Hallo liebe Forum-User!
Vorab - ich bin Physiker und kein Elektroniker. Ich habe aber, sagen wir
mal, gut ausgebaute Grundkentnisse.
Um mein Problem zu schildern, habe ich eine Skizze angehängt.
Ich habe ein Bauteil, das sich in einem Kryostaten befindet. Dieses
Bauteil wird mit kurzen Impulsen über einen Vorwiderstand Betrieben und
die an dem Bauteil abfallende Spannung wird am Oszi dargestellt.
Die Pulse haben ca. 200ns Dauer und kommen aus dem Pulsgenerator mit
einer Flankensteilheit von ca. 5ns. Die Pulse haben eine hohe Leistung
von bis zu mehreren kW, bei einer Spannung von bis zu 400V, allerdings
bei einem sehr geringen Duty-Cycle. Die Spannung am Bauteil muss
hochohmig gemessen werden.
Das ganze wird über 50Ohm Koax-Leitungen zum Kryo und und vom Kryo zum
Oszi geleitet.
Mein Problem ist, wie ich das Ganze im Kryo vernünftig anpassen soll um
Reflexionen und Überschwinger zu vermeiden.
Zurzeit habe ich einfach 50Ohm Widerstände gegen Masse eingebaut (nicht
in der Skizze eingezeichnet), wobei der Widerstand an der Zuleitung ein
dicker Leistungswiderstand ist. Ich denke aber nicht dass es eine gute
Lösung ist. 1. fällt schon ne menge Leistung am Anpasswiderstand am
Eingang ab und fürs zu untersuchende Bauteil bleibt nicht mehr so viel
übrig, 2. hat das Bauteil eine stark nichtlineare Kennlinie, wodurch
sich die Gesamtimpedanz je nach angelegter Spannung stark ändert.
Jedenfalls habe ich starke Überschwinger.
Hat jemand einen Tipp für mich wie ich das richtig mache? Auf aktive
Bauteile innerhalb des Kryo kann ich nicht zugreifen, wegen der
Temperatur (4K).
Danke schon mal und schöne Feiertage!
Bei mehreren KW Pulsen ist es sicher sinnvoll die Masse des Oszi´s über
eine Extra-Leitung zum Probanden zu bringen.
Bei solcher Leistung gibt es sonst durch die Ströme gegen GND
Spannungsabfall der dein Messergebniss verfälscht.
Also 4 Leiter 2xEnergie + 2xMessleitungen.
Problematisch könnte auch die Einstreuung durch dass Magnetfeld der
Zuleitungen sein.
Wie sind denn deine Leitungen zum Probanden dimensioniert? (Thema
Induktivität der Leitungen)
Gruß Anselm
Ich kenne den verwendeten Leitertyp nicht genau, aber so wie ich das
einschätze handelt es sich wohl um RG-174. Vom Pulser zum Kryostaten
kann ich falls nötig alles mögliche nehmen, aber im Kryo kann ich nichts
dickeres als RG-174 verwenden, erstens weil wenig Platz und zweitens
wegen den der Wärme, die über die Leitung kommt.
Der uebliche Murks von Leuten ohne Ahnung ... 500k Vorwiderstand um auf
eine 50 Ohm leitung zu gehen, das Oszi hat dann wiederum 50 Ohm. Da
misst man nichts mehr. Was wollt ihr messen ? Welche Charakteristik hat
das DUT ? Induktiv ? Kapazitiv ? Ohmsch ? Mit hochohmig messen wird
leider nichts. Denn (hochohmig) & (oberhalb 5MHz(200ns)) & (genau)
passen nicht zusammen. Wir haben zumindest das Glueck sind die Pulse aus
einer DC Spannung ausgeschnitten.
Weshalb darf man mit hunderten von Volt auf das DUT und nachher die
Response nicht niederohmig messen ? Weils schwingt und bei Belastung
nach wenigen Zyklen vorbei waere ? Das kann man rechnen. Aber wenn man
das Signal 10000:1 abgeschwaecht hat, gibt's nicht mehr viel zu rechnen.
Es geht darum möglichst viel Strom kurzzeitig durch das Bauteil zu
bekommen. Deshalb das hochohmige Messen. Das DUT wird übrigens rein
optisch untersucht. Die abfallende Spannung ist nicht so kritisch und
dient nur der kontrolle. Wichtig ist aber dass das DUT möglichst saubere
Stromimpulse mit möglichst wenigen Überschwingern bekommt.
HUSThttp://www.itwissen.info/definition/lexikon/RG-174-Kabel-RG-174-cable.html
Ich würde mit sehr dicken Kabel zum Kryo gehen und erst dort dieses
schwache Kabel verwenden.
Wie lang ist deine Leitung?
Btw. Wie hoch sind deine Strompulse? xx kA?
Anselm
btw.:Was sagt dass Handbuch deines Pulsgebers zum Thema
Anschlusswiderstand?
Könnt ja sein dass da was steht.
Ein Hochlast-Wdst. 50Ohm an der Energieleitung kostet dich vermutlich
den grössten Teil deiner Leistung.
Ich hab zwar vor 20Jahren Funktechnik im Handwerk gelernt, aber was
Leitungsanpassung betrifft müsst ich mich auch erst wieder einlesen.
@ physiker (Gast)
>Ich muss mich korrigieren. Es ist ein 500Ohm Widerstand.
Kleiner Unterschied ;-)
Na dann passt das doch. 50 Ohm Abschluss im Oszi und fertig ist der 11:1
Teiler, HF-tauglich und preiswert. Allerdings könnte es sein, dass dein
Oszi selbst die ~40V bei 50 Ohm Eingangsimpedanz nicht mag. Hier musst
du ggf. auf 1M Eingangswiderstand umschalten und die Terminierung extern
am Oszi machen.
MFG
Falk
Welche Spannung liegt denn so ueber dem Bauteil ? Was mir nicht gefaellt
ist die gleichtakt spannung beim 25A Puls. Dh der GND an der Probe ist
nicht der GND des Powersupplies, sondern ein Stueck hoeher. Allenfalls
wuerd ich kapazitiv, oder induktiv trennen. Passend waere auch eine
stromkompensierte Drossel.
Ja, aber wie krige ich möglichst saubere Pulse bis zu meinem DUT?
Was ich mir bisher notiert habe:
Möglichst dickes Koax Kabel vom Pulser bis zum Kryo.
Gibt es eine Möglichkeit die 50Ohm Anpassung der Pulserleitung im Kryo
ohne viel Stromverlust zu realisieren? Ich schätze der 50Ohm
Leistungswiderstand den ich nehme hat außerdem eine recht hohe
Induktivität, oder?
Spielt der mechanische Aufbau eine wichtige rolle? Bisher ist im Kryo
alles mehr oder weniger fliegend verdrahtet. (Ich habe den Aufbau von
meinem Vorgänger übergeben bekommen) Wenns sein muss, würde ich eine
kleine Platine machen auf der alles untergebracht ist. Worauf muss ich
dann besonders achten? Wahrscheinlich ist es besser alles in SMD zu
realisieren, wegen besseren HF-Eigenschaften, oder?
Also du hast Impulse. Da brauchst Du keine Gleichspannungsmessung. Du
wirst dir keinen Ohmschen Spannungsteiler bauen, sondern einen
kapazitiven Spannunsteiler. Vielleicht 1pF:100 pF oder 5pF zu 500 pF.
Dabei beachtest Du, dass dein Oszi eine Eingangskapazität von 30 pF hat
und das Koaxkabel zum Oszillografen vielleicht 50...250 pF (ca 100
pF/Meter) hat.
Die 5 pF erhälst Du, indem Du Dein spannungsführendes Kabel durch ein
Kupferröhrchen führst, oder zwei Halbzylinder darumherumklammerst. (mit
einer Wäscheklammer oder so ähnlich).
Und die Kontrolle, ob das Teilerverhältnis wirklich 100 zu 1 ist, machst
Du mit einem 5 Vpp Rechteck, z.B. aus einem NE555, dessen Ausgang Du mit
dem Zweiten Kanal des Oszillografen kontrollierst.
So ähnlich wird auch die Zündspannung ein der Autoelektrik gemessen.
Durch die Isolation hindurch, kapazitiv. Jedenfalls früher, als die
Zündkabel nicht abgeschirmt waren.
Und die 75-Ohm Kabel am Oszillografen werden nicht mit dem
Wellenwiderstand abgeschlossen. Das würde die Messstellen zu stark
belasten. Oszillografen haben am Eingang gewöhnlich 1MOhm // 30 pF.
Oszillografentastköpfe sind grundsätzlich Ohmsche (9MOhm:1MOhm) und
kapazitige Spannungsteiler zugleich. Mit einem 300 pF
Einstellkondensator, der auf 10:1 eingestellt werden muss. (Google:
"tastkopf abgleich") z.B:
http://www.schruefer-messtechnik.de/EMT-Uebungen/Loesungen/2.2.2-tastkopf-02b.pdf
Ohne weitere Informationen über das DUT kann man nicht so ohne weiteres
sagen wie man die Anpassung am besten macht.
Wenn das DUT niederohmig ist, geht einfach ein wert von Rv, so dass man
zusammen mit der Probe dann auf 50 Ohm kommt. Wenn DUT hochohmig ist,
dann mit dem Widerstand nach Masse. Aber halt den Widerstand etwas
größer, so dass die Parallelschaltung 50 Ohm ergiebt.
Wenn die Impedanz von DUT in der größenordnung 50 Ohm liegt, aber wie
gesagt nichtlinear ist, dann wird es schwierig, und man muß einen
Kompromiss aus Leistungsverlust und guter Anpassung finden - beides
zusammen geht dann nicht.
Es gibt zwei Möglichkeiten Reflektionen und Überschwinger am
kryostatseitigen Ende des Kabels zu verhindern: Serienterminierung des
Kabels im Pulser in Kombination mit einem offenen Ende am
kryostatseitigen Ende des Kabels. Aber dann kannst du keine Leistungen
übertragen.
Oder, korrekte Anpassung an beiden Enden des Kabels. Also, eine 50R
Quellimpedanz im Pulser und eine Lastimpedanz von 50R im Kryostat in
Verbidnung mit einem 50R Kabel. Das heißt, du müßtest die Impedanz des
DUT im Kryostat impedanzmäßig so entzerren, daß du im interessierenden
Frequenzbereich am Ende des Kabels genau 50R erhälst.
Dazu mußt du natürlich erst mal den Frequenzgang der Impedanz des DUT
wissen.
Für das 50R Kabel solltest eine wirklich verlusarme Ausführung
verwenden. Da gibt es große Unterschiede!
Für die Messung der Spannung würde ich einen ganz normalen 100:1
Tastkopf verwenden, mit ausreichender Bandbreite natürlich.
Kai Klaas
Also das Koaxkabel soll nicht moeglichst dick sein, sondern das Standard
4mm aus rostfreiem Stahl. Der Nachteil : viel hoeherer Widerstand,
Vorteil : nichtmagnetisch und viel besser waermeisolierend wie ein Teil
aus kupfer. Mit Kupfer ist 4 Kelvin utopisch. Also aus rostfreiem Stahl.
Ist ja egal, ob ueber dem Kabel 20V abfallen. Und nein, ein Koax ist
nicht induktiv. Den kapazitiven Koppler wuede ich nicht untersetzend
machen, eher mit einem limiter versehen.
Also das DUT verhält sich überwiegend ohmsch. Induktivitäten und
Kapazitäten sind parasitär und bei den Frequenzen wahrscheinlich
vernachlässigbar.
Das Problem ist die Kennlinie. Zunächst ist das Bauteil hochohmig und
wird oberhalb einer Schwelle sehr niederohmig. Deshalb kommt es wohl
unweigerlich zu einer Fehlanpassung.
Kann man vieleicht einen Übertrager verwenden um die Impedanz
anzupassen?
Aber wahrscheinlich wird jeder Übertrager bei den Strömen sättigen oder?
Wenn man nur die Spannung messen moechte, braucht man ja nicht den
ganzen Strom durch den Uebertrager zu jagen. Man kann ja auch den DC
anteil mit einem Kondensator vom Uebertrager fernhalten.
>Das Problem ist die Kennlinie. Zunächst ist das Bauteil hochohmig und>wird oberhalb einer Schwelle sehr niederohmig. Deshalb kommt es wohl>unweigerlich zu einer Fehlanpassung.
Was heißt genau "hochohmig" und "sehr niederohmig"?
Kai Klaas
Nebliger Pfad schrieb:
> Wenn man nur die Spannung messen moechte, braucht man ja nicht den> ganzen Strom durch den Uebertrager zu jagen. Man kann ja auch den DC> anteil mit einem Kondensator vom Uebertrager fernhalten.
Ich meinte sowas: s. Anhang
Bei den Leistungen ist der Verlust nicht so kritisch. Die Leitung ist ja
nicht Lang, sollte sollte auch nicht sein. Außerdem Dämpfen Verluste in
der Leitung auch die Überschwinger. Im Kryostaten also das spezielle
Koax kabel für tiefen Temperaturen (z.B. Edelstahl) und außerhalt kann
es ganz normales sein.
Für die Beurteilung, ob der Stromimpuls auch wirklich wie gewünscht
ankommt, wäre es eventuell sinnvoll einen Widerstand (ca. 1 Ohm, aber
sehr Induktionsarm !) vom DUT nach Masse zu haben, und die Spannung
extern zu messen. Da ist die Anpassung nicht so schwer, einfach ein
Serien Widerstand.
Die Anpassung beim DUT mit variabler Impedanz kann immer nur ein
Kompromiss aus Anpassung und verschenkter Leistung sein. Ein Möglichkeit
wäre Parallel zum DUT einen Widerstand (z.B. 20 Ohm) zu haben und als
Serien Widerstand Rv dann ca. 40 Ohm. Es geht damit viel der Leistung
verloren, aber anders geht es nicht die änderungen der Impedanz zu
reduzieren.
Die Spannungsmessung kann so wie obengezeigt über einen Spannungsteiler
erfolgen. Weil man ja ohnehin einen Widerstand parallel zum DUT haben
hat, ist es dann auch nicht so wichtig, dass die Messung hochohmig
erfolgt. Eine hochohmige ankopplung (z.B. 500 Ohm) hat aber immerhin den
Vorteil, dass man von der Seite keine großen Überschwinger mehr
zurückkopplen kann.
Wenn der Pegel zu groß ist, dann ruhig noch mehr Runterteilen. Da man ja
eine niederohmige angepaßte Quelle hat, sollte die Leitung am
Oszilloskop natürlich mit 50 Ohm abgeschlossen sein.
Gerade wenn die Anpassung am einen Ende der Leitung die Anpassung nicht
gut ist, und auch nicht perfekt sein kann, ist es wichtig das die
Anpassung am anderen Ende perfekt ist. Man sollte also sehen das die
Anpassung am Generator wirklich stimmt und ggf. das noch etwas
nachjustieren mit Serien oder parallel Widerstand.
Aufbau.png
(12 KB)
