Hinweise für das Design von Spannungsteilern mit Hochspannungswiderständen
Stephen Oxley | Business Development Engineer | TT Electronics
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH
Fließt der gleiche Strom durch zwei oder mehr in Reihe geschaltete Widerstände fließt wird die Spannung zwischen ihnen im Verhältnis ihrer Ohmwerte aufgeteilt. Dadurch können hohe Spannungen z.B. zwischen den Elektroden eines Teilchenbeschleunigers aufgeteilt oder kleine Teile der hohen Spannungen für Messzwecke genutzt werden. Es gibt jedoch Punkte, die ein Entwickler beachten sollte, um das Design von Spannungsteilern bei hohen Spannungen zu optimieren.
Grundlagen
Die meisten Hochspannungsteiler haben nur zwei Elemente, wie unten gezeigt, wobei R1 >> R2. Zu beachten ist, dass das Spannungsverhältnis nicht mit dem Widerstandsverhältnis R1/R2 übereinstimmt, sondern um eins inkrementiert ist. Daher muss beispielsweise für ein Spannungsverhältnis von 1:1000 ein Widerstandsverhältnis von 1:999 definiert werden. Somit:
Spannungsverhältnis = Widerstandsverhältnis +1
Für ein diskretes Widerstandsdesign ist es vorzuziehen, Standardwerte auszuwählen. Nachfolgend einige Beispiele für Dekaden-Spannungsverhältnisse. Die angegebenen Abweichungen verstehen sich vor Berücksichtigung von Bauteiltoleranzen.
| Ziel-Verhältnis | R1/R2 | R1 (E12) | R2 (E24 oder E96) | Tatsächliches Spannungsverhältnis | Nominale Abweichung |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 9 | 82k | 9k1 | 10,01 | 0,11% |
| 100 | 99 | 470k | 4k75 | 99,95 | -0,05% |
| 1.000 | 999 | 1M0 | 1k0 | 1.001 | +0,1% |
| 1.000 | 999 | 6M8 | 6k81 | 999,5 | -0,05% |
| 10.000 | 9999 | 10M | 1k0 | 10,001 | 0,01% |
Die Betrachtung der Toleranzen
Die Toleranz des Widerstandsverhältnis ist einfach die Summe der Widerstandstoleranzen des Spannungsteilers. Diese sind nicht zwangsläufig gleich; oft ist es wirtschaftlich sinnvoll, eine engere Toleranz für den Niederspannungsteil zu wählen. Zum Beispiel ergibt eine Toleranz von 1% für den Hochspannungswiderstand R1 und 0,1% für den Niederspannungswiderstand R2 eine Widerstandsverhältnis-Toleranz von 1,1%. Da das Spannungsverhältnis gleich dem Widerstandsverhältnis + 1 ist, entspricht die Toleranz des Spannungsverhältnisses nicht der des Widerstandsverhältnisses. Jedoch gilt für Spannungsverhältnisse über 50:1, dass die Toleranz des Spannungsverhältnisses effektiv der des Widerstandsverhältnisses entspricht.
Toleranz Spannungsverhältnis bei 1% Toleranz Widerstandsverhältnis
Weitere Fehlerquellen bei Spannungsteilern
Mit der gebotenen Sorgfalt bei Werteauswahl und Toleranz sind noch die folgenden Fehlerquellen bei Spannungsteilern möglich.
Temperaturkoeffizient des Spannungsverhältnisses – verhält sich vergleichbar wie bei der Toleranz, siehe oben. Bei großen Spannungsverhältnissen ist dies dasselbe wie der Temperaturkoeffizient des Widerstandsverhältnisses, der die Summe der TCRs der einzelnen Widerstände darstellt.
Spannungskoeffizient des Spannungsverhältnisses – es ist hauptsächlich der Hochspannungswiderstand R1, der einen negativen VCR (voltage coefficient of resistance) aufweist, also eine Verringerung des Ohmwerts aufgrund der angelegten Spannungsbelastung. Daher verringert das Anlegen einer Hochspannung das Spannungsverhältnis.
Ausgangsbelastung – die Belastung des Ausgangs eines Spannungsteilers erhöht das Spannungsverhältnis. Dies liegt daran, dass dadurch der Wert von R2 und damit die Ausgangsspannung für eine gegebene Eingangsspannung effektiv reduziert wird. Wenn die Belastung unbekannt oder variabel ist, muss sie bewertet und im Vergleich zu R2 vernachlässigbar gehalten werden. Wenn sie bekannt und konstant ist, kann sie bei der Berechnung des erforderlichen Widerstandsverhältnisses berücksichtigt werden.
Parasitäre Reaktanzen – wenn Wechselstrom- oder sich schnell ändernde Gleichstrompegel gemessen werden müssen, wird der Frequenzgang des Teilers wichtig. Bei den meisten diskreten Teilern sind R1 und R2 sehr unterschiedlich aufgebaut, was jeweils zu sehr unterschiedlichen Induktivitäts- und Kapazitätseffekten führt.
Die Verwendung integrierter Spannungsteiler
Beispiel eines integrierten Spannungsteilers für hohe Spannungen (TT Electronics, Serie HVD)
Der Einsatz einer integrierten Teilerkomponente ist eine Möglichkeit, einige der oben beschriebenen Fehlerquellen zu reduzieren:
Die Werteauswahl ist uneingeschränkt – man gibt im Allgemeinen die Werte von R2 und R1 + R2 an, damit das Nennspannungsverhältnis fehlerfrei definiert wird.
Die Toleranz des Spannungsverhältnis ist definiert – die Komponentenwerte können angepasst werden, um eine engere Toleranz für das Spannungsverhältnis als für die einzelnen Widerstandstoleranzen zu erhalten.
TCRs können auch durch die Verwendung ähnlicher Materialien angepasst werden und die Widerstandstemperaturen sind im Betrieb in der Regel gleich.
