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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Hochleistungsimpulse richtig anpassen


Autor: physiker (Gast)
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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!

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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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

Autor: physiker (Gast)
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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.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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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.

Autor: physiker (Gast)
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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.

Autor: physiker (Gast)
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Nebliger Pfad schrieb:
> 500k Vorwiderstand

Ich muss mich korrigieren. Es ist ein 500Ohm Widerstand.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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HUST
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/RG-174...
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.

Autor: physiker (Gast)
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Anselm 68 schrieb:
> Wie hoch sind deine Strompulse? xx kA?

Naja, bei max. 400V und Pulsleistung von 10kW sind's 25A

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  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

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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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.

Autor: physiker (Gast)
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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?

Autor: Hans-jürgen Herbert (hjherbert) Benutzerseite
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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/L...

Autor: Ulrich (Gast)
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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.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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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

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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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.

Autor: physiker (Gast)
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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?

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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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.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>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

Autor: physiker (Gast)
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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

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Dann muss der Uebertrager die kW vertragen. Unguenstig. Mach den 
Uebertrager in den Messpfad

Autor: Ulrich (Gast)
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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.

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