Analogtipp

Spannungs/Strom-Wandler mit hoher Genauigkeit

| Autor / Redakteur: Frank Ciarlone * / Kristin Rinortner

Bild 1: Basisschaltung eines Spannungs/Strom-Wandlers. Der Wandler liefert Strom nur in eine Richtung. β ist der Stromverstärkungsfaktor von Q1.
Bild 1: Basisschaltung eines Spannungs/Strom-Wandlers. Der Wandler liefert Strom nur in eine Richtung. β ist der Stromverstärkungsfaktor von Q1. (Bild: Analog Devices)

Mit zwei Instrumentenverstärkern und zwei Transistoren lässt sich eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Genauigkeit von 0,01% entwickeln. Diese Stromquelle arbeitet mit einer Eingangsspannung von ±10 V, die direkt proportional zum Ausgangsstrom ist.

Spannungsgesteuerte Präzisions-Stromquellen sind Bestandteile zahlreicher Entwicklungen und werden speziell in Schaltungen mit variablen Lasten benötigt. Beliebte Lösungen, die mehrere Operationsverstärker und einige passive Bauteile enthalten, weisen aufgrund nicht idealer Bauteilecharakteristika einige Fehler auf. Dazu gehören eine endliche Verstärkung bei offener Schleife (AOL), Gleichtaktunterdrückung (CMR), Biasstrom (IB) und Offsetspannung (UOS).

Bei Entwicklungen mit Operationsverstärkern können Präzisionswiderstände zur Einstellung der Verstärkung sowie zusätzliche Kondensatoren zur Stabilisierung erforderlich sein. Darüber hinaus liefern einige Schaltungen Ströme, die nicht direkt proportional zu UIN sind. Der Spannungs/Strom-Wandler in Bild 1 zum Beispiel arbeitet gemäß der Näherung Ic ~ Ie und liefert Strom nur in eine Richtung.

Mit zwei Instrumentenverstärkern und zwei Transistoren (Bild 2) lässt sich eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Genauigkeit von 0,01% entwickeln. Diese Stromquelle arbeitet mit einer Eingangsspannung von ±10 V, welche direkt proportional zum Ausgangsstrom IOUT ist. Die Schaltung bietet auch bei Ausgangsströmen von bis zu 90 mA eine gleich bleibend hohe Genauigkeit.

Instrumentenverstärker mit geringer Drift

Die Instrumentenverstärker AD620 mit geringer Drift und niedrigem Stromverbrauch sind für die Steuerung der Schaltung sowie für die Fehlerkorrektur zuständig. Sie sind jedoch nicht Bestandteil des Ausgangsschaltkreises. Somit können Q1 und Q2 durch Transistoren mit höherer Leistung ersetzt werden, um höhere Ausgangsströme zu erhalten. Die Instrumentenverstärker können für beliebige Verstärkungen zwischen 1 und 10.000 konfiguriert werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung von Eingangssignalen unter 1 mV. Um die gewünschte Verstärkung zu erhalten, schaltet man einfach einen Widerstand über die Eingänge RG (Pins 1 und 8) von U1 und U2.

Der erste Instrumentenverstärker U1 steuert die Basisspannung der Push-Pull Ausgangsstufe. Die Widerstände und die Dioden spannen Q1 und Q2 vor, um Verzerrungen zu eliminieren. U2 wird für die Fehlerkorrektur verwendet und gleicht die Differenzen der UBE–Spannungen aus. Die Fehlerspannung, welche differentiell von der Verbindung zwischen D1 und D2 zu UOUT gemessen wird, wird in den Referenz-Pin von U1 gespeist und zu UIN addiert. Das Resultat ist ein Ausgangsstrom, der direkt proportional zu UIN ist.

Diese Schaltung erzielt über einen Eingangsbereich von ±10 V eine typische DC-Genauigkeit von 0,01%. Bei 1 kHz und einer Ausgangspannung von UOUT = ±5 Vss wird eine AC-Genauigkeit von typisch 1,5% erzielt. Die Schaltung kann durch entsprechende Anpassung der Bauteile natürlich auch für den Betrieb mit nur einer Versorgungsspannung ausgelegt werden. Hierbei sind dann die bekannten Einschränkungen zu berücksichtigen. Die Formeln zur Berechnung des Ausgangsstromes zeigt Bild 4.

Die Vorteile dieser Schaltung sind ein größerer Ausgangsbereich, IOUT direkt proportional zu UIN und hohe Linearität und Genauigkeit.

* Frank Ciarlone arbeitet als Applikationsingenieur bei Analog Devices in Wilmington/USA.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 43816574 / Analog-Tipps)