Емкостные делители напряжения

Измерительные схемы с емкостными делителями напряжения, как правило, имеют реакцию на прямоугольный импульс согласно уравнению (6.2), графически показанную на рис. 6.4, б. Один из вариантов схемы замещения делителя представлен на рис. 6.7. В нее входят индуктивность делителя и соединительных проводов L, сопротивление R (обычно достаточно малое) конденсаторов и соединительных проводов, а также паразитная емкость делителя относительно земли С₃.

Рис. 6.7. Схема замещения емкостного делителя напряжения, низковольтное плечо не согласовано с кабелем

Плечо низкого напряжения представлено емкостью С₂, согласующим резистором R_с, емкостью кабеля С_к и входным сопротивлением осциллографа R_вх. Паразитная емкость С₃ не вносит искажений в форму импульса напряжения. Ее влияние сказывается на изменении коэффициента деления. Чтобы добиться минимального влияния изменения емкости С₃, значение С₁выбирают много больше С₃. Емкость C₁может быть собрана из отдельных элементов – импульсных конденсаторов с малой индуктивностью. Результирующая емкость может составлять 10^–10 Ф. В качестве C₁иногда используют образцовые и измерительные конденсаторы. Коэффициент деления для схемы, представленной на рис. 6.7, имеет выражение:

.

Индуктивность L имеет значение того же порядка, что и для омических делителей. Вместе с емкостью делителя она образует колебательный контур, затухание колебаний в котором определяется соотношением сопротивления R и волнового сопротивления, равного . Для емкостных делителей волновое сопротивление может составлять несколько сотен Ом. Значение R с учетом поверхностного эффекта в соединительных проводах и диэлектрических потерь в конденсаторах делителя обычно на порядок меньше, а постоянная времени превышает период колебаний . По τ и Т можно оценить искажение измеряемого прямоугольного импульса с использованием выражения (6.2).

В области низких частот делитель имеет погрешности, вызванные разрядом емкости С₂ + С_к через сопротивление R_с и R_вх. Это проявляется в смещении «нулевой» линии на экране осциллографа после воздействия импульса. Для наглядности на рис. 6.8 показано искажение импульса напряжения U₁с бесконечно крутыми фронтами.

Помимо колебаний после фронта и среза наблюдается уменьшение напряжения с постоянной времени ), а после прохождения импульса – смещение «нулевой» линии. Значения R_c, С₂ и С_к должны быть выбраны таким образом, чтобы τ_c было много больше полной длительности измеряемого импульса.

Входное сопротивление современных осциллографов с высокоомным входом составляет 1 МОм или 50 Ом и определяется сопротивлениями делителя напряжения в канале отклонения луча по вертикали. Наличие разделительных емкостей на входе осциллографа (так называемый закрытый вход) не увеличивает R_вх в импульсном режиме.

Рис. 6.8. Искажение импульса на выходе емкостного делителя напряжения при входном импульсе с прямоугольными фронтами

Емкостные делители напряжения с минимальной индуктивностью находят широкое применение в наносекундной импульсной технике. Обычно такие делители представляют собой небольшой емкостный элемент, встроенный в генератор импульсов (так называемый делитель Флетчера). Подобные делители используются, например, в наносекундных сильноточных ускорителях типа СИНУС.

В испытательных лабораториях высокого напряжения емкостные делители в чистом виде применяются редко. Гораздо чаще используются разновидности емкостных делителей, снабженных дополнительными элементами. Для улучшения характеристик в области высоких частот применяют демпферные резисторы, а в области низких частот параллельно С₁ включают резисторы с большим сопротивлением.