Warnung !!

Es sei deutlich darauf hingewiesen, dass es sich hier nicht um eine Bauanleitung handelt, da für den Umgang mit höheren Spannungen Gefahren verbunden sind. Die für die Entwicklung von Komponenten auf diesem Gebiet geltende Norm IEC 61010 stellt extreme Anforderungen, die an keiner Stelle ignoriert werden dürfen. Daher ist dringend anzuraten, bevor man sich mit einer Entwicklung auf diesem Gebiet beschäftigt, diese zu Rate zu ziehen.

Grundsätzliches

Es soll nun beschrieben werden wie mit einem Sicherheits-Tastteiler Störimpulse auch Transienten genannt, auf einem Oszilloskop dargestellt werden können. Was unter Transienten zu verstehen ist kann hier http://de.wikipedia.org/wiki/Transienten nachgelesen werden. Für die Simulation wurde das frei erhältliche Programm LTSpice der Firma Linear Technology http://www.linear.com/designtools/software/ verwendet.

Oszilloskope erlauben eine Eingangsspannung von max. 80 – 100 V. Für höhere Spannungen muss ein zusätzlicher Teiler vorgeschaltet werden. Bei diesem Teiler wird das Eingangssignal mit einer definierten Genauigkeit um einen definierten Faktor geteilt.

Mit dem Standardtastteiler

In dem oben gezeigten Schaltbild ist ein kompletter Messzustand aufgezeigt. Links sind mit „Vnetz“ und „Vtrans“ zwei Signalquellen dargestellt. Ganz rechts haben wir mit „Rscope“ und „Cscope“ das einfache Ersatzschaltbild eines Oszilloskopfeingangs. Die Bauteile „*cox“ und „*cox1“ sind bereits ein Teil des Tastkopfes und stellen die geschirmte Leitung dar. Das Teilungsverhältnis entsteht nun durch das Widerstandsverhältnis des „RV“ in Bezug zum Eingangswiderstand des Oszilloskops. Mit dem Kondensator „CV“ wird eine Überkompensation ausgelöst, mit der im Zusammenspiel mit allen Lastkapazitäten eine Frequenzunabhängigkeit erreicht wird. Grund für diesen Weg ist die Realisierung eines Kompensationsbereichs mit einem einstellbaren Kondensator. Leider haben diese Trimmkondensatoren nur eine begrenzte Spannungsfestigkeit und können daher nicht als CV eingesetzt werden.

Wie leicht zu erkennen, hat dieser Tastkopf ein Teilungsverhältnis von 100:1. Hintergrund ist nicht die Notwendigkeit 235 V anzuzeigen. Das kann man auch mit einem 10:1. Jedoch können je nach Kategorie Transienten auf dem Netz bis zu 5 kVp hoch sein und das reicht für eine Zerstörung des Oszilloskops aus.

Für die weiteren Betrachtungen wird das Simulationssignal für die Transiente auf eine Anstiegsflanke von 1,2 µs und einer Abfallflanke von 50 µs reduziert.

 Hier ist nun der Frequenzgang unseres Tastteilers unter Ausklammerung der Oszilloskopbandbreite zu erkennen. Theoretisch geht er bis 40 MHz.

Ein auf die Netzspannung eingekoppelter Impuls mit halben Spitzenwert ist mit diesem Tastkopf deutlich sichtbar. Prima, kein Problem. Wie sieht es mit der Nachweisfähigkeit jedoch aus, wenn definierte Dämpfungsvorgaben z.B. eine Vorgabe von 40 dB für ein Netzfilter, existieren?

Das Gleiche noch mal mit zu erwartendem Signal. Es ist zwar wenn man genau hinschaut noch etwas von den Transienten erkennbar, jedoch wie hoch ist der Wert wirklich? Sind die Vorgaben eingehalten worden? Haben wir jetzt wirklich nur noch einen Transientenimpuls von 60 mVp? Es gibt spezielle Messgeräte, sogenannte Transienten-Rekorder, die so etwas darstellen können. Sie haben die notwendige hohe Speichertiefe, sind allerdings auch sehr teuer. Es gibt auch Oszilloskope mit Rekorderfunktionen zur Aufzeichnung selten auftretender Signale. Allerdings nicht mit der notwendigen Speichertiefe oder Geschwindigkeit.
Hier kommt nun eine Alternative: Was wäre, wenn wir das Netzsignal einfach herausfiltern?

Mit einem Hochpass Tastkopf


Das oben gezeigte Schaltbild zeigt das Grundprinzip. Es ist eine hohe Selektivität gefordert, da zum einen das Frequenzspektrum der Transienten eine Grenzfrequenz nicht über 1 kHz fordert und zum anderen der Dämpfungsfaktor bei 50 Hz > 40 dB sein sollte.

Der Hochpass ist in 3 Hauptstufen unterteilt:

  • Input HP
    Dieser Bereich ist wie schon zu erkennen eine Kombination aus dem Vorteiler, diesmal nur aus dem Vorkompensationskondensator bestehend und dem Rhpv. Ein Rv wird nicht gebraucht, da es keine Gleichspannungen geben soll. Hier wird auch der Teilungsfaktor im Nutzbereich definiert.
  • Main HP
    Es handelt sich um mehere Stufen mit dem höchsten Selektionsanteil
  • Output HP
    1-stufig ausgelegt erfolgt hier gleichzeitig die Anpassung an die Scopeimpedanz.

In der Addition ergibt sich daruaus ein Frequenzgang, wie im nachfolgenden Diagramm dargestellt.

Basierend auf den hier dargestellten Frequenzgang entsteht der folgende Signalverlauf:

Die Transiente zeigt einen leichten „Durchhänger“. Dies liegt immer noch an der etwas zu hohen unteren Grenzfrequenz. Allerdings würde hier eine weitere Reduktion den Bauteileaufwand erheblich erhöhen und auch nicht mehr Informationen bringen.

Wie sieht das Ganze denn nun bezogen auf unsere imaginäre Entwicklung , dem Netzfilter aus?


Durch die Herausfilterung der Netzspannung sind die Transienten deutlich sichtbar geworden und können genau bestimmt werden. Hier ist ein Wert von 100 mVp erkennbar, was bedeutet, dass die Entwicklung noch nicht abgeschlossen ist. Die geforderten 40 dB wurden nicht erreicht.