DE3131431A1 - Schaltungsanordnung mit einer widerstandsbruecke - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung mit einer Widerstandsbrücke
• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Brückenanordnung aus vier Widerständen, von denen wenigstens einer einer seinen Widerstandswert verändernden physikalischen Größe unterworfen ist, und wobei die Brückenausgangsspannung einem Differenzverstärker zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung der physikalischen Größe entspricht.
• Dabei können die Widerstände zum Beispiel DehnungsmeBstreifen sein, mit denen mechanische Belastungen gemessen werden, oder es können temperaturabhängige Widerstände sein, mit denen Temperaturen gemessen werden.
• Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist vielfach bekannt, so zum Beispiel auch aus der Druckschrift "SA 100 SENSOR & SYSTEMS11, herausgegeben von der Firma Texas Instruments Inc., 1979, insbesondere Seite 8, Figur 3.4.2.1. Dort ist eine Brückenschaltung gezeigt, in deren einem Zweig ein temperaturempfindlicher Widerstand angeordnet ist.
• Eine bekannte passive Brücke, hier mit Stromeinspeisung, zeigt Fig. 1. Für optimale Empfindlichkeit müssen z.B.
• R1 und R4 für Widerstandszunahme und R2 und R3 für Widerstandsabnahme ausgelegt werden. Gibt es, wie z.B. bei Widerstandsthermometern, nur eine Richtung der Widerstandsänderung, dann müssen z.B. R2 und R3 konstant sein. Bei einer passiven Brücke wählt man im Ruhezustand R1 = R2 = R3 = R4, um maximales Ausgangssignal zu erhalten.
• Bei dieser Brückenschaltung liegt keine der Signalklemmen auf Nullpotential. Zur Weiterverarbeitung des Signals sind daher besondere Maßnahmen wie ein Transformator (bei Wechselspannung ) oder ein Differenzverstärker erforderlich.
• Eine bekannte Auswerteschaltung zeigt Fig. 2, die in der oben genannten Druckschrift zu finden ist. Für die Beschaltung des Differenzverstärkers sind hier zwei zusätzliche Widerstände, R5 und R6, vorgesehen, mit denen zugleich die Verstärkung eingestellt wird. Abgesehen von dem zusätzlichen Aufwand tragen diese Widerstände Jedoch zu einer Drift bei, bedingt durch die im allgemeinen unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der Brückenwiderstände R1 bis R4 gegen die Zusatzwiderstände R5 und R6.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaf-Sen5 die einen geringeren Aufwand erfordert und zugleich auch gegen Drift unempfindlich ist Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Brückenwiderstände zugleich als Arbeitswiderstände des Differenzverstärkers geschaltet und bemessen sind.
• Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Anhand der Fig. 3 wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung näher beschrieben.
• Wie die Schaltungsanordnungen nach den Figuren 1 und 2 wird auch die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 aus einer Stromquelle 1e gespeist. Die Ausgangsspannung Ua steht bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 an den Verbindungspunkten der Widerstände R1/R2 und R3/R4 zur Verfügung, während sie bei den Schaltungsanordnungen nach den Figuren 2 und 3 am Ausgang des Differenzverstärkers Op entnehmbar ist.
• Wie oben dargelegt, ist es bei passiven Brücken üblich, für den Ruhezustand die Brückenwiderstände R1=R2=R3=R4 zu wählen. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung nach Fig. 3 kann zwar ebenfalls mit derart gewählten Wider- ständen betrieben werden - es ist jedoch erfindungsgemäß vorgesehen, das Verhältnis R1/R2 = R3/R4 an diese Schaltung anzupassen: Geht man nämlich davon aus, daß die heutige Technologie die Summe der Widerstände (d.h. die Fläche der Schaltung) begrenzt, kann man bei konstanter Summe R1+R2=R3+R4=R (im Ruhezustand)noch die Aufteilung wählen. Man setzt daher: R1 = R2 = (i-v)R R3 = γ.R R4 = (1-y.)R mit O so 0#γ#1 an. Durch den zu messenden physikalischen Effekt werden die Widerstände verändert, so daß statt R dann (R+aR) bzw. (R-R) zu setzen ist.
• Mit dieser Darstellung ergibt sich für die bekannte Schaltung nach Fig. 1 bei Speisung mit dem konstanten Strom Ie: und bei Speisung mit der Spannung U Das maximale Ausgangssignal wird wegen des Ausdrucks v.(1-v ) für y 1/2, d.h. bei R1=R2=R=Rq=1;R, erreicht, wie oben erwähnt.
• Berechnet man dagegen die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 3, so erhält man (solange 11 klein gegen die Verstärkung V bleibt) in den beiden Fällen: bzw. bei Spannungespeisung: Hier fehlt (im Vergleich zur passiven Brücke nach Fig.1) ein Faktor 9(, d.h. schon bei symmetrischer Brücke (=1/2) ist das Signal doppelt so groß. Durch Verringern von d.h. des Verhältnisses R1/(R1+R2) kann das Signal fast noch um einen weiteren Faktor 2 vergrößert werden.
• Zur weiteren Erläuterung zeigt Fig. 4 noch einmal das Widerstandsnetzwerk und zwar links in der gewohnten Weise und rechts in elektrisch identiseherfi aber räumlich anders aufgeteilter Anordnung.
• Bei der physikalischen Realisierung in Dünn- (oder auch Dick-) filmtechnik wird jeder dieser Widerstände häufig durch eine Mäanderstruktur verwirklicht, um einen großen Widerstandswert zu erzielen. Fig. 5 zeigt eine Struktur, die der rechten in Fig. 4 entspricht, bei der links die Widerstände mit Widerstandszunahme und rechts diejenigen mit Widerstandsabnahme vorgesehen sind. Wenn jeder der 12 Einzelwiderstände RE z.B. 100#hat, ist im Ruhezustand R1=R2-R3-R4- 300>L. Wird die maximale Widerstandsänderung + 1% und fließt ein Strom 1e= 10 mA, so ergibt sich in der bekannten Schaltung nach Fig. 1 ein Ausgangssignal a von 30 mV. Die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 3 liefert dagegen bei gleicher Widerstandsaufteilung = 60 mV.
• Eine noch weiter verbesserte Lösung zeigt Fig. 6. Hier ist die Summe der Widerstände (und damit der kostenbestammende Flächenbedarf) gegenüber Fig. 5 unverändert -die Aufteilung der Widerstände jedoch modifiziert. Es ergibt sich in diesem Beispiel R1=R3=100L , R2=R4=500A.
• Dies entspricht y=1/6 (gegenüber y=1/2 bei Fig. 5). Damit erhält man durch diese Anordnung nach Fig. 3 unter sonst gleichen Bedingungen: Ua = 100 mV (bei der Schaltung nach Fig. 1 hingegen nur 16,7 mV).
• Besteht die Struktur dagegen aus 20 Einzelwiderständen (à 60wo, so daß sich der Gesamtwiderstand nicht ändert), setzt man zweckmäßigerweise R1/R2 = R3/R4 = 1/9 bzw.
• y=1/10. Das Ausgangssignal a der Schaltung nach Fig. 3 steigt dadurch auf 108 mV.
• Die hier vorausgesetzte Stromspeisung empfiehlt sich dann, wenn die absolute Widerstandsänderung zur R gemessen werden soll, z.B. bei magnetoresistiven Widerständen.
• Bei Dehnungsmeßstreifen ist es sinnvoller, » R/R zu messen.
• Das wird, wie bei der bekannten passiven Brücke, durch Speisung mit konstanter Spannung Ue erreicht. Wie die obigen Formeln zeigen, gelten die gleichen Regeln für Widerstandsaufteilung (Wahl von y) und Gewinn gegenüber dem Bekannten.
• Es sei hier bemerkt, daß die erfindungsgemäß vorgeschlagene Schaltungsanordnung einen Anschlußpunkt mehr benötigt, da die Widerstände R2 und R4 nicht miteinander verbunden sein dürfen. Es sind also fünf Zuleitungen erforderlich. Dies bereitet jedoch keine Schwierigkeiten.
• Um Mißverständnissen vorzubeugen, sei noch erwähnt, daß die hier empfohlene Brückendimensionierung auf anderen Grundsätzen beruht als die einer Auswerteschaltung für einen temperaturabhängigen Widerstand, die formal eine Brückenschaltung ist. Eine Dimensionierungsvorschrift findet sich z.B. in der schon genannten Druckschrift "SA 100 SENSORS & SYSTEMS". Daraus ist zu entnehmen, daß die Schaltung nur einen aktiven Widerstand, R4, enthalten darf; der Widerstand R3 dient der Linearisierung und ist exakt festgelegt, und das Verhältnis R1/R2 ist durch den geforderten Nullpunkt gegeben. Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Schaltung kann dort z.B. nicht auf optimales Ausgangssignal dimensioniert werden oder das Ausgangssignal durch mehrere aktive Widerstände vergrößert werden.

Claims (5)

1. PATENTANSPRUCHE Schaltungsanordnung mit einer Brückenanordnung aus vier Widerständen, von denen wenigstens einer einer seinen Widerstandswert verändernden physikalischen Größe unterworfen ist, und wobei die Brückenausgangsspannung einem Differenzverstärker zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung der physikalischen Größe entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenwiderstände (R1, R2, R3, Rj> R4) zugleich als Arbeitswiderstände des Differenzverstärkers (Op) geschaltet und bemessen sind.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände Dehnungsmeßstreifen sind.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände magnetoresistive Elemenge sind.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Widerstände ein temperaturabhängiger Widerstand ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Widerstände als mehrlagiger Widerstand ausgebildet ist.