-
Brückenstrom-Verstärkerschaltung Die Erfindung betrifft eine Brückenstrom-Verstärkerschaltung,
bei der ein erster Brückenzweig durch einen veränderlichen Widerstand gebildet ist,
der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers
liegt und bei der ein zweiter Brückenzweig den invertierenden und ein dritter Brückenzweig
den nicht invertierenden Verstärkereingang mit .einer Spannungsquelle verbindet
und diese sowie der am nicht invertierenden Verstärkereingang liegende vierte Brückenzweig
einseitig mit dem Nullpotential des Verstärkers verbunden sind.
-
Es ist bekannt, derartige Schaltungen als Neßumformer zu verwenden.
Dabei wirkt der im ersten Brückenzweig liegende veränderliche Widerstand als Fühler,
dessen Widerstandswert durch den Einfluß einer physikalischen Größe, z.B. der Temperatur,
sich ändert. Ein Vorteil dieser Schaltung ist die lineare Abhängigkeit der Verstärkerausgangsspannung
bzw. des Verstårkerausgangsstromes von der Widerstandsänderung. Soll anstatt des
Neßumformers ein Regler eingesetzt werden, der die physikalische Größe auf einen
einstellbaren Sollwert regelt, so ist es vorteilhaft, wenn die Sollwertskala, z
.3 die eines Sollwert-Potentiometers, ebenfalls linear ist. Die Regelschaltung erfordert
einen Vergleich von Soll- und Istwert. Dieser wird wegen des unnötigen Aufwandes
zweckmäßig nicht erst am Ausgang eines Neßumformers durchgeführt, sondern erfolgt
bereits innerhalb der Brückenschaltung. So ist es bekannt, eine übliche Widerstandsbrücke
zu verwenden, bei der im ersten Brücken-Zweig der Widerstandsfühler und im zweiten
Brückenzweig ein Festwiderstand liegen und der dritte und vierte Brückenzweig durch
das Sollwert-Potentiometer, dem beidseitig åe 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 Brückendiagonae.
Um ausreichende Leistung zum Betreiben von Schalt:- und Neßger;te1 zu erhalten,
verwendet man zur Verstärkung der Brückenspannung in sich gegengekoppelte Verstärker,
deren Einfluß auf den Br<e kenabgleich vernachlässigbar klein sein soll. Es sind
verschiedene Variationen derartiger Schaltungen bekannt, deren Ziel es ist, nach
Möglicnkeit folgende Eigenschaften zu vereinen: 1. Kein Einfluß des Schleiferübergangs-Widerstandes
auf die Messung.
-
2. Linearer Zusammenhang zwischen der Widerstandsänderung des Fühlers
und der Schleiferstellung des Sollwert-Potentiometers.
-
3. Möglichst geringer Aufwand bei der Stromversorgung der Brücke.
-
Während der Einfluß des Schleiferübergangs-Widerstandes 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 zwangsläufig 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 llnmittelbar der Stromversorgungsquelle des Verstärkers entnommen werden,
da eine Potentialtrennung zwischen beiden Versorgungsquellen 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 Konstant stromquellen
können
nun zwar aus der Stromversorgungsquelle des Verstärkers gespeist werden, das Verhältnis
der Ströme muß jedoch sehr konstant sein, wenn keine Fehler auftreten sollen und
der Aufwand an Bauelementen ist trotzdem noch sehr große Es liegt nun der Gedanke
nahe, die eingangs gekennzeichnete und bei Meßumformern bewährte Brückenverstärkerschaltung
fur regelungstechnische Zwecke umzugestalten. Dabei gilt es, die bisher nach dem
Ausschlagverfahren arbeitende Schaltung durch Einfügen eines Potentiometers im Nullabgleich-Verfahren
zu betreiben. Schwierigkeiten bereitet jedoch die Forderung, daß bei Abgleich der
Brücke der Weg des Potenti ometer schl eif ers 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 Brückenschaltungen
abweichende Verhältnisse ergeben. Dennoch erscheint es technisch nahe liegend, die
Schaltung derart aufzubauen, daß ein Potentiometer, dessen Schleifer mit einem Widerstandsende
kurzgeschlossen ist, entweder in Reihe zum Fühlerwiderstand, also in den ersten
Brückenzweig, oder in den benachbarten vierten Brückenzweig geschaltet wird; denn
bei einer derartigen, Potentiometeranordnung gelten die bekannten BrückenabgleichbedingungenO
Schaltet man das Potentiometer in Reihe zum Fühlerwiderstand so muß der Potentiometerwiderstand
gleich der maximalen Widerstandsänderung des Fühlers innerhalb des vorgegebenen
HeB-bereiches sein, d.h. der Gesamtwiderstand des ersten Bücken zweiges muß bei
Brückenabgleich immer konstant bleiben0 Eine derartige Schaltung beinhaltet jedoch
mehrere Nachteilen Die Bedingung, daß der Potentiometerwiderstand gleich der maximalen
änderung des Fühlerwiderstandes sein soll, ist insbesondere dann storens wenn zum
Zwecke hoher Auflösung das Potentiometer aus einem einfachen Schleifdraht bestehen
soll, dessen Widerstand weit niedriger als der genormte Fühlerwiderstand ist.
-
Des weiteren gehen bei einem einseitig kurzgeschlossenen Po tentiometer
Schwankungen des Schleiferübergangs-Widerstandes
voll in die Messung
ein, was natürlich vermieden werden soll und außerdem ist der Endwert eines mit
Toleranzen behafteten Potentiometers nur schwer abzugleichen, ohne seine lineare
Einstellcharakteristik zu verfälschen. Entsprechendes gilt für eine Schaltung, bei
der das Potentiometer im vierten Brückenzweig liegt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Nachteile bekannter Brückenabgleichmethoden
zu vermeiden, also eine Brückenschaltung so aufzubauen, daß die Stromversorgung
von Brücke und Verstärker mit möglichst geringem Aufwand, d.h aus derselben Spannungsquelle
und ohne Einprägung eines stabilisierten Stromes in die Brücke erfolgen kann. Weiterhin
soll der Vbergangswiderstand am Potentiometerschleifer nicht in die Messung eingehen
und es soll trotzdem eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Schleiferweg des Potentiometers
und der Widerstandsänderung des Fühlers bestehen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß ein Potentiometer so in die Brücke eingefügt ist, daß je nach
Stellung seines Schleifers, der mit den invertierenden Verstärkereingang verbunden
ist, ein Teil seines Gesamtwiderstandes sich zum ersten Briickenzweig und der restliche
Potentiometerwiderstand zum zweiten Brückenzweig addiert, und daß die am Verstärkerausgang
liegende Spannung auf Null abgeglichen ist, wenn der Schleifer des Potentiometers
eine Stellung einnimmt, die linear von dem Wert eines im ersten Brückenzweig liegenden
unbekannten Widerstandes bzw. der Widerstandsänderung eines bekannten Widerstandes
abhängt.
-
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet. Die besonderen Vorteile der Schaltung liegen bei Verwendung eines
Verstärkers mit ausreichend hoher Verstärkung darin, daß das Potentiometer und der
Fühlerwiderstand vom selben Strom durchflossen werden und dieser Strom auch von
Änderungen des Fuhlerwiderstandes unabhängig ist. Der Verstärker sorgt also nicht
nur für eine Verstarkung der Brückenspannung, sondern übernimmt sozusagen auch die
Aufgabe der Stromeinprägung und verhindert außerdem eine Beeinflussung der Meßgenauigkeit
durch Versorgungs-Spannungs schwankungen.
Weiterhin ist bei richtiger
Wahl der Brückenwiderstände die Schleiferstellung des Potentiometers ein streng
lineares Abbild'der Widerstandsänderung des Fühlers.
-
Ein Aus£ührungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden naher beschrieben.
-
Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Brückenstrom-Verstärkerschaltung
mit Abgleich-Potentiometer.
-
Fig. 2 das Schaltbild von Fig. 1 in abgewandelter Form zur Erzielung
einer höheren Verstärkung.
-
Wie Fig. 1 zeigt, liegt ein Differenzverstärker 1 im Diagonalzweig
einer Widerstandsbrücke und wird über zwei Zenerdioden 2,3 mit Spannung versorgt.
Die Stromversorgung der Brücke erfolgt aus der selben Spannungsquelle. Den ersten
Brückenzweig, der zwischen Verstärkerausgang und dem invertierenden Verstärkereingang,
liegt, bilden ein veränderlicher Fühlerwiderstand 4 und ein von der Stellung des
Schleifers abhängiger Widerstand 5b des Potentiometers 5. Der restliche Potentiometerwiderstand
5a und ein Widerstand 6 ergeben den zweiten Brückenzweig. Zwischen einem Widerstand
-7 im dritten und einem Widerstand 8 im vierten Brückenzweig ist der nicht invertierende
Verstärkereingang angeschlossen.
-
Die Widerstände 7 und 8 können als ein an der Zenerdiode 2 liegender
Spannungsteiler aufgefaßt werden. Der.Verstärker sorgt nun über den von den Widerständen
4 und 5b gebildeten Gegenkopplungskreis dafür, daß die an den Widerständen 6 und
5a abfallende Spannung gleich dem Spannungsabfall am Widerstand 7 ist. Die Schaltung
entspricht einer Parallel-Gegenkopplung. Da bei hoher Verstärkung die Differenz
spannung an den Verstärkereingängen sowie die Eingangsströme bekanntlich genen Null
gehen, fließt über den eraten und zweite.n Brückenzweig
ein Strom,
der nur von der Spannung am Widerstand 7 und der Summe der Widerstände 6 und 5a
abhängt. Bei abgeglichener Brücke, d.h., wenn der im ersten Brückenzweig fließende
Strom an den Widerständen 5b und 4 einen Spannungsabfall erzeugt, der gleich der
Spannung am Widerstand 8 ist, zeigt ein Anzeigeinstrument 9 mit seinem Vorwiderstand
10 eine Ausgangsspannung Null. Von Null abweichende Spannungen können vom Verstärkerausgang
abgenommen und z.B. einem weiteren Verstärker oder Trigger zugeführt werden.
-
Die Wirkungsweise der Schaltung ist bis dahin leicht zu übersehen
und im Prinzip auch bekannt. Wesentlich schwieriger ist es, die Tatsache zu erfassen,
daß es gelingt, die Werte der Brückenwiderstände in einem solchen Verhältnis festzulegen,
daß die Stellung des Schleifer eines an der gekennzeichneten Stelle eingefügten
Potentiometers 5 ein lineares Abbild der Änderung des Widerstandes 4 bei abgeglichener
Brücke ist. Obwohl die Schaltung nach Fig. 1 scheinbare Ahnlichkeit mit bekannten
Brückenschaltungen hat, bei denen ebenfalls ein Potentiometer auf 2 Brückenzweige
verteilt ist, ergeben sich durch das Einfügen des ersten Brückenzweiges in den Gegenkopplungskreis
des Verstärkers grundsätzlich andere Verhältnisse. So scheint der Umstand, daß eine
Verschiebung des Potentiometerschleifers sowohl eine Änderung des Stromes wie auch
eine Anderung des Potentiometerwiderstandes 5b im ersten Brückenzweig verursacht,
eine Linearität auszuschließen. Wenn jedoch der Potentiometer-Widerstand 5 wesentlich
kleiner als der Widerstand 4 ist, was bei Verwendung eines Schleifdrahtes und eines
genormten Temperaturfühlere zwangsläufig gegeben ist, dann führen folgende Verhältnisse
zu Abgleich der Brückenschaltung. Die Potentiometerwiderstände 5a und 5b müssen
ein lineares Abbild der Schleiferstellung sein, dann ist bei linearer Änderung des
Whlerwiderstandes 4 auch die Änderung der Summe der Widerstände 5b und 4 linear.
Da auch der im ersten Brückenzweig fließende Strom ein lineares Abbild der Schleiferstellung
ist, müssen di. Brückenwiderstände So dirontioniert werden, daß bei abgegliohenor
Brückenverstärkerschaltung die Linderung des den ersten Br«oensw.is durchfließenden
Stromes die Veränderung des Gesamtwiderstandes
5b und 4 derart
aufhebt, daß der Spannungsabfall an diesem Brückenzweig gleich bleibt. Genauer gesagt,
für die Schleiferstellung a gilt die Beziehung a , R 7 R ¢ R 5 (R 7 + R 8) Der wesentliche
Unterschied der in Fig. 2 dargestellten Schaltung gegenüber Fig. 1 besteht darin,
daß durch Einfügen eines aus den Widerständen 11 und 12 bestehenden Spannungsteilers
die Verstärkung der Schaltung erhöht wird. Dadurch liegt bei nicht abgeglichener
Brückenschaltung eine erhöhte Spannung am Verstärkerausgang und ein nachgeschalteter
Trigger kann entsprechend unempfindlich sein. Der Widerstand 13 dient zum Abgleich
des Beitungswiderstandes 14 und das Po;tentiometer 7b,8b erlaubt eine Verschiebung
des Brückenabgleichpunktes. Außerdem ist das toleranzbehaftete Potentiometer 5 durch
ein parallel geschaltetes Trimm-Potentiometer 15 auf seinen Endwert abgeglichen.
-
Es liegt auf der Hand, daß die Schaltungen nicht nur bei Reglern verwendet
werden können, sondern sich ebenso zur Verwendung als Widerstandsmeßbrücke eignen.
Man kann auch das Potentiometer 4 mit stufig veränderlichen Widerständen kombinieren
bzw. durch solche ersetzen, z.B. um digital messen oder regeln zu können.