книги из ГПНТБ / Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения

растания, наблюдаемого на экране электроннолучевого осциллогра­ фа, из уравнения

нарастания электроннолучевого осциллографа. Точность этого рас­ чета сильно снижается, если время нарастания сигнала меньше соб­

фронтом по коаксиальному кабелю, в котором проявляется поверх­ ностный эффект)'. Под системой Гаусса здесь подразумеваются пе­ редающие элементы, затухание которых у верхнего предела частот может быть описано кривой Гаусса, т. е. оно увеличивается пропор­ ционально квадрату частоты (например, как показано на рис. 28, с 30 до 60 МГц затухание возрастает с —3 до — 12 дБ). Для боль­ шинства цепных схем затухание можно с достаточной точностью аппроксимировать при помощи функции Гаусса.

Приведенное выше уравнение для геометрического сложения времен нарастания вытекает из основной предельной теоремы веро­ ятности [Л. 77, 82]. На этом же базируется и математическая связь между временем нарастания и шириной полосы частот с нормиро­ ванным затуханием, например 3 дБ. Для фильтра нижних частот с хорошей характеристикой передачи импульсов переходная функ­ ция в кратчайший промежуток времени достигает конечного значе­ ния без заметного выброса (система Гаусса) и время нарастания можно вычислить по ширине полосы {Л. 81]

=0,35/5.

Это уравнение пригодно не для всех широкополосных измери­ тельных усилителей, а только для широкополосных импульсных уси­ лителей, передаточная функция которых имеет гауссово падение.

е) Влияние делителя напряжения на процессы в высоковольтном контуре

Напряжение, подлежащее измерению, не должно изменяться при подключении измерительного устройства. Практически это тре­ бование выполняется, если внутреннее сопротивление измеритель­ ного устройства много больше внутреннего сопротивления источника

40

7. ОМИЧЕСКИЕ ДЕЛИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

а) Компенсированные делители напряжения без учета индуктивностей и распределенных емкостей на землю

Омический делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных сопротивлений Ri и R2

(рис. 32), при этом Ri>Rz. Передаточным отношением делителя называют отношения напряжения щ (і), подле­ жащего делению, к измеряемому сигналу u2(t), снимае­ мому с низковольтной части де­ V

лителя R2. Номинальное пере­ даточное отношение определя­ ется по формуле

k = Ui(t)/u2(t) = (Ri + R2)JR2.

нального. Для измерения им­ пульсов напряжения с большой крутизной измеряемый

сигнал от делителя напряжения подводится к элек­ троннолучевому осциллографу коаксиальным кабелем, к концу которого подключено волновое сопротивление. Входное полное сопротивление электроннолучевых осцил­ лографов, ламповых вольтметров и т. д. представляет собою обычно параллельное соединение активного сопро­ тивления порядка мегом и емкости величиной 10—50 пФ. К значению последней нужно еще добавить емкость из­ мерительного кабеля, равную 30—100 пФ/м. Активным сопротивлением низковольтной части делителя напряже­ ния почти всегда можно пренебречь, в то время как емкостное сопротивление при высоких частотах оказы­ вает заметное влияние и делает передаточное отношение зависимым от частоты. Поэтому для синусоидальных на­ пряжений высокой частоты передаточное отношение вы­ числяется по формуле

43

При несинусоидальных процессах обратное переда­ точное отношение может быть вычислено при помощи математических методов теории систем

TT/- \ ^2 ДД1+

U itw) — u r — я. + і^/О+м^Сд,)] '

Чтобы сделать передаточное отношение независимым от частоты, параллельно высоковольтной части делителя подключают емкость Сі (рис. 33). Величину этой емко­ сти подбирают так, чтобы при высоких частотах выпол­ нялось соотношение R1Ci = R2CM-

Если вычислить выходное напряжение и2(і) компен­ сированного делителя для постоянного напряжения на входе -Uо, то получим следующую ненормированную переходную функцию:

вый момент приложения напряжения эквивалентны ко­ роткому замыканию. Напряжение на выходе изменяется скачкообраз­ но до значения и2(0), которое может быть определено при помощи емко­ стного передаточного отношения

и2(0): С,

Сі + с м■ и 0 .

После достижения этого значе­ ния напряжения дальнейшее изме­ нение выходного напряжения про­ исходит по экспоненте до заданного конечного значения согласно актив­

ному передаточному отношению

Постоянная времени упомянутого экспоненциального изменения равна:

Г = « T R r (C‘+ ^ > '

' 44

На рис. 34 показано изменение выходного напряже­ ния компенсированного делителя, когда на его вход при­ ложено прямоугольное напряжение. В случае, показан­ ном на рис. 34,а, величина емкости Сі выбрана слишком

компенсирован. Идеальные передаточные свойства полу­ чают тогда, когда

R1 __

R2 Сі

т. е. емкостное и активное передаточные отношения оди­ наковы. При RICI = R 2CM амплитуда экспоненциального

члена становится равной нулю, и, таким образом, выходное напря­ жение в любой момент времени пропорционально изменению входного напряжения.

. По описанному принципу вы­ полнены так называемые проб­ ники, которые часто применяют для соединения измеряемой цепи с электроннолучевыми осцилло­ графами. Назначение этих проб­ ников — чаще всего не деление

напряжения, а повышение полного сопротивления на вхо­ де электроннолучевого осциллографа. У обычных делите­ лей напряжения низковольтное сопротивление R2 выби­ рают с учетом волнового сопротивления соединительного кабеля от делителя к электроннолучевому осциллографу, равного обычно 50— 150 Ом. Отличительной особенно­

45

стью пробников является то, что при выборе сопротивле­ ния R2 нет необходимости учитывать согласование со­ единительного кабеля. Сопротивлением R2 является сопротивление утечки сетки входной лампы; лампа на­ гружена емкостями ламп и схемы (С2). Эта емкостная нагрузка компенсируется регулируемой емкостью Сі, на­ ходящейся внутри пробника (рис. 35). В действительно­ сти эти соотношения немного сложнее, так как между входными гнездами и сеткой первой лампы дополнитель­ но включен еще переключаемый аттенюатор.

Соединительный кабель между высоковольтной ча­ стью R 1 и низковольтной частью R2 представляет собой,

при оптимальных условиях, линию передачи с критиче­ ским затуханием. Это достигается выполнением внутрен­ ней жилы кабеля из материала с высоким удельным сопротивлением. Обычно погонное сопротивление жилы кабеля составляет 10— 100 Ом/м.

Значения емкостей С4 и С2 при настройке делителя несколько отличаются от расчетных, так как к одной из них добавляются собственные емкости конструктивных элементов.

Электрические характеристики пробников могут быть показаны на примере высоковольтного пробника «Тектроникс»: при напряжении 40 кВ пробник имеет время нарастания 4 нс, полное сопротивление на входе состоит из активного сопротивления 100 МОм и включенного параллельно ему конденсатора емкостью 2,7 пФ.

б) Омические делители напряжения с учетом паразитных емкостей на землю

Распределенные, емкости на землю. При выполнении омических делителей на высокие напряжения большие линейные размеры сопротивления Ri вынуждают учиты­ вать распределенные емкости по отношению к -земле. Последние являются причиной асимптотического прибли­ жения переходной функции к своему конечному значе­ нию. Схема замещения такого делителя напряжения да­ на на рис. 36. На этой схеме не учтены индуктивности отдельных элементов, которые зависят от их конструк­ ции, физического строения и т. д., что в известной сте­ пени допустимо в ограниченном диапазоне частот. Более точная схема замещения делителя напряжения с учетом индуктивностей будет нами подробно рассмотрена позднее.

46

В схеме замещения На рис. 36 высоковольтная Н а с т ь

Ri принята состоящей из N последовательно соединен­ ных частичных сопротивлений R'i = Ri/N. Каждое из этих частичных сопротивлений имеет собственную параллель­

бежного электрического поля между каждым частичным

элементом и соседними пред­

значения около 15—20 пФ/м. В действительности погон­ ная емкость в верхней части делителя напряжения полу­ чается меньше, чем в нижней. Как показали теоретиче­ ские и экспериментальные исследования, даже у делите­ лей высотой в несколько метров нужно стремиться к равномерной погонной емкости, чтобы не иметь боль­ ших погрешностей [Л. 65].

При падении прямоугольной волны емкости по отно­ шению к земле заряжаются. Необходимый для этого за­ рядный ток дает источник напряжения. Этот ток больше в верхней части делителя, что является причиной нели­ нейного, частотно-зависимого распределения напряже­ ния вдоль делителя (рис. 37). Нелинейность распределе­

47

ния этого напряжения тем больше, чем меньше от* ношение Ср/С3. По истечении длительного промежутка времени, когда емкости по отношению к земле уже за­ ряжены, устанавливается линейное распределение напря­ жения соответственно погонному активному сопротивле­ нию. Делитель работает как многозвенный фильтр, который сильно демпфирует высокочастотные составляю­ щие входного напряжения, что приводит к сглаживанию фронта волны выходного напряжения. Чтобы уменьшить вредное влияние емкости на землю при воспроизведении быстро изменяющихся напряжений, нужно, чтобы рас­ пределение электрических полей в емкостных и активных частях делителя было идентичным. Это можно достичь в емкостно-омических или регулируемых омических дели­ телях напряжения.

Емкостно-омические делители напряжения. Как было показано в предыдущем параграфе, вследствие малых зарядных токов, протекающих по частичным емкостям по отношению к земле в нижней части делителя, распре­ деление напряжения получается нелинейным и частотно­ зависимым. Неравномерность распределения напряжения может быть ликвидирована увеличением параллельных емкостей Ср [Л. 88]. Это осуществляется подключением конденсаторов параллельно омическим элементам дели­ теля. Нетрудно понять, что идеальная характеристика передачи получается, когда отношение Ср/С3 бесконечно велико, однако использование такого делителя напря­ жения невозможно из-за его большого влияния на из­ меряемый объект. Практически достаточно иметь соотно­ шение Ср/С3> 3 [Л. 88]. Это означает, что у делителя напряжения из десяти ступеней при частичной емкости по отношению к земле С'3 10 пФ необходима общая па­ раллельная емкость 300 пФ и, следовательно, частичная параллельная емкость С'р должна быть 3 000 пФ на ступень. Недостаток емкостно-омического делителя на­ пряжения состоит в том, что область его применения сильно ограничена из-за большой общей параллельной емкости и вследствие этого значительного влияния на испытательную цепь. Кроме того, высоковольтные кон­ денсаторы емкостью 3 000 пФ имеют индуктивность, ко­ торой нельзя пренебречь.

Разумеется, у емкостно-омических делителей напря­ жения постоянные времени у высоковольтной и низко­ вольтной частей должны быть одинаковы, что делает не­

48

делитель напряжения на 2 МВ.

ния двухступенчатого делите­ ля напряжения на рис. 33. Общий вид смешанного де­

лителя напряжения на 2 МВ фирмы Хэфели показан на рис. 38. Добавочные частичные емкости С'р расположены коаксиально вокруг активного сопротивления. Это обес­ печивает очень хорошую экранировку емкостями цепи сопротивлений. Кроме двух точек соединения в верхней и нижней частях делителя не имеется никаких дополни­ тельных параллельных соединений между обеими вет­ вями.