DE2010898C3

DE2010898C3 - Brückenstrom-Verstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2010898C3
Application number: DE19702010898
Authority: DE
Inventors: Helmut 8500 Nuernberg Neumann
Original assignee: Metrawatt 8500 Nuernberg GmbH
Current assignee: Metrawatt 8500 Nuernberg GmbH
Priority date: 1970-03-07
Filing date: 1970-03-07
Publication date: 1974-08-01
Also published as: DE2010898B2; DE2010898A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brückenstrom-Ver-

Stärkerschaltung, bei der ein erster Brückenzweig durch einen unbekannten bzw. veränderbaren Widerstand gebildet ist, der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers liegt und bei der die Widerstände eines zweiten Brückenzweiges den invertierenden ';nd uie Widerstände eines dritten Brückenzweiges den nicht invertierenden Verstärkereingang mit dem einen Pol einer Spannungsquelle verbinden und der andere Pol dieser Spannungsquelle sowie der am nicht invertierenden Verstärkereingang liegende Widerstand des vierten Brückenzweiges einseitig mit dem Nullpotential des Verstärkers verbunden sind.

Es ist bekannt, derartige Schaltungen als Meßumformer zu verwenden. Dabei wirkt der im ersten Brückenzweig liegende veränderbare Widerstand als Fühler, dessen Widerslandswert durch den Einfluß einer physikalischen Größe, z. B. der Temperatur, sich verändert. Ein Vorteil dieser Schaltung ist die lineare Abhängigkeit der Verstärkerausgangsspannung bzw. des Verstärkerausgangsstromes von der Widerstandsänderung. Soll anstatt des Meßumformers ein Regler eingesetzt werden, der die physikalische Größe auf einen einstellbaren Sollwert regelt so ist es vorteilhaft, wenn die Sollwertskala, z. B. die eines Sollwert-Potentiometers, ebenfavis linear ist. Die Regelschaltung erfordert einen Vergleich von Soll- und Istwert. Dieser wird wegen des unnötigen Aufwandes zweckmäßig nicht erst am Ausgang eines Meßumformers durchgeführt, sondern erfolgt bereits innerhalb der Brückenschaltung. So ist es bekannt, eine übliche Widerstandsbrücke zu verwenden, bei der im ersten Brückenzweig der Widerstandsfühler und im zweiten Brückenzweig ein Festwiderstand liegen und der dritte und vierte Brückenzweig durch das Soilwert-Potentiometer, dem beidseitig je ein Widerstand in Reihe geschaltet ist, gebildet wird. Die Stromversorgung der Brücke erfolgt dabei über die eine und die Abnahme der Brückenspannung über die andere Brückendiagonale. L'm eine ausreichende Leistung zum Betreiben von Schalt- und Meßgeräten zu erhalten, verwendet man zur Verstärkung der Brückenspannung in sich gegengekoppelte Verstärker, deren Einfluß auf den Brückenabgleich vernachlässigbar klein sein soll. Es sind verschiedene Variationen derartiger Schaltungen bekannt, deren Ziel es ist, nach Möglichkeit folgende Eigenschaften zu vereinen:

1. Kein Einfluß des Schleiferübergangs-Widerstandes auf die Messung.

2. Linearer Zusammenhang zwischen der Wider-Standsänderung des Fühlers und der Schleiferstellung des Sollwert-Potentiometers.

3. Möglichst geringer Aufwand bei der Stromversorgung der Brücke.

2 OiO

. Wahrend der Einfluß des SchleiferUbergangs-W'iderstandes in den bekannten Brückenschaltungen durch Einsatz eines Verstärkers im allgemeinen weitgehend vermieden werden kann, sind die unter 2. und 3. genannten Eigenschaften nur schwer zu verbinden. Soll die Widerstandsänderung des Fühlers nicht auch den Brückenstrom beeinflussen und damit zwangläufig zu Unlinearitäten führen und soll die Schaltung außerdem von Schwankungen der Versorgungsspannung unabhängig sein, so muß die Brücke mit einem stabilisierten, eingeprägten Strom versorgt werden. Dieser Strom kann jedoch nicht unmittelbar der Stromversorgungsquelle des Verstärkers entnommen werden, da eine Potentialtiennung zwischen beiwerden soll, un4 außerdem ist der Endwert emesrnt Toleranzen behafteten Potentiometers nur schwermngleichen, ohne seine lineare Einstellcbaraktenstik w verfälschen. Entsprechendes gilt für «™ S^dtwj* bei der das Potentiometer im vierten Bruckenzweig

^Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Nachteile bekannter Brückenabgleichmethoden zu ^verme,!^de.ⁿ; also eine Brückenschallung so aufzubauen, daü me Stiomversorgung von Brücke und Verstarker mn möglichst geringem Aufwand, d.h. aus derselben Spannungsquelle und ohne Einprägung eines stabilisierten Stromes in die Brücke erfolgen kann. Weiterhin soll der übergangswiderstand am Potenüometerhlif ih i di Mng eingeben und es sou

men werden, oa eine roienuaiuennung zwiscnen Dei- mn sou aer uDcrgaugswiuciaiauv* ^-

den Versorgungsquallen erforderlich ist. Um diesen 15 schleifer nicht in die Messung eingeben, und es soi

den Versorgungsquallen erforderlich ist. Um diesen Nachteil zu umgehen, hat man eine von einer Brücke abweichende Schaltung derart aufgebaut, daß zwei auf gleichem Potential liegende Spannungsteiler, von denen der eine den Fühlerwiderstand und der andere das Sollwertpotentiometer enthält, aus je einer Konstantstromquelle mit eingeprägtem Strom gespeist werden und der Spannungsabfall an den Spannungsteilern verglichen wird. Die Konstantstromquellen d Sll

scnicucr uicui m mc nu,»uu₆ ~~·ο . _

trotzdem eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Schleiferweg des Potentiometers und der ^Wia^^r" Standsänderung des Fühlers bestehen. Diese AufgaDe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß em lineares Potentiometer so in die Brückenstromverstarkerschaltung eingefügt ist, daß je nach Stellung seines Schleifers, der mit dem invertierenden Verstarksrein-

teilern vergucnen wira. uie xonsianisiromqueiien gang verbunden ist, ein Tei'. .-,eines Gesamtwiderstankönnen nun zwar aus der Stromverorgungsquelle des sich zum ersten Brückenzv-eig ^{und der}/^eS"* " des Verstärkers gespeist werden, das Verhältnis der 25 Potentiometerwiderstand zum zweiten BrucKenzwe g Ströme muß jedoch sehr konstant sein, wenn keine addiert, und daß der Wert des Potentiometer-wiaer-Fehler auftreten sollen, und der Aufwand an Bauele- stands wesentlich kleiner ist, als der Wert des uno Seilten ist trotzdem noch sehr groß. kannten bzw. veränderbaren Widerstands ^so daß ehe

Es liegt nun der Gedanke nahe, die eingangs ge- am Verstärkerausgang liegende= Spannung; au in kennzeichnete und bei Meßumformern bewährte 30 abgeglichen ist, wenn der Schle fer des ^⁰";™⁰" Brückenverstärkerschaltung für regelungstechnische tu rs eine Stellung einnimmt, die linear vonι dem vve Zwecke umzugestalten. Dabei gilt es, die bisher nach des unbekannten Widerstandes bzw. dessen Wider dem Ausschlagverfahren arbeitende Schaltung durch Standsänderung abhangt.

Einfügen eines Potentiometers im Nullabgleich-Ver- Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen dahrtm

fahren zu betreiben. Schwierigkeiten bereitet jedoch 35 dung sind in den Unteransprucher^ⁿ™™\_e[

fahren zu betreiben. Schweg j

die Forderung, daß bei Abgleich der Brücke der Weg des Potentiometerschleifers ein lineares Abbild der Widerstandsänderung des Fühlers sein soll. Eine geeignete Lösung ist insbesondere deshalb schwer zu finden weil ein Zweig der Widerstandsbrücke im Gegenkopplungskreis des Verstärkers liegt und sich daraus wesentlich unübersichtlichere von üblichen Brükkenschaltungen abweichende Verhältnisse ergeben. Dennoch erscheint es technisch naheliegend, die

Unteransprüchen gek

Die besonderen Vorteile der Schaltung hegen bei Verwendung eines Verstärkers mit ausreichend noher Verstärkung darin, daß das Potentiometer und der Fühlerwiderstand vom selben Strom durchflossen werden und dieser Strom auch von Änderungen des Fühlerwiderstandes unabhängig ist. Der Verstärker sorgt also nicht nur für eine Verstärkung der BruK-kenspannuna, sondern übernimmt sozusagen aucn die Aufgabe der Stromeinprägung und verhindert fl d Mß

UlC /MJIgUUC UtI jiiui.i..Mip.-6 — B . , .

SrhähunR derart aufzubauen, daß ein Potentiometer, 45 außerdem cmc Beeinflussung der ^MeBS^enaU1^ dessen Schleifer mit einem Widerstandsende kurzge- durch .^^^'^U^^S^sld, s-hlossen ist, entweder in Reihe zum Fühlerwider- tcrhm .st bc. richtiger Wahl der ^Bruckenwld=£^ia'",: tand also in den ersten Brückenzweig, ode, in den die Schleiferstellung des Potentiometers em streng h benachbarten vierten Brückenzweig geschaltet wird; ncarcs Abbild der Widerstandsänderung des Fühlers-

bei einer derartigen Potentiometeranordnung

denn ~_. „

gelten die bekannten Brückenabgleichbcdingungen. Schai'et man das Potentiometer in Reihe zum Fühlerwiderstand, so muß der Potenliomcterwiderstand gleich der maximalen Widerstandsänderung des Fühlers innerhalb des vorgegebenen Meßbereiches sein. d. h., der Gesamtwiderstand des ersten Brückenzweiges muß bei Brückenabgleich immer konstant bleiben. Eine derartige Schaltung beinhaltet jedoch mehrere Nachteile. Die Bedingung, daß dei Potcntioares Abbild der Widerstandsänderung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden nancr beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das l'rinzipschaltbild der Briickenstrom-Verstärkcrschaltung mit Abgleich-Potentiometer,

F i g. 2 das Schaltbild von F i g. 1 in abgewandelter Form zur Erzielung einer höheren Verstärkung.

Wie F i g. 1 zeigt, liegt ein Differenzverstärker 1 im Diagonalzweig einer Widerstanüsbrücke und wird über zwei Zenerdioden 2,3 mit Spannung versorgt, d Bük folgt aus der sel

rere Nachteile, uie Bedingung, uau uci roiemm- uuu ,.»v., ^.,w„.v .,

meterwiderstand gleich der maximalen Änderung des 60 Die Stromversorgung der Brücke erfolgt aus der sel-Fühlerwiderstandes sein soll, ist insbesondere dann bon Spar,nungsi|uelle. Den ersten Bruckenzweig, der

zwischen Verstärkerausgang und dem invertierenden Verstärkereingang liegt, bilden ein veränderbarer Fühlenvk¹erstand4 und ein von der Stellung des Schleifers abhängiger Widerstand 5 b des Potentiometers 5. Der restliche Potentiometenviderstand 5 a

1 UlIlVl Ti »w—· v-- —.. — ,

störend, wenn zum Zwecke hoher Auflösung das Potentiometer aus einem einfachen Schlcifdraht bestehen soll, dessen Widerstand weit niedriger als der genormte Fühlerwiderstand ist. Des weiteren gehen bei einem einseitig kurzgeschlossenen Potentiometer Schwankungen des Schleiferübergangs-Widcrstandcs voll in die Messung ein, was natürlich vermieden meters 5 Der restliche Potentiomet und ein Widerstand 6 ergeben den zweiten Brückenzweig Zwischen einem Widerstand 7 im dritten und

5 6

einem Widerstand 8 im vierten Brückenzweig ist der meter-Widerstand 5 wesentlich kleiner als der Wider-

nicht invertierende Verstärkcrcingang angeschlossen. stand 4 ist, was bei Verwendung eines Schleifdrahtcs

Die Widerstände 7 und 8 können als ein an der und eines genormten Temperaturfühlers zwangläu-Zcnerdiode2 liegender Spannungsteiler aufgefaßt fig gegeben ist, dann führen folgende Verhältnisse werden. Der Verstärker sorgt nun über den von den :> zum Abgleich der Brückenschaltunj!.. Die Potcntio-Widerständcn 4 und Sb gebildeten Gegenkopplungs- mctcrwidcrständc5a und Sb müssen ein lineares kreis dafür, daß die an den Widerständen 6 und 5 α Abbild der Schleiferstellung sein, dann ist bei lineaabfaliende Spannung gleich dem Spannungsabfall am rer Änderung des Fühlcrwiderstandes4 auch die Än-Widerstand7 ist. Die Schaltung entspricht einer derung der Summe der Widerstände S b und 4 linear. Parallel-Gegenkopplung. Da bei hoher Verstärkung io Da auch der im ersten Brückenzweig fließende Strom die Differenzspannung an den Verstärkereingängen ein lineares Abbild der Schleiferstellung ist, müssen sowie die Eingangsströme bekanntlich gegen Null ge- die Brückenwiderstände so dimensioniert werden, hen, fließt über den ersten und zweiten Brückenzweig daß bei abgeglichener Brückenverstärkerschaltung ein Strom, der nur von der Spannung am Widerstand 7 die Änderung des den ersten Brückenzweig durch- und der Summe der Widerstände 6 und 5 σ abhängt. 15 fließenden Stromes die Veränderung des Gesamt-Bei abgeglichener Brücke, d.h.. wenn der im ersten Widerstandes 5 b und 4 derart aufhebt, daß der Span-Brückenzweig fließende Strom an den Widerstän- nungsabfall an diesem Brückenzweig gleich bleibt, den 5 b und 4 einen Spannungsabfall erzeugt, der Genauer gesagt, für die Schleiferstellung α gilt die gleich der Spannung am Widerstand 8 ist, zeigt ein Beziehung
Anzeigeinstrument9 mit seinem Vorwiderstand 10 ao RT-ARA
eine Ausgangsspannung Nuil. Von Null abweichende « = p, ,^T_{7 p}". Spannungen können vom Verstärkerausgang abge- R5{RT + RS)
nommen und z. B. einem weiteren Verstärker oder Der wesentliche Unterschied der in F i g. 2 darge-Triggerkreis zugeführt werden. stellten Schaltung gegenüber F i g. 1 besteht darin,

Die Wirkungsweise der Schaltung ist bis dahin »5 daß durch Eiufügen eines aus den Widerständen 11

leicht zu übersehen und im Prinzip auch bekannt. und 12 bestehenden Spannungsteilers die Verstär-

Wesentlich schwieriger ist es, die Tatsache zu erfas- kung der Schaltung erhöht wird. Dadurch liegt bei

sen, daß es gelingt, die Werte der Brückenwider- nichtabgeglichener Brückenschaltung eine erhöhte

stände in einem solchen Verhältnis festzulegen, daß Spannung am Verstärkerausgang und ein nachge-

die Stellung des Schleifers eines an der gekennzeich- 30 schalteter Triggerkreis kann entsprechend unemp-

neten Stelle eingefügten Potentiometers 5 ein lineares findlich sein. Der Widerstand 13 dient zum Abgleich

Abbild der Änderung des Widerstandes 4 bei abgegli- des Leitungswiderstandes 14, und das Potentiome-

chener Brücke ist. Obwohl die Schaltung nach ter7b, 8 b erlaubt eine Verschiebung des Brücken-

F i g. 1 scheinbare Ähnlichkeit mit bekannten Brük- abgleichpunktes. Außerdem ist das toleranzbehaftete

kenschaltungen hat, bei denen ebenfalls ein Potentio- 35 Potentiometer 5 durch ein parallelgeschaltetes

meter auf zwei Brückenzweige verteilt ist, ergeben Trimm-Potentiometer 15 auf seinem Endwert abge-

sich durch das Einfügen des ersten Brückenzweiges glichen.

in den Gegenkopplungskreis des Verstärkers grand- Es liegt auf der Hand, daß die Schaltungen nicht sätzlich andere Verhältnisse. So scheint der Um- nur bei Reglern verwendet werden können, sondern stand, daß eine Verschiebung des Potentiometer- 40 sich ebenso zur Verwendung als Widerstandsmeßschleifers sowohl eine Änderung des Stromes wie brücke eignen. Man kann auch das Potentiometer 4 auch eine Änderung des Potentiometerwiderstan- mit stufig veränderbaren Widerständen kombinierer des 5 b im ersten Brückenzweig verursacht, eine Li- bzw. durch solche ersetzen, z. B. im digital messer nearität auszuschließen. Wenn jedoch der Potentio- oder regeln zu können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brückenstrom-Verstärkerschaltung, bei der ein erster Brückenzweig durch einen unbekannten bzw, veränderbaren Widerstand gebildet ist, der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers liegt und bei der die Widerstände eines zweiten Brückenzweiges den invertierenden und die Widerstände eines dritten Brückenzweiges den nicht invertierenden Verstärkereingang mit dem einen Pol einer Spannungsquelle verbinden und der andere Pol dieser Spannungsquelle sowie der am nicht invertierenden Verstärkereingang liegende Widerstand des vierten Brückenzweigs einseitig mit dem Nullpotential des Verstärkers verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein lineares Potentiometer (S) so in die Brückenstrom-Verstä; Verschaltung eingefügt ist, daß je nach Stellung seines Schleifers, der mit dem invertierenden Verstärkereingang verbunden ist, ein Teil seines Gesamtwiderstandes sich zum ersten Brückenzweig und der restliche Potentiometer-Widerstand zum zweiten Brückenzweig addiert und der Wert des Potentiometer-Widerstands (5) wesentlich kleiner ist, als der Wert des unbekannten bzw. veränderbaren Widerstands (4), so daß die am Verstärkerausgang liegende Spannung auf Null abgeglichen ist, wenn der Schleifer des Potentiometers (S) eine Stellung einnimmt, die linear :on dc-,τ Wert des unbekannten Widerstandes (4) bzw. dessen Widerstandsänderung abhängt.

2. Brückenstrom-Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das am invertierenden Verstärkereingang liegende Potentiometer (5) zur Einstellung des Sollwertes einer zu regelnden physikalischen Größe vorzugsweise der Temperatur dient, deren Änderung den Wert eines im ersten Brückenzweig liegenden veränderbaren Widerstandes (4) beeinflußt.

3. Brückenstrom-Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das am invertierenden Verstärkereingang liegende Potentiometer (5) zur Messung eines in dem ersten Brückenzweig eingeschalteten unbekannten Widerstandes (4) dient, der nach dem Brückenabgleichverfahren gemessen wird, indem bei Nullabgleich die Stellung des Schleifers den Widerstandswert anzeigt.

4. Brückenstrom-Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Brückenzweig mit dem Verstärkerausgang über einen zwischen diesem und Nullpotential liegenden Spannungsteiler (11, 12) verbunden ist.

5. Brückenstrom-Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des Potentiometers (5) mit einem ihm parallelgeschalteten Widerstand (15) abgeglichen ist.

6. Brückenstrom-Verstärkcrschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (5) mit stufig veränderbaren Widerständen kombiniert oder durch solche ersetzt ist.

7, Brückenstrorn-VerstHrkerschsUung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der auf Verstärker-Nullpotential liegenden Brückenschaltung aus der Verstärker-Versorgungsspannungsquelle erfolgt, die zwischen dem zweiten und dritten Brückenzweig angeschlossen ist.