Sensoren in Brückenschaltung, Instrumentenverstärker

 

Instrumentenverstärker, Schaltungstechnik

Die Brückenschaltung besteht aus zwei Spannungsteilern, gemessen wird die Differenz der beiden Spannungsteiler und nicht wie beim einfachen Spannungsteiler gegen Masse. Dadurch lässt sich die Präzision der Messung in vielen Anwendungen deutlich verbessern. Um die geringen Spannungsdifferenzen mit der Sensorbox oder einem anderen Standard Analog / Digital- Wandler messen zu können, braucht man einen Instrumentenverstärker. Zuerst wird die Spannungsdifferenz verstärkt, dann wird sie in eine auf Masse bezogene Spannung umgewandelt.

Für einfache Anforderungen, vor allem wenn nur Standardbauteile zur Verfügung stehen, kann die im Grundlagenteil vorgestellte Schaltung eingesetzt werden.

Präziser und auch einfacher aufzubauen sind Schaltungen mit integrierten Instrumentenverstärkern. Relativ leicht erhältlich und preiswert ist die Schaltung "INA126" des Herstellers Burr-Brown (Bezugsquelle RS Components, Best.Nr. ). Die Anschlüsse am 8-poligen Gehäuse entsprechen einem weit verbreiteten Industriestandard, somit ist der INA126 durch diverse andere integrierte Instrumentenverstärker ersetzbar.

Obwohl sich Instrumentenverstärker (kurz INA) in der Anwendung recht unkritisch verhalten, sollten einige Punkte beachtet werden:
Die Brückenschaltung im Beispiel unten wird aus der 5 Volt Betriebsspannung der Sensorbox gespeist. Die an der Brücke abgegriffene Differenzspannung ist somit tendenziell allen Schwankungen dieser Spannung proportional. Dieser Fehler wird weitgehend kompensiert, indem diese Spannung zugleich als Referenzspannung des Analog / Digitalwandlers der Sensorbox dient (Ratiometrisches Wandlerprinzip). Für Präzisionsmessungen ist jedoch eine detailliertere Betrachtung aller Komponenten notwendig, etwa ob und wieweit sich der Sensor tatsächlich wie ein Ohm'scher Widerstand verhält. Im Rahmen dieses Workshop sind solche Feinheiten jedoch zu vernachlässigen.

Nicht alle Typen lassen sich problemlos mit der geringen Betriebsspannung von 5 Volt betreiben. Vor allem ältere Schaltungen brauchen eine positive und eine negative Betriebsspannung, etwa +/- 12 Volt. Bei dieser klassischen Schaltungstechnik wird der Referenzeingang des Verstärkers an Masse (Ground) gelegt.
Der INA126 kann mit einer 5 Volt "single supply" Betriebsspannung versorgt werden. Dann muss die Referenzspannung zwischen Masse und positiver Betriebsspannung liegen, normalerweise nimmt man die Mitte des Bereichs, also hier 2,5 Volt. Die Referenzspannung ist gleich der Ausgangsspannung bei der Eingangsdifferenz 0 Volt. Für eine präzise Funktion des INA ist es sehr wichtig, dass die Referenzspannung niederohmig zugeführt wird. Daher wird sie zuerst mit einem Spannungsteiler eingestellt und dann über einen als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker auf den Referenzeingang des INA gegeben.

Die Verstärkung des INA wird mit einem einzigen externen Widerstand - R gain - eingestellt. Je kleiner der Widerstand, desto höher die Verstärkung. Mit der optionalen RC- Kombination Rt / Ct kann die obere Grenzfrequenz des INA der Messaufgabe angepasst werden. Verringerung der oberen Grenzfrequenz bedeutet geringeres Rauschen und geringeren Einfluss externer Störquellen auf die Schaltung.

Ist die Widerstandsbrücke vom Messverstärker entfernt angeordnet, wird man die Verbindung mit einer abgeschirmten Leitung herstellen. Beste Schirmung erhält man, wenn man die Abschirmung nicht direkt an Masse legt (wie es z.B.bei Mikrofonen üblich ist), sondern auf das mittlere Potential der Eingangsspannungen. Hierfür ist in der Beispielschaltung ein zweiter als Spannungsfolger geschalteter Operationsverstärker mit dem Ausgang "Shield" vorgesehen.

In der Beispielschaltung sind 4 Brückenwiderstände R1 bis R4 eingezeichnet. In der Praxis wird mindestens einer, aber häufig auch alle 4 Widerstände ein Sensorelement sein. Zum Abgleich der Widerstandstoleranzen ist ein Trimmpotentiometer eingezeichnet. Je nach Aufgabenstellung kann es auch an einer anderen Stelle der Brücke eingefügt sein oder ganz entfallen.
Als Widerstände sollten nur temperaturstabile Metallfilmwiderstände eingesetzt werden, für Trimmpotentiometer vorzugsweise Cermet- Typen. Die Spannungseinstellung für die Referenspannung sollte nur für Experimentierzwecke mit einem Trimmpotentiometer erfolgen. Eine stabilere Funktion erhält man, wenn man zuerst den korrekten Wert der Referenzspannung ermittelt, dann das Trimmpoti ersetzt durch eine passend dimensionierte Reihenschaltung aus zwei Festwiderständen und einem Trimpoti in der Mitte. Das Trimmpoti wird einen wesentlich kleineren Widerstandswert aufweisen, etwa 10% des Wertes der Festwiderstände. Eine andere sinnvolle Methode ist, das Trimmpoti durch Festwiderstände zu ersetzen und eventuell verbleibende geringe Nullpunktfehler per Software zu korrigieren.

 

Drucksensor

Einfache Drucksensoren bestehen aus einer Brücke ohne eingebauten Verstärker. Es werden Druckbereiche angeboten zwischen 10 kPa (ca. 1/10 Atmosphärenduck) und 1000 kPa (ca. 10-facher Atmosphärendruck). Bei voller Belastung beträgt die Ausgangs- Differenzspannung etwa 100 Millivolt. Das heisst, bei Anwendungen, die den Nenndruckbereich des Sensors ausnutzen, ist eine Verstärkung von etwa 50 bis 100 notwendig. Beim INA126 muss Rgain dann etwa 1 bis 2 Kiloohm betragen. Wenn nicht der gesamte Druckbereich des Sensors ausgenutzt wird, muss die Verstärkung entsprechend größer gewählt werden.

 

Logo


* Informationsstand Okt '99. Alle Angaben nach bestem Wissen.
* Der Autor übernimmt keine Haftung für Richtigkeit der Angaben und deren Eignung für einen bestimmten Zweck.
* Im Text zitierte Warenzeichen und Produktnamen sind Eigentum ihrer Eigentümer.