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Schaltung Hochgenauer Spannungs/Strom-Wandler mit zwei Instrumentenverstärkern

| Autor: Kristin Rinortner

Spannungsgesteuerte Präzisions-Stromquellen werden in Schaltungen mit variablen Lasten benötigt. Lösungen mit mehreren OPV und passiven Bauteilen weisen einige Fehler auf.

Bild 2: Mit zwei Instrumentenverstärkern und zwei Transistoren lässt sich eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Genauigkeit von 0,01% entwickeln.
Bild 2: Mit zwei Instrumentenverstärkern und zwei Transistoren lässt sich eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Genauigkeit von 0,01% entwickeln.
(Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)
Spannungsgesteuerte Präzisions-Stromquellen werden 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 (CMRR), Biasstrom (IB) und Offsetspannung (UOS).

Bei Schaltungen mit Operationsverstärkern können Präzisionswiderstände zum Einstellen der Verstärkung sowie zusätzliche Kondensatoren zur Stabilisierung erforderlich sein. Darüber hinaus liefern einige Schaltungen Ströme, die nicht direkt proportional zu UIN sind. So arbeiten zum Beispiel Spannungs/Strom-Wandler gemäß der Näherung Ic ≃ Ie und liefern Strom nur in eine Richtung.

 Bild 1: Mit zwei Instrumentenverstärkern und zwei Transistoren lässt sich eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Genauigkeit von 0,01% entwickeln. Bild 1: Mit zwei Instrumentenverstärkern und zwei Transistoren lässt sich eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Genauigkeit von 0,01% entwickeln.

Mit zwei Instrumentenverstärkern und zwei Transistoren (Bild 1) 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 IOUT ist. Die Schaltung bietet auch bei Ausgangsströmen bis zu 90 mA eine gleich bleibend hohe Genauigkeit.

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 erzielen.

Die Instrumentenverstärker lassen sich für beliebige Verstärkungen zwischen 1 und 10.000 konfigurieren. 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.

 Bild 2: Verhalten der Stromquelle als Funktion von Iout Bild 2: Verhalten der Stromquelle als Funktion von Iout

Die Fehlerspannung, welche differenziell 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% erreicht. Die Schaltung kann durch entsprechendes Anpassen der Bauteile auch für den Betrieb mit nur einer Versorgungsspannung ausgelegt werden. Hierbei sind dann die bekannten Einschränkungen zu berücksichtigen.

Die Vorteile dieser Schaltung sind ein größerer Ausgangsbereich, die direkte Proportionalität von IOUT zu UIN und eine hohe Linearität und Genauigkeit wie im obigen Bild gezeigt.

Der Autor: Frank Ciarlone arbeitet bei Analog Devices.

 Formeln zur Berechnung des Ausgangsstromes Formeln zur Berechnung des Ausgangsstromes

Über den Autor

 Kristin Rinortner

Kristin Rinortner

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