1.5.2. Емкостные делители напряжения

Измерительные схемы с емкостными делителями напряжения имеют реакцию на прямоугольный импульс согласно уравнению (1.6), см. рис. 1.8Б. В схему замещения (рис. 1.12) входят индуктивность делителя и соединительных проводов L, малое сопротивление R конденсаторов и соединительных проводов, паразитная емкость относительно земли С₃.

Плечо низкого напряжения представлено емкостью С₂, согласующим резистором R_к, емкостью кабеля С_к и входным сопротивлением осциллографа R_н.

Паразитная емкость С₃ не вносит искажений в форму импульса напряжения. Ее влияние сказывается на коэффициенте деления. Чтобы добиться минимального влияния емкости С₃ значение С₁ должно быть много больше С₃.

Емкость С₁ собирается из отдельных элементов – импульсных конденсаторов с малой индуктивностью. Результирующая емкость обычно составляет 10 ^-10 Ф. В качестве С₁ могут использоваться образцовые и измерительные конденсаторы.

Коэффициент деления для схемы на рисунке 1.14 имеет выражение:

Индуктивность L имеет величину того же порядка, что и для омических делителей. Вместе с емкостью делителя она образует колебательный контур, затухание колебаний в котором определяется соотношением сопротивления R и критического сопротивления приблизительно равного . Для емкостных делителей критическое сопротивление составляет несколько сотен Ом. Значение R с учетом поверхностного эффекта в проводах и диэлектрических потерь в конденсаторах делителя обычно на порядок меньше, а постоянная времени =2L/R превышает период колебаний . По  и Т можно оценить искажение измеряемого прямоугольного импульса по уравнению (1.6). На низких частотах делитель имеет погрешности, вызванные разрядом емкости С2+Ск через сопротивление Rн с постоянной времени . Это проявляется в смещении «нулевой» линии на экране осциллографа после воздействия импульса.

(1.7)

Рисунок 1.12. Схема замещения емкостного делителя напряжения

Для наглядности на рис. 1.13 показано искажение импульса напряжения U₁ c бесконечно крутыми фронтом и спадом.

Рисунок 1.13. Искажения импульса на выходе емкостного делителя

напряжения при входном напряжении с прямоугольными подъемом и спадом.

Значения С₂ и С_к должны быть выбраны так, чтобы _с была много больше полной длительности измеряемого импульса. Значение R_н для современных осциллографов составляет 10⁶ Ом и более, особенно у цифровых осциллографов.

Емкостные делители напряжения с минимальной индуктивностью находят применение в наносекундной импульсной технике. Такие делители представляют собой емкостный элемент, встроенный в генератор импульсов.

1.5.3. Демпфированные и смешанные делители

В лабораториях высокого напряжения емкостные делители в чистом виде применяются редко. Для улучшения характеристик в области высоких частот применяют демпферные делители (рис. 1.14), а в области низких частот параллельно С₁ включают резисторы с большим значением сопротивления (рис. 1.15). Схема замещения демпфированного емкостного делителя не отличается от показанной на рис. 1.12, однако в ней R представляет собой не сопротивление проводов и конденсаторов, а специально включаемый демпферный резистор с сопротивлением несколько сотен Ом (рисунок 1.14). Резистор выполняется на полное рабочее напряжение, при этом соблюдается условие:

(1.8)

Коэффициент деления смешанного делителя:

		(1.9)
Рис. 1.14. Смешанный делитель с последовательно соединенными резистором и конденсаторами	Рис. 1.15. Смешанный делитель напряжения с параллельным соединением резисторов и конденсаторов

Сопротивление R₁ конструктивно распределяется между отдельными конденсаторами, последовательно соединенными и образующими емкость С₁. В качестве примера на рисунке 1.16 приведен эскиз конструктивного выполнения смешанного делителя на напряжение 200 кВ. По такому же принципу строятся делители и на более высокие напряжения, имеющие время реакции на прямоугольный импульс до 10 нс.

Рис. 1.16. Эскиз смешанного делителя.

1 - резисторы R1; 2 - керамические конденсаторы С1; 3 - резисторы R2; 4 – конденсаторы С2; 5 - разъем для присоединения измерительного кабеля, 6 - согласующий резистор Rк.

Элементы делителя R₂ и С₂ имеют конечные индуктивности, и для получения малых искажений нужно стремиться, чтобы отношение общей индуктивности делителя и присоединения L₁ к индуктивности измерительного плеча делителя L₂ было равно коэффициенту деления.

Если эти условия соблюдаются, то реакция на прямоугольный импульс минимальна и определяется либо искажениями в измерительном кабеле, либо особенностями распространения электромагнитной волны вдоль делителя напряжения.

Улучшение характеристик емкостного делителя напряжения в области низких частот достигается включением параллельно емкостям С₁ и С₂ резисторов R₁ и R₂ (рис. 1.15). Для согласования измерительного кабеля либо сопротивление резистора R₂ может быть равно волновому (он и включается в конце или начале кабеля), либо сопротивление R₂ образуется включением двух резисторов, включенных в конце и начале кабеля, сопротивления которых равны волновому кабеля.

Значение С₁ смешанных делителей выбирается так же, как и для чисто емкостного делителя. R₁ может быть много больше, чем для омического делителя, поскольку влияния емкости самого резистора относительно земли в смешанном делителе незначительно.

В широкополосных делителях высокого напряжения используют преимущества смешанных и демпфированных делителей. В универсальных делителях (рис. 1.17) имеется демпферный резистор, элементы которого распределены между плечами делителя. Вместе с конденсаторами С₁ и С₂ резисторы R₁ и R₂ образуют последовательный смешанный делитель. Параллельно этому делителю включены резисторы R₃ и R₄, обеспечивающие компенсацию стекающего заряда с емкости С₂ через входное сопротивление осциллографа при регистрации длительных или постоянных напряжений.

Во Всесоюзном электротехническом институте (Москва) разработан ряд универсальных делителей, предназначенных для регистрации постоянных, переменных и импульсных напряжений. Основные параметры делителей приведены в таблице 2.

Рисунок 1.19. Широкополосный делитель напряжения.

Параметры универсальных делителей высокого напряжения ВЭИ

Таблица 2

Параметр		Делитель
		УДН-1	УДН-2	УДН-4
Номинальное напряжение, кВ	Импульсное 1,2/50 мкс	1000	2000	4000
	Импульсное 500/2000 мкс	700	1400	2200
	Переменное 50 Гц	450	900	1400
	Постоянное 5 мин	500	950	1400
Коэффициент деления		500	1000	2000
Время реакции на прямоугольный импульс, нс			100	100
Погрешность, %	Импульсное напряжение	2-3	2-3	2-3
	Переменное и постоянное	1,0	1,0	1,0
Параметры схемы	Емкость плеча высокого напряжения, пФ	750	280	300
	Сопротивление демпферного резистора, Ом	200	700	700
	Сопротивление шунтирующего резистора, МОм	204	544	1020
Высота делителя, м		3,3	8,1	15,8