DE2818502A1 - Geregelte widerstandsbrueckenschaltung - Google Patents

Description

• GEREGELTE WIDERSTANDSBRÜCKENSCHALTUNG
• Die Erfindung betrifft eine geregelte Widerstandsbrückenschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Bei der an sich bekannten Wheatstone-Brückenschaltung ist die Brückendiagonalspannung nicht stabilisiert.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brückenschaltung anzugeben, bei der die Brückendiagonalspannung stabilisiert wird, derart, daß nur Brückenverstimmungen die schneller eintreten, als die Regelschaltung ausgleichen kann, ein Ausgangssignal ergeben.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß durch diese Schaltungsart Brückenglieder mit langsamen zeitlichen Änderungen als erfinderische Indikatoren verwendet werden können. Außerdem kann damit die volle Empfindlichkeit von Indikatoren für Licht, Temperatur oder z.B. für Metalle ohne großen Stabilisierungsaufwand genutzt werden. Ein erheblicher Vorteil liegt auch darin, daß Umwelteinflüsse für die stabile Arbeitsweise der Indikatoren in einfachster Weise kompensiert werden.
• Die Erfindung- wird anhand der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipschaltung einer geregelten Widerstandsbrückenschaltung, Fig. 2 eine Schaltung zur Erfassung von Metallspänen, mit einem Initiator, wie er üblicherweise für große Metallteile von 10 bis 20 mm Durchmesser verwendet wird, Fig. 3 die Abhängigkeit des Drain-Source-Widerstandes RDS von der Gate-Source-Spannung UGS eines Feldeffekttransistors in einfach logarithmischer Darstellung und Fig. 4 den zeitlichen Spannungsverlauf UA am Ausgang des Operationsverstärkers bei einer Änderung des Brckenverhältnisses.
• Fig. 1 zeigt eine Brückenschaltung, bestehend aus den Widerständen R B1 bis R B4 und dem mit dem Widerstand RB4 in Serie geschalteten Widerstand R. Die Brückendiagonale UBD ist an die Differenzeingänge eines Operationsverstärkers OP gelegt.
• Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP steuert über ein RC-Glied, bestehend aus dem Widerstand RT und CTi die Gate-Sourcestrecke UGs des Feldeffekttransistors FEST, Durch Verändern der Gate-Source-Spannung UGS ändert der Feldeffekttransistor FET seinen Source-Drain-Widerstand RSD, der durch die Parallelschaltung mit dem Brückenwiderstand R ein Bestandteil der Brückenschaltung ist. Wenn die Reihenschaltung der Parallelwiderstände RSD und R mit RB4 im mittleren Kennlinienbereich gemäß Fig. 3 gleich dem Brückenwiderstand RB2 ist, und die Brückenwiderstände R B1 und R B3 ebenfalls gleich groß sind, dann ist die Brücke abgeglichen und die Brückendiagonalspannung UBD gleich Null. Eine Änderung eines Brückenwiderstandes bewirkt eine Brückendiagonalspannung UBD 7 0, die ihrerseits eine Verstärkerausgangsspannung UA zur Folge hat.
• Diese Verstärkerausgangsspannung UA ändert den Source-Drain-Widerstand RSD bis das Brückengleichgewicht wieder hergestellt ist.
• Fig. 2 zeigt eine Schaltung, in der ein Zweidraht-R1hginitiator mit 40 mm Innendurchmesser verwendet wird; Dieser Initiator ist überlicherweise zur Erfassung von großen Metallteilen von 10 - 20 mm Durchmesser geeignet. In vorliegender Schaltung erfaßt er sicher Metallspäne und ist temperaturstabil über 10 - 200 C Umgebungstemperaturanderung.
• 20 % Änderung der Versorgungsspannung haben ebenfalls keinen Einfluß auf seine Empfindlichkeit und S.tabilität; Verwendet wird eine symmetrische Brücke mit einem Zweidraht-Namur-Initiator. Die Brückenspeisespannung beträgt 8 V und ist als Betriebsspannung für den Initiator erforderlich. Erzeugt wird sie über eine Zenerdiode, die von der Betriebsspannung gespeist wird. Als Brückenverstärker ist ein Operationsverstärker TAA 765 eingesetzt. Der Regel-Feldeffekttrahsistor ist ein N-Kanal-MOS Typ BSV 81.
• Die Diode vom Verstärkerausgang zum Gate des Feldeffekttransistors verhindert positive Steuerspannungen. Der Feldeffekttransistor hat eine mittlere Gate-Source-Spannung von 1,7 V. Der Widerstand RSD liegt somit im Mittel um 2,5 kQ und die: Ausgangsspannung VA bei ca. 3,4 V, weil ein Spannungsteiler von 1 : 2 vorliegt.
• Die Brückenwiderstände 5,6 ko und 9,1 kr müssen bei Exemplarsteuerungen des Initiators variiert werden. Fur den Brückenabgleich ist der 1O0jiP Kondensator am Gate des Feldeffekttransistors mit seiner Zeitkonstante störend. Er wird zweckmäßig für den Abgleichvorgangaußer Betrieb gesetzt. Für hochohmige Brückenglieder ist es teilweise notwendig; am Verstärkereingang Kondensatoren für eine Brummspannungssiebung zu verwenden, denn die Brückendiagonalspannung wird mit der Leerlaufverstärkung verstärkt. Ein derartiger Kondensator ist in der Figur strichliert dargestellt.
• Fig. 3 zeigt, daß der Source-Drain-Widerstand RSD Werte 7 von 2.102 bis 10 Q vannehmen kann, wenn sich die Spannung UGS zwischen Gate und Source des Feldeffekttransistors um ca. + 2,5 V ändert. Daraus ist der Regelumfang ersichtlich.
• Fig. 4 zeigt das Verhalten der Ausgangsspannung bei Änderungen der Brückendiagonalspannung. Wenn die Brückendiagonalspannung UBD sich langsamer ändert als die Zeitkonstante des RC-Gliedes, dann bleibt die Brücke im Gleichgewicht; Wenn ein Brückenzweig eine schnelle Änderung der Brückendiagonalspannung verursacht, dann tritt eine schnelle Änderung der Ausgangsspannung UA in der dargestellten Weise auf; Dargestellt ist eine Änderung der Brückenverhältnisse und eine Rücknahme dieser Änderung. Die Spannungsspitzen können an ein Flip-Flop angeschaltet werden, um aus dem dynamischen Verhalten ein statisches zu erhalten.
• Wenn z.B. die Brückenspeisespannung 10 V beträgt und ein Brückenwiderstand sich um 0,1 % durch ein Ereignis ändert, dann wird die Brückendiagonalspannung von ca. 5 mV über eine 20 000-fache.Verstärkung die volle Ausgangsspannung erzeugen.
• Auf der anderen Seite wird die Schaltung aber so stabilisiert, daß langsame Änderungen von mehreren Prozenten eines Brückenwiderstandes keine nennenswerte Änderung der Ausgangsspannung zur Folge hat. Auf diese Weise lassen sich Fotoempfänger zum Abtasten von Farbunterschieden aufbauen, ohne daß eine zweite Fotodiode zur Kompensation verwendet werden muß.

Claims (7)

1. pATENTANSPRUCHE: 1)Geregelte Widerstandsbrückenschaltung, bei der nur Brücken-Verstimmungen, die schneller eintreten als die Regelung ausgleichen kann, ein Ausgangssignal ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückendiagonalspannung über eine Zeitkonstante stabilisiert ist.
2. 2. Geregelte Widerstandsbrückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückendiagonalspannung an den Differenzeingängen eines Operationsverstärkers liegt und die Ausgangsspannung über ein RC-Glied die Gate-Sourcestrecke eines mit einem Brückenwiderstand in Reihe geschalteten Feldeffekttra-nsistors steuert.
3. 3. Geregelte Widerstandsbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenabgleich durch den Einsatz einer hohen Verstärkung erreicht wird.
4. 4. Geregelte Widerstandsbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Änderungen der Brückendiagonalspannung, die zeitlich schneller ablaufen als die durch das RC-Glied gegebene Zeitkonstante, am Ausgang des Operationsverstärkers auftretenden Spannungsspitzen an ein Flip-Flop angeschaltet sind.
5. 5. Geregelte Widerstandsbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brückenzweig ein an sich bekannter Zweidraht-Ringinitiator ist, wie er üblicherweise zur Erfassung großer Metallteile von 10 bis 20 mm Durchmesser verwendet wird, und mit der Metallteile von Spangröße erfaßt werden
6. 6. Geregelte Widerstandsbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brückenzweig eine Fotodiode oder ein temperaturabhängiger Widerstand ist.
7. 7. Geregelte Widerstandsbrückenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem Gate des Feldeffekttransistors positive Steuerspannungen verhindert.