Hybridspannung - AC und DC Anteil bestimmen

[Alexander H. (alex1994)]

Hallo,

Im Anhang ist ein Bild(2tes Bild) einer Schaltung, mit der eine Hybrid 
Spannung erzeugt wird. Also ein Sinus mit überlagerter Gleichspannung. 
Für die Betrachtung kann der RC-Teiler am rechten Ende der Schaltung, 
sowie die Kapazität C2 (Prüflingskapazität) vernachlässigt werden.

Entscheidend ist der kapazitive Teiler bestehend aus C1 und Cdc.

Die Schaltung ist bei uns im Hochspannungslabor aufgebaut und 
funktioniert auch so weit wie in der Simulation.


Nun zu meinem Problem:

Um den AC Anteil der Hybridspannung analytisch zu ermitteln habe ich 
folgendes Verhältnis angenommen:

UacRMS/UqRMS = Cdc/(C1+Cdc) = 0,5

wobei sich bei den Messungen und der Simulation herausstellte, dass für 
den AC Anteil anscheinend genau der andere kapazitive Teilungsfaktor 
(bei anderen C1,Cdc Kombinationen) der richtigere ist (was ich schon mal 
nicht verstehe), nämlich:

Udc/UqRMS = C1/(C1+Cdc) = 0,5 (hier natürlich gleich wie oben da 
C1=Cdc=10nF)

wobei Udc die Spannung am Glättungskondensator Cdc, UacRMS die 
Effektivspannung am C1 (Teiler) und UqRMS der Effektivwert der 
Sinusförmigen Speisespannung ist.

Bei einer Messserie(verschiedene Speisespannungen) mit den 
Kapazitätswerten aus der Simulation (siehe Anhang) erhalte ich jedoch im 
Mittel folgende Verhältnisse:

UacRMS/(UacRMS + Udc) = 0,49 oder für UacRMS/sqrt(UacRMS^2+Udc^2) = 0,7

wobei ich behaupten würde, dass der letztere Faktor eigentlich der 
richtigere bzw. gleich dem kapazitiven Teilerfaktor sein sollte, da bei 
einer Mischspannung die Effektivwerte ja quadratisch addiert werden.

Allgemein entspricht aber eher das erstere Spannungsverhältnis ca. dem 
kapazitiven Teilerfaktor.

Mir scheinen dennoch (nach Messungen mit anderen C1,Cdc Kombinationen) 
beide oberen Spannungsverhältnisse nicht die richtigen zu sein um wieder 
auf den kapazitiven Teilerfaktor zu kommen.


Wie muss ich das Spannungsverhältnis der gemessenen Hybridspannung 
ansetzen um auf das gleiche kapazitive Teilerverhältnis zu kommen?

In weiterer Folge möchte ich auch analytisch den Faktor Udc/Uq_Spitze 
ermitteln, aber ich komme da auf keinen grünen Zweig.

Bin über jede Hilfe dankbar!

Lg
alex1994

PS: das 2te Bild ist das mit dem kapazitiven Teilerverhältnis = 0,5.

[nachtmix (Gast)]

Alexander H. schrieb:
> Um den AC Anteil der Hybridspannung analytisch zu ermitteln habe ich
> folgendes Verhältnis angenommen:
>
> UacRMS/UqRMS = Cdc/(C1+Cdc) = 0,5

Dann hättest du an der Kathode der Diode etwa 70kVss, während an der 
Anode über 100k 140kVss anliegen.
Woher nimmst du das Gottvertrauen, dass die 1N914 35kV Sperrspannung 
aushält?

Spätestens bei wenigen 100V in Sperrichtung wird sie leitend, und diesen 
Spannungsabfall darf man hier ruhig vernachlässigen.

[Der Zahn der Zeit (Gast)]

Alexander H. schrieb:
> wobei sich bei den Messungen und der Simulation herausstellte, dass für
> den AC Anteil anscheinend genau der andere kapazitive Teilungsfaktor
> (bei anderen C1,Cdc Kombinationen) der richtigere ist (was ich schon mal
> nicht verstehe), nämlich:
> Udc/UqRMS = C1/(C1+Cdc)...
Ja natürlich! Stell' dir vor, du machst Cdc immer größer, dann wird Uac 
immer kleiner! Je größer C, desto kleiner seine Impedanz.

Alexander H. schrieb:
> wobei Udc die Spannung am Glättungskondensator Cdc, UacRMS die
> Effektivspannung am C1 (Teiler) und UqRMS der Effektivwert der
> Sinusförmigen Speisespannung ist.
??? Also ist Udc die Spannung an Cdc und UacRMS ebenfalls die 
(Effektiv)spannung an Cdc? Etwas verwirrend. Also beide an Cdc und 
UacRMS ist nicht die Effektivspannung sondern die Effektivwert des 
Wechselspannungsanteils an Cdc. Und Udc ist der DC-Mittelwert der 
Spannung an Cdc? Oder der Minimalwert? (Es gibt keine Spannung dort, es 
gibt nur einen Spannungsverlauf.)

Nach der Klärung fällt es leichter, darüber nachzudenken.

@ nachtmix: Ich würde den Alexander nicht für so unklug halten, dass er 
den Unterschied der Verhaltensweise einer Diode in der Simulation und in 
der Praxis nicht kennt.

[Alexander H. (alex1994)]

Hallo!

nachtmix schrieb:
> Alexander H. schrieb:
>> Um den AC Anteil der Hybridspannung analytisch zu ermitteln habe ich
>> folgendes Verhältnis angenommen:
>>
>> UacRMS/UqRMS = Cdc/(C1+Cdc) = 0,5
>
> Dann hättest du an der Kathode der Diode etwa 70kVss, während an der
> Anode über 100k 140kVss anliegen.
> Woher nimmst du das Gottvertrauen, dass die 1N914 35kV Sperrspannung
> aushält?
>
> Spätestens bei wenigen 100V in Sperrichtung wird sie leitend, und diesen
> Spannungsabfall darf man hier ruhig vernachlässigen.

Dessen bin ich mir natürlich bewusst. Die 1N1914 ist eine zufällig 
gewählte Diode. In der Simulation ging se rein um die Funktion 
(Durchsteuern der pos. Halbwelle). Und die Diodenspannung ist 
vernachlässigbar für die ganzen Berechnungen. Im Versuchsaufbau wird 
natürlich eine Hochspannungsdiode verwendet die 140kV aushält.

Der Zahn der Zeit schrieb:
> Alexander H. schrieb:
>> wobei sich bei den Messungen und der Simulation herausstellte, dass für
>> den AC Anteil anscheinend genau der andere kapazitive Teilungsfaktor
>> (bei anderen C1,Cdc Kombinationen) der richtigere ist (was ich schon mal
>> nicht verstehe), nämlich:
>> Udc/UqRMS = C1/(C1+Cdc)...
> Ja natürlich! Stell' dir vor, du machst Cdc immer größer, dann wird Uac
> immer kleiner! Je größer C, desto kleiner seine Impedanz.

Udc ist die Spannung die am Glättungskondensator abfällt 
(Gleichspannung). Deshalb ist es für mich ein bisschen verwunderlich, 
dass sich aus dem Verhältnis der AC Anteil ergibt.


> ??? Also ist Udc die Spannung an Cdc und UacRMS ebenfalls die
> (Effektiv)spannung an Cdc? Etwas verwirrend. Also beide an Cdc und
> UacRMS ist nicht die Effektivspannung sondern die Effektivwert des
> Wechselspannungsanteils an Cdc. Und Udc ist der DC-Mittelwert der
> Spannung an Cdc? Oder der Minimalwert? (Es gibt keine Spannung dort, es
> gibt nur einen Spannungsverlauf.)

Udc ist wie gesagt die Spannung am Glättungskondensator Cdc.

Uac ist die Wechselspannung am Kondensator C1 bzw. wie ich geschrieben 
habe UacRMS die Effektivspannung am Kondensator C1. Ich nehme deshalb 
den Effektivwert des Wechselanteils, da der Ansatz von Spannungsteilern 
ja immer für Effektivwerte gilt. In dem Fall natürlich auch egal weil 
sich der Faktor Wurzel(2) eh rauskürzt.


Ich hoffe es ist jetzt klar das UacRMS der Effektivwert der 
Wechselspannung an C1 ist. Über C1 fällt der AC Anteil ab. Über Cdc der 
Gleichanteil (da Diode davor).

Und aus den beiden Anteilen ergibt sich die Mischspannung.

Liebe Grüße.
Alex

[Hp M. (nachtmix)]

Alexander H. schrieb:
> Die 1N1914 ist eine zufällig
> gewählte Diode. In der Simulation ging se rein um die Funktion
> (Durchsteuern der pos. Halbwelle). Und die Diodenspannung ist
> vernachlässigbar für die ganzen Berechnungen. Im Versuchsaufbau wird
> natürlich eine Hochspannungsdiode verwendet die 140kV aushält.

Der Simulator weiß aber, dass die 1N914 keine 35kV aushält und 
berücksichtigt das.
Deshalb kannst du sie in der Simulation auch durch ein Stück Draht 
ersetzen und bekommst das praktisch gleiche Ergebnis.
Die echte HV-Diode benimmt sich natürlich anders, und das begründet den 
Unterschied zwischen Simulation und Messung.

[Alexander H. (alex1994)]

Hp M. schrieb:

> Der Simulator weiß aber, dass die 1N914 keine 35kV aushält und
> berücksichtigt das.
> Deshalb kannst du sie in der Simulation auch durch ein Stück Draht
> ersetzen und bekommst das praktisch gleiche Ergebnis.

Die Simulationsergebnisse sind die gleichen mit beispielsweise 7V. Nur 
eben um den Faktor 10000 kleiner. Stell dir doch ansonsten bitte einfach 
vor satt "1N914" steht bei der Diode "Hochspannungsdiode".
Würde ich die Diode durch ein Stück Draht ersetzen, erhalte ich eine 
leicht gedämpfte Sinusspeissespannung ohne DC Offset am Ausgang. Aus 
Theorie und Simulation geht hervor, dass ein Stück Draht die Diode nicht 
ersetzen kann.

> Die echte HV-Diode benimmt sich natürlich anders, und das begründet den
> Unterschied zwischen Simulation und Messung.

Wie in meinem ersten Post geschrieben, sind die Simulationsergebnisse 
ident mit den tatsächlichen Messergebnissen im Hochspannungslabor.


Zurück zu meinem eigentlichen Problem:

Wie muss ich das Spannungsverhältnis der gemessenen Hybridspannung
ansetzen um auf das gleiche kapazitive Teilerverhältnis zu kommen?
(siehe erster Post)

Weder UacRMS/(UacRMS + Udc) noch UacRMS/sqrt(UacRMS^2+Udc^2) scheinen 
die richtigen zu sein.

Danke für eure Hilfe!

Liebe Grüße,
Alex