DE2811668A1

DE2811668A1 - Anpassungsschaltung fuer hochohmige spannungsquellen

Info

Publication number: DE2811668A1
Application number: DE19782811668
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Alfons Woehrl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Spies Hans 8068 Pfaffenhofen De Woehrl Alfons
Priority date: 1978-03-17
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1979-09-20
Also published as: DE2811668C2

Description

Anpassungsschaltung für hochohmige Spannungsquellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anpassungsschaltung für hochohmige Spannungsquellen gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Unter hochohmigen Spannungsquellen sollen hier nur solche verstanden werden, die aufgrund einer äußeren Einwirkung ein Signal abgeben, wie z.B. Piezokristalle oder Piezokeramiken bzw.
Kondensatormikrofone. So werden Piezokeramiken z.B. in Automobilen als Aufprallsensoren für die Auslösung einer Sicherheitseinrichtung, z.B. eines Luftkissens oder eines Sicherheitsgurtes verwendet, die ein niederfrequentes Spannungssignal erst bei Einwirkung eines Druckes, in diesem Fall bei einem Aufprall des Fahrzeuges auf ein Hindernis, abgeben.
Für derartige hochohmige Spannungsquellen sind aufwendige Anpassungsschaltungen notwendig, um das Ausgangssignal der Spannungsquelle möglichst unabhängig von kurz- und langzeitigen Störungen zu halten. Dies liegt insbesondere daran, daß die Stromstärke des Ausgangssignales derartiger Spannungsquellen im Bereich von Pikoamperes liegt und damit wegen der hohen Verstärkung der Operationsverstärker in die Größenordnung von Stör- und Streuströmen innerhalb der damit verbundenen Schaltungen fällt.
Das Ausgangssignal der Spannungsquelle wird insbesondere durch aktive Schaltungselemente, d.h. in diesem Falle Operationsverstärker beeinflußt. Operationsverstärker weichen trotz gleicher Bauart in ihren Kenndaten voneinander ab, wobei sozusagen als Güte des Operationsverstärkers die Eingangsfehlspannung bzw. Offset-Spannung angesehen werden kann: diese Fehlspannung gibt den Wert der an den Eingängen angelegten Spannung an, die ein Ausgangssignal NULL zur Folge hat; die Eingangstehlspannungen unterschiedlicher Operationsverstärker schwanken typisch zwischen 0.5 und 5 Millivolt Diese Eingangsfehlspannung und die damit zusammenhängende Beeinflussung des Ausgangssignals der hochohmigen Spannungsquelle müssen durch aufwendige Anpassungsschaltungen ausgeglichen werden, die noch dazu an unterschiedliche, in ihren Kenndaten auseinanderfallende Operationsverstärker angepaßt werden müssen Das gleiche gilt für Eingangsstrom und Eingangsstromdifferenz von Operationsverstärkern.
Zudem muß bedacht werden, daß Operationsverstärker während ihrer gesamten Betriebsdauer in ihrer Güte nicht konstant bleiben, sondern einem natürlichen Alterungsprozeß unterliegen, durch den sich im Laufe der Zeit die Eingangsspannung und andere das Ausgangssignal der hochohmigen Spannungsquelle beeinflussende Kenndaten ändern. Diese Anderung liegt ebenfalls in einer Größenordnung, die die Güte des Ausgangssignales der hochohmigen Spannungsquelle erheblich beeinträchtigt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anpassungsschaltung für hochohmige Spannungsquellen anzugeben, mit der auf einfache Weise die auf lange Sicht erheblichen Störeinflüsse, insbesondere durch Alterung und Temperatur, zu kompensieren sind Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst Gemäß der Erfindung wird demnach das Ausgangssignal der Anpas sungsschaltung, das gleichzeitig das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ist, über einen Integrator auf das Bezugspotential der hochohmigen Spannungsquelle rückgeführt. Die Zeitkonstante des Integrators und damit dessen Grenzfrequenz ist so festgelegt, daß nur der Teil der Ausgangssignale am Operationsverstärker vom Integrator berücksichtigt wird, der auf die langfrigen Störeinflüsse, d.h. auf die Dritt der Eingangsfehlspannung bzw. auf Einflüsse durch Alterung oder Temperatur zurückzuführen ist, während die tatsächlichen Ausgangssignale der hochohmigen Spannungsquelle, die nach Verstärkung ebenfalls am Ausgang des Operationsverstärkers anliegen, nicht vom Integrator berücksichtigt werden. Durch die Anhebung des Bezugspotentials der hochohmigen Signalquelle entsprechend dem Integral der verstärkten Eingangsfehlspannung wird die Verstimmung der gesamten Schaltung kompensiert, die durch die sich im Lauf der Zeit ausbildende Drift der Eingangsfehlspannung verursacht wird.
Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert; hierin stellen dar: Fig. l ein Schaltbild einer Anpassungsschaltung gemäß der Erfindung für eine hochohmige Piezokeramik; Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausbildungsbeispiels der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine Piezokeramik P, die hier als hochohmige Spannungsquelle dient, mit ihrer einen Elektrode an einem Punkt eines als Bezugspotential dienenden Grundpotentials UG verbunden, während die andere Elektrode an den positiven Eingang eines Operationsverstärkers Vi gelegt ist. Die beiden Elektroden der Piezokeramik sind mit einem Widerstand Rl von hohem Widerstandswert überbrückt, um Ausgangssignale abzubauen, die auf die Pyroelektrizität, d.h. auf Temperaturschwankungen der Piezokeramik zurückzuführen sind.
Der zweite invertierende Eingang des Operationsverstärkers Vl ist über einen Widerstand R2 mit einer Referenzspannungsquelle UR verbunden. Der Ausgang A des Operationsverstärkers V1, der gleichzeitig der Ausgang der gesamten Anpassungsschaltung ist, ist über einen Widerstand R3 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers Vi rückgeführt, so daß die Verstärkung des Operationsverstärkers durch den Ausdruck (R3/R2 + l) bestimmt ist.
Die Piezokeramik dient z.B. als Beschleunigungs- bzw. Aufprallsensor einer Auslöseschaltung für eine Sicherheitseinrichtung in Automobilen,z.B. ein Luftkissen oder einen Sicherheitsgurt, so daß hier lediglich Ausgangssignale zu berücksichtigen sind, die entsprechend den Drücken auf die Piezokeramik bei einem Aufprall des Fahrzeugs auf ein Hindernis nieder- und hochfrequente Schwingungen sind.
Das Grundpotential UG der Piezokeramik wird über einen Integrator I abgeleitet, der hier aus einem Operationsverstärker V2, einem Widerstand R4 und einem Kondensator Cl besteht. Der eine Eingang des Operationsverstärkers V2 ist mit der Referenzspannungsquelle UR verbunden, während der andere, invertierende Eingang des Operationsverstärkers mit dem Ausgang A des anderen Operationsverstärkers Vl über den Widerstand R4 verbunden ist.
Dieser Eingang ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über den Kondensator Cl verbunden. Der Ausgang des Verstärkers V2 ist mit dem Punkt des Grundpotentials UG verbunden.
Die Zeitkonstante des Operationsverstärkers V2, die durch die Werte von R4 und Cl bestimmt ist, ist so gewählt, daß lediglich sehr langsame Anderungen der Eingangsspannung am Operationsverstärker Vi vom Integrator I bearbeitet werden, die etwa auf der über lange Zeit wirkenden Drift der Eingangsfehlspannung des Operationsverstärkers Vl beruhen. Lediglich diese Ausgangssignale des Operationsverstärkers VI werden von dem Integrator I berücksichtigt und dienen dazu, das Grundpotential der Piezokeramik anzuheben und die genannte Drift zu kompensieren; die hoch- und niederfrequenten Ausgangssignale der Piezokeramik werden - ausgehend von dem von langfristigen Störeinflüssen bereinigten Bezugs potential - durch den Operationsverstärker Vi verstärkt und können am Ausgang A abgenommen werden; sie sind daher frei von uberlagerten Langzeitstörsignalen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 ist im wesentlichen gleich dem in der Fig. l dargestellten, so daß auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Die Piezokeramik ist mit einer Elektrode an Nasse und mit der zweiten Elektrode an den positiven Eingang des Operationsverstärkers V1 geschaltet. Der Ausgang des Integrators I ist über den Widerstand Rl' mit der Elektrode der Piezokeramik und dem positiven Eingang des Operationsverstärkers Vi verbunden. Als Bezugspotential UG' für die Piezokeramik dient hierbei ebenfalls das Potential am Ausgang des Integrators.
Die Schaltung hat den Vorteil, daß durch die einseitige Schaltung der Piezokeramik an Masse die Montage und Abschirmung einfacher ist.
Die Wirkungsweise dieser Anpassungsschaltung ist identisch der zum obigen Ausführungsbeispiel beschriebenen: auch hier wird das Bezugspotential der hochohmigen Spannungsquelle korrigiert um die Anteile, die auf langfristigen Störeinflüssen bestehen.
Die angegebenen Anpassungsschaltungen haben einen sehr einfachen Schaltungsaufbau und können mit handelsüblichen Bauelementen einfach hergestellt werden.

Claims

Anpassungsschaltung für hochohmige Spannungsquellen Patentansprüche Anpassungsschaltung für hochohmige Spannungsquellen, wie einen Piezokristall, eine Piezokeramik, ein Kondensatormikrofon od.dgl., wobei die Spannungsquelle mit einem Eingang eines Operationsverstärkers zum Verstärken der Ausgangssignale der Spannungsquelle verbunden ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ausgang (A) des Operationsverstärkers (V1) über einen Integrator (1; V2, R4, C) mit einer als Bezugspotentialpunkt für die Spannungsquelle (P) dienenden Elektrode verbunden ist, und daß die Zeitkonstante (R4 und C) des Integrators (I) wesentlich größer als die mittlere Anstiegszeit der Ausgangssignale der hochfrequenten Spannungsquelle ist
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Integrator (I) einen Operationsverstärker (V2), einen Widerstand (R4) und einen Kondensator (C1) aufweist, daß der Verstärker (V2) mit einem Eingang an eine Referenzspannungsquelle (UR) und mit dem anderen Eingang einerseits über den Widerstand (R4) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (Vq) und andererseits über den Kondenssator (C1) mit seinem Ausgang und mit dem Bezugsptentialpunkt (UG) der hochohmigen Spannungsquelle (P) verbunden ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, durch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Referenzspannungsquelle (UR) für beide Operationsverstärker (V1,V2) die Referenzspannung liefert.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die eine Elektrode der hochohmigen Spannungsquelle (P) mit dem positiven Eingang des ersten Operationsverstärkers (V1) und der Widerstand (R4) des Integrators (I) mit dem negativen bzw. invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (V2) des Integrators verbunden sind.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Elektroden der hochohmigen Spannungsquelle (P) durch einen hochohmigen Widerstand (R1) überbrückt sind, und daß der Ausgang des Integrators (I) mit der dem Operationsverstärker (VO) abgewandten Elektrode der Spannungsquelle verbunden ist.
6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche l bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Elektrode der hochohmigen Spannungsquelle (P) an Masse liegt,und daß der Ausgang des Integrators (I) über einen Widerstand (R1') mit der anderen Elektrode der Spannungsquelle verbunden ist.