikrohres in eine Mehrzahl von Schichten, die
durch Spalte voneinander getrennt sind, so verbessert man die
Linearität des Potentialverlaufs an der Widerstandssäule. Die
ser Effekt kann dazu ausgenutzt werden, bei gleicher Feldform
wirkung keramische Masse einzusparen und die Eingangskapazität
des Spannungsteilers zu verringern.
Durch die radiale Schichtung des Dielektrikums wird das Ver
hältnis von mittlerer DK in axialer Richtung zu mittlerer DK
in radialer Richtung erhöht; die mittlere DK ist anisotrop.
Die Verringerung der mittleren DK in radialer Richtung hat au
ßer besserer Feldformwirkung noch den Vorteil, daß die Entste
hung von Dipolwellen am langen dielektrischen Rohr behindert
wird. Solche Wellen an einem dielektrischen Wellenleitersystem
können zu störenden Resonanzen bei hohen Frequenzen führen.
Falls die Kapazität am Ausgang des Spannungsteilers zu hoch
ist, ist es erforderlich, die Kapazität der Widerstandssäule
zu erhöhen. Bei dem Widerstand gemäß Patentanspruch 5 kann
hierfür die untere Metallisierung der innersten Schicht hoher
DK mit dem unteren Anschluß der Widerstandssäule verbunden
werden, während die unteren Kontaktflächen der übrigen Kera
mikschichten mit dem Bezugspunkt des Spannungsteilers verbun
den bleiben.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß
Spannungsteiler zur Messung von schnell veränderlichen hohen
Spannungen im Bereich von 5 bis 50 kV mit kleinen Abmessungen
gebaut werden können, die insbesondere den Bau von kompakten
Hochspannungs-Kondensatorladegeräten mit hohen Ladewiederhol
raten ermöglichen.
Die Querschnitte der Keramikstäbe und -rohre müssen nicht
kreisförmig sein. Auch dürfen sie Schlitze parallel zu den
Verschiebungsstromlinien aufweisen. Deshalb kann man z. B. ein
"Rohr" auch aus mehreren Stäben oder Rohren reusenförmig
zusammensetzen.
Auch kann die Erfindung sinngemäß auf Scheibenwiderstände, bei
denen der Strom radial fließt, angewandt werden. Anstatt koa
xial ineinander geschobener Rohre werden dann die erfindungs
gemäßen Widerstände sandwich-artig aufeinander geschichtete
Keramikplatten mit hoher DK und Isolierschichten mit niedriger
DK besitzen.
Die Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 3 zeigen Spannungsteiler mit
Beispielen von erfindungsmäßigen hochohmigen Widerständen.
In Fig. 1 ist ein Widerstand nach Patentanspruch 2 dargestellt.
Die Widerstandssäule (1) befindet sich koaxial im Keramikrohr
mit hoher DK (2). Die metallisierten Kontaktflächen (3; 4) sind
mit den jeweiligen Anschlüssen der Widerstandssäule (1)
verbunden. Die Eigenkapazität dieses Widerstandes, bestehend
aus Widerstandssäule (1) und Keramikrohr (2) ist relativ hoch
(ca. 5 pF). Bei einem Teilerverhältnis von 1000:1 (250 Megohm
zu 250 Kiloohm) wird dem unteren Widerstand (5) eine große Ka
pazität (6) mit dem Wert 5 nF parallel geschaltet.
In Fig 2 ist ein Widerstand nach Patentanspruch 4 mit einer
Widerstandssäule nach Patentanspruch 3 dargestellt. Die Wider
standssäule (7) befindet sich koaxial im Keramikrohr (8), wo
bei die untere metallisierte Kontaktfläche (9) geerdet ist.
Bei der nach Patentanspruch 3 aufgebauten Widerstandssäule (7)
ist die Widerstandsschicht (10) auf einen Keramikstab mit ho
her DK (=500) (11) aufgebracht. Die Eigenkapazität der so auf
gebauten Widerstandssäule (7) beträgt 0,5 pF, weshalb für den
unteren Widerstand (12) eine Parallelkapazität (13) von 500 pF
benötigt wird. Der Spalt (14) zwischen Widerstandssäule (7)
und Keramikrohr (8) ist beabsichtigt.
In dieser Anordnung sind die Streufelder der Widerstandssäule
- ähnlich wie bei einem Schutzringkondensator - weitgehend
ausgeschaltet. Der gemessene Strom, der an der R-C-
Kombination (12; 13) die Meßspannung erzeugt, fließt allein
durch die Widerstandssäule (7).
Fig. 3 zeigt einen Widerstand nach Patentanspruch 5. Die sehr
kapazitätsarme Widerstandssäule (15) befindet sich koaxial in
den beiden Keramikrohren (16; 17), deren untere metallisierten
Kontaktflächen (18; 19) hier an Erde gelegt sind. Zwischen den
Keramikrohren (16; 17) befindet sich eine Schicht mit niedriger
DK (20). Die hochohmige kapazitätsarme Widerstandssäule (15)
wird als Vorwiderstand für den Operationsverstärker (16)
benutzt, dessen Eingang kapazitätsarm ist. Das Teilerverhält
nis 1 : 1000 wird mit dem Gegenkopplungswiderstand (17)
eingestellt. An den Ausgang 18 kann ein abgeschlossenes 50-
Ohm-Kabel angeschlossen werden. Es besteht bei diesem Wider
stand die Möglichkeit, die Längskapazität des Widerstandes zu
erhöhen, indem man die untere Metallisierung des inneren Kera
mikrohrs (18) mit dem unteren Anschluß der Widerstandssäule
verbindet.
Claims (5)
1. Widerstand für hochohmigen Spannungsteiler großer
Frequenzbandbreite, bei dem ein möglichst homogenes elektri
sches Feld in der Umgebung der Widerstandssäule geformt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Formung des elektrischen Fel
des dielektrisches Material mit einer hohen Dielektrizitäts
konstante (DK) eingesetzt wird.
2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Widerstandssäule (1) koaxial in einem Rohr (2) aus
keramischem Material mit hoher DK, z. B. Bariumtitanat,
befindet.
3. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
stab- oder rohrförmige Tragkörper, auf den das Widerstandsma
terial aufgebracht ist, aus keramischem Material mit hoher DK
80 besteht.
4. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
sich zwischen der Widerstandssäule (1; 7) und dem Rohr mit ho
her DK (2; 8) eine Schicht mit niedriger DK (14) befindet und
die erdnahe metallisierte Kontaktfläche (9) des Keramikrohres
nicht mit der Widerstandssäule verbunden ist, so daß sie
wahlweise, entweder mit der Widerstandssäule oder mit dem Be
zugspotential des Spannungsteilers verbunden werden kann.
5. Widerstand nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrer Keramikrohre mit hoher DK koaxial aufgebracht sind,
zwischen denen sich Schichten mit niedriger DK befinden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914124679 DE4124679A1 (de) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | Widerstand fuer hochohmigen spannungsteiler grosser frequenzbandbreite |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914124679 DE4124679A1 (de) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | Widerstand fuer hochohmigen spannungsteiler grosser frequenzbandbreite |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4124679A1 true DE4124679A1 (de) | 1993-01-28 |
Family
ID=6436996
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914124679 Withdrawn DE4124679A1 (de) | 1991-07-25 | 1991-07-25 | Widerstand fuer hochohmigen spannungsteiler grosser frequenzbandbreite |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4124679A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
MD4128C1 (ro) * | 2010-03-19 | 2012-04-30 | Акционерное Общество Научно-Исследовательский Институт "Eliri" | Divizor de înaltă tensiune |
-
1991
- 1991-07-25 DE DE19914124679 patent/DE4124679A1/de not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
MD4128C1 (ro) * | 2010-03-19 | 2012-04-30 | Акционерное Общество Научно-Исследовательский Институт "Eliri" | Divizor de înaltă tensiune |
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Legal Events
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