Konstantstromspeisung für HMU- und HDU

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Konstantstromspeisung für HMU- und HDU-Drucksensoren
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EINFÜHRUNG
Piezoresistive-Drucksensoren auf Siliziumbasis
bestehen aus einer dünnen Membran in die
Widerstände in Form einer Wheatstone-Brücke
eingebettet sind. Bei einer Druckbelastung verändern
sich die elektrischen Widerstände unter dem Einfluss
der mechanischen Spannungen (piezoresistiver
Effekt). Wird die Wheatstone-Brücke mit einer
elektrischen Spannung versorgt, erhält man ein
druckproportionales Sensor-Ausgangssignal.
Die Widerstände im Silizium sowie die
Druckempfindlichkeit der Membran sind
temperaturabhängig und ändern sich über den
Betriebstemperaturbereich des Sensors. Der
Brückenwiderstand erhöht sich mit steigender
Temperatur, während die Empfindlichkeit des
Sensorelements mit steigender Temperatur sinkt.
Um ein temperaturstabiles Ausgangssignal zu
erreichen müssen alle piezoresistiven
Siliziumdrucksensoren temperaturkompensiert
werden. Es besteht die Möglichkeit der passiven
Kompensation über Widerstandsnetzwerke, die
aktive Kompensation z.B. mit Hilfe von
Operationsverstärkern sowie die digitale Korrektur
der Sensorkennlinie mit einem ASIC oder
Mikrocontroller. Unter bestimmten Bedingungen
kann eine Temperaturkompensation auch erreicht
werden, in dem der Strom durch die
Widerstandsbrücke konstant gehalten wird.
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KONSTANTSTROMSPEISUNG
Die Konstantstromspeisung ist eine einfache und
kostengünstige Methode zur Temperaturkompensation
der Messspanne, die die internen Eigenschaften des
Silizium-Sensorelements nutzt. First Sensors HMUund HDU-Drucksensoren sind so entworfen, dass
sich der Brückenwiderstand um nahezu den gleichen
Wert über Temperatur ändert wie die Empfindlichkeit
nur mit entgegengesetztem Vorzeichen (siehe Bild 1
und 2). Wird die Widerstandsbrücke mit einem
konstanten Strom versorgt, erhöht sich die
Brückenspannung mit steigender Temperatur und
kompensiert damit die nachlassende
Empfindlichkeit. Das Ergebnis sind sich selbst
kompensierende HMU/HDU-Drucksensoren mit einem
typischen Fehler der Messspanne von weniger als
±1,5 %FSS über einen Temperaturbereich von 20...+50 °C (siehe Bild 3).
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SCHALTUNGSENTWURF
In Bild 4 und 5 werden zwei Schaltungsbeispiele zur
Konstantstromversorgung von First Sensors HMUund HDU-Drucksensoren gezeigt.
3.1 Konstantstromquelle mit Operationsverstärker
Die Schaltung in Bild 4 verwendet einen
Operationsverstärker zum Aufbau einer
Konstantstromquelle. Die Stromquelle wird durch
eine ±1 % Bandgap-Referenzdiode ZR gesteuert.
Der Brückenstrom IB ergibt sich aus
IB =
(VR − VO )
R2
mit
VR = Dioden-Referenzspannung (1,235 V ±1 %)
VO = Offset-Spannung des OP (~0 V)
R2 = Einstellwiderstand (820 Ω)
Wird ein Operationsverstärker A1 mit einer OffsetSpannung <1 mV sowie ein Widerstand R2 mit einem
Standardwert von 820 Ω und ±0,1 % Toleranz
gewählt, ergibt sich ein Brückenstrom IB = 1,51 mA
mit einer Genauigkeit von typ. ±1,2 %.
3.2 Konstantstromquelle mit Spannungsregler
Die Schaltung in Bild 5 nutzt einen einstellbaren
Präzisions-Spannungsregler (LMV431A) zur
Konstantstromversorgung des Sensors.
Der Brückenstrom IB ergibt sich aus
IB =
VR
R2
mit
VR = Transistor-Referenzspannung (1,235 V ±1 %)
R2 = Einstellwiderstand (820 Ω)
Wird ein Widerstand R2 mit einem Standardwert von
820 Ω und ±0,1 % Toleranz gewählt, ergibt sich ein
Brückenstrom IB = 1,51 mA.
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Brückenwiderstand [Ohm]
Konstantstromspeisung für HMU- und HDU-Drucksensoren
Temperatur [° C]
Empfindlichkeit [mV/(psi*Vs)]
Bild 1: Brückenwiderstand über Temperatur für HMU- und HDU-Drucksensoren
Temperatur [° C]
Fehler der Messspanne [%FSS]
Bild 2: Empfindlichkeit über Temperatur für HMU- und HDU-Drucksensoren
Temperatur [° C]
Bild 3: Typischer Fehler der Messspanne über Temperatur bei Konstantstromspeisung der
HMU- und HDU-Drucksensoren
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Konstantstromspeisung für HMU- und HDU-Drucksensoren
V+
R1
VR
IB = 1,51 mA
+
VO
A1
-
C1
HMU/
HDU
Sensor
-Vout
ZR
R2
+Vout
GND
V+ = >10 V
A1 = LT1490A oder LTC1051
ZR = LT1034-1.2 oder LT1004-1.2
C1 = 0,1 µF
R1 = Festlegung entsprechend LT1034-1.2- oder LT1004-1.2-Datenblatt
R2 = 820 Ohm
Bild 4: Konstantstromquelle mit Operationsverstärker für HMU- und HDU-Drucksensoren
V+
R1
HMU/
HDU
Sensor
-Vout
+Vout
IB = 1,51 mA
T1
Z1
VR
R2
GND
V+ = >10 V
T1 = BC847
Z1 = LMV431A
R1 = Festlegung entsprechend LMV431A-Datenblatt, z.B. 62 kOhm
R2 = 820 Ohm
Bild 5: Konstantstromquelle mit Spannungsregler für HMU- und HDU-Drucksensoren
First Sensor does not assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit described herein, neither does it
convey any license under its patent rights nor the rights of others.
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