Informations- und Kommunikationstechnik

Kapazitive Spannungsteiler

An Kondensatoren, die elektrische Ladungen gespeichert haben, ist eine Spannung messbar. In Reihe geschaltete Kondensatoren lassen sich jedoch nur im Wechselstromkreis als kapazitive Spannungsteiler nutzen. Um das Messergebnis nicht zu verfälschen, sollte der Fußpunktkondensator, an dem die Teilspannung abgenommen wird, die größte Kapazität haben.

In der Reihenschaltung nehmen alle Kondensatoren die gleiche Ladung auf. Ist der Kondensator mit der geringsten Kapazität aufgeladen, geht der Verschiebe-(Lade)strom gegen null und weitere in Reihe liegende Kondensatoren können keine Ladungen mehr aufnehmen. Der Einsatz des nur kapazitiven Spannungsteilers beschränkt sich auf Wechselspannungen. Die Spannungsteilerschaltung für zwei in Reihe liegende Kondensatoren leitet sich wie folgt her.

kapazitiver Spannungsteiler

Gedämpfter kapazitiver Spannungsteiler

Mit Widerständen in Reihe wird diese Variante in der Energietechnik zum Messen an Hoch- und Höchstspannungsanlagen (>1 kV und >300 kV) genutzt. Jedes Teilersegment ist eine RC-Reihenschaltung. Zur optimalen Isolation und Vermeidung von Spannungsüberschlägen besteht das Hochspannungsteil aus mindestens 10 Einzelstufen. Im Vergleich zu den vorgeschalteten Teilern sollte der Widerstandswert am Messpunkt klein und der Kapazitätswert groß sein. Korrekte Ergebnisse liefert nur ein von der Frequenz unabhängiger Spannungsteiler. Die Zeitkonstanten der Vorteiler haben dabei den gleichen Wert, der vom Niederspannungsmesspunkt bestimmt ist.

gedämpfter kapazitiver Spannungsteiler

Das Bild zeigt beispielhaft einen gedämpften, von der Frequenz unabhängigen kapazitiven Spannungsteiler. Das Oszillogramm zeigt, dass im Ausgangssignal alle Frequenzen eines Rechtecksignals unverzerrt linear gedämpft sind. Bei hohen Frequenzen wirkt der Spannungsteiler mehr ohmsch. Bei niedrigen Frequenzen überwiegt das kapazitive Verhalten.

Für eine hohe Messgenauigkeit bei impulsbelasteten Eingangsspannungen sollte das Messkabel nicht direkt an einen kapazitiven Spannungsteiler angeschlossen werden. Durch seinen Wellenwiderstand und den hochohmigen Eingang des Messgeräts wird die Messung frequenzabhängig. Besser ist es das Messkabel über einen Vorwiderstand mit dem Wert des Wellenwiderstands, der Kabelimpedanz anzuschließen. Die zu messende Spannung halbiert sich am Eingang A des Messkabels. An seinem Ende liegt hochohmig der Messverstärker, wo es zur phasengleichen Totalreflexion kommt. Dadurch liegt das Signal wieder mit der ursprünglichen Amplitude am Messgerät an. Das Verhalten elektrischer Signale und das Entstehen von Reflexionen sind in einem interaktiven Lehrfilm in einem anderen Zusammenhang beschrieben.

Messleitung am C-Teiler

Das Bild skizziert den frequenzgerechten Anschluss einer Koaxialleitung mit dem Wellenwiderstand Z, der Leitungsimpedanz an einen gedämpften kapazitiven Spannungsteiler. Hier muss der Vorwiderstand den Wert Z−R2 aufweisen. Für das vom Messverstärker zum Eingang reflektierte Signal liegt im Punkt A der Impedanzabschluss Z = (Z − R2) + R2. Weitere Reflexion sind daher ausgeschlossen.

Ohmsch-kapazitiver Spannungsteiler

Ein kapazitiver Spannungsteiler ist für Gleichspannung ungeeignet. Wird jeder Kondensator mit einem Parallelwiderstand beschaltet, so entsteht ein untereinander verbundener ohmscher und kapazitiver Spannungsteiler. Der ohmsche Vorwiderstand sollte im Vergleich zum Messwiderstand einen großen Wert haben. Der Kondensator am Messpunkt sollte im Vergleich zu den vorgeschalteten Kapazitäten den größten Wert haben. Der ohmsch-kapazitive Spannungsteiler ist für Gleich- und Wechselspannungen, also Mischspannungen geeignet. Er ist Bestandteil frequenzkompensierter Tastköpfe und befindet sich als Wechselspannungsteiler in den Eingangsstufen von Oszilloskopen und anderer Messverstärker.

Frequenzkompensierter Tastkopf

Die genauen zeitlichen Darstellungen von Signalen mit dem Oszilloskop werden mit einer speziellen Koaxialleitung mit einem Tastkopf durchgeführt. Die abgeschirmten Leitungen reduzieren elektromagnetische Störeinstrahlungen. Die meisten Tastköpfe erhöhen die Eingangsimpedanz des Messgeräts und reduzieren mit festen Eingangsteilern zu hohe Signalamplituden.

Jedes Oszilloskop und andere Messgeräte haben neben dem rein ohmschen Eingangswiderstand (1 ... 10 MΩ) noch geringe Kapazitäten im Bereich einiger Picofarad. Zur unverzerrten Signaldarstellung muss die daraus folgende Eingangsimpedanz mit der Impedanz der Messleitung und des Tastkopfs übereinstimmen. Ein 10:1-Tastkopf erlaubt eine zehnmal höhere Messspannung, als dem Eingangsverstärker zuträglich wäre. Die Messleitung weist eine Kabelkapazität von durchschnittlich 100 pF auf. Sie liegt parallel zur Eingangskapazität und erhöht dadurch diesen Wert. Ein Teilertastkopf stellt daher eine RC-Kombination mit Tiefpassverhalten dar. Ohne besondere Vorkehrungen entstehen mit zunehmender Messfrequenz nicht tolerierbare Signalverzerrungen.

10:1 Tastkopf, Signalbilder

Das zu messende Signal liegt am gesamten Eingangswiderstand, der Summe aus dem Teilerwiderstand im Tastkopf und dem Eingangswiderstand des Messgeräts. Die insgesamt 10 MΩ belastet die Signalquelle wesentlich weniger als eine Messung ohne Tastkopf mit nur 1 MΩ. Die Spannung am Eingang des Messverstärkers ist im Verhältnis 10:1 herabgeteilt.

Die Koaxialleitung erhöht durch die Parallelschaltung beider Kapazitäten den Wert auf CS = 120 pF. Mit dem Teilerwiderstand entsteht ein Tiefpass. Sein Verhalten wird mit dem Trimmkondensator so kompensiert, dass auch das kapazitive Teilerverhältnis 10:1 beträgt. Dazu muss die Zeitkonstante RT·CT gleich der von Rein·CS sein.

Wechselspannungsteiler

Zur korrekten Signalauswertung sind in der NF- und HF-Technik frequenzkompensierte Eingangsteiler notwendig. Zur Berechnung der Teilerstufen muss die Zeitkonstante der darauf folgenden Eingangsstufe bekannt sein. Der Abgleich und die Anpassung eines aus Einzelgliedern aufgebauten Eingangsteilers ist einfacher als die Verwendung eines kompensierten Kettenleiters. Der Wechselspannungsteiler ist frequenzkompensiert, wenn jede Teilerstufe wie beim Tastkopf beschrieben die gleiche Zeitkonstante hat. Für einen Messverstärker mit dem Eingangswiderstand 1 MΩ und der Parallelkapazität 10 pF soll ein umschaltbarer Teilertastkopf dimensioniert werden. Vorgeschaltet sind zwei frequenzkompensierte einzelne Teiler, die das Eingangssignal mit 10:1 oder 5:1 herabsetzen. Die Eingangsimpedanz soll 1 MΩ mit 20 pF betragen.

Wechselspannungsteiler

Die Impedanz des Verstärkers belastet den Ausgang der zugeschalteten Teilerstufe und geht in die Berechnung der Widerstandswerte ein. Der Berechnung der Kapazitätswerte der Auskoppelstufen liegt die Zeitkonstante des Verstärkereingangs zugrunde. Die Summe der Widerstände jeder Teilerstufe mit zugeschaltetem Messverstärker ergibt den Eingangswiderstand 1 MΩ. Die den zu Vorwiderständen parallel geschalteten Kondensatoren sind einstellbare Trimmkondensatoren. Die errechneten Werte stehen in der Tabelle. Die Werte der Teilerwiderstände lassen sich durch die Reihenschaltung zweier Widerstände einer Normreihe verwirklichen. Die beiden zum Messeingang parallel liegenden Trimmkondensatoren gewährleisten eine konstante Eingangskapazität von 20 pF.

Die Zeitdiagramme zeigen das Simulationsergebnis der Schaltung für ein 1 MHz-Rechtecksignal. Das korrekte Teilerverhalten ließ sich stichprobenhaft im Bereich 0 ... 10 MHz nachweisen. In der praktischen Ausführung sind besonders für hohe Messfrequenzen und kleine Signalamplituden zwischen den Teilern Schirmungsbleche und ein optimiertes Schaltungslayout notwendig. Die Vorteiler sollten insgesamt durch eine auf Masse bezogene Abschirmung gegen elektromagnetische Störstrahlung geschützt sein.