Entkopplung von Schaltungsteilen

Für die Messkette schalten wir Funktionsblöcke als Schaltungsteile zusammen. Dabei ermitteln wir die Übertragungsfunktionen der einzelnen Blöcke und multiplizieren diese anschließend (siehe Übertragungsfunktion). Für diese Herangehensweise ist es wichtig, dass das Zusammenschließend der Schaltungsteile deren Funktion nicht beeinträchtigt. Wie so eine Beeinträchtigung zustande kommen kann erkläre ich in diesem Kapitel.
Nehmen wir als Sensor erneut den PT100 an der Stromquelle mit I0=10mA. Den Sensor schließen wir an einen invertierenden Verstärker an. Es ergibt sich folgendes Schaltbild:

Es gilt für die Sensorspannung


US=RPT100∙IPT100

Bisher sind wir davon ausgegangen, dass der Strom der Stromquelle vollständig durch den PT100 fließt. Wenn wir nur den Funktionsblock aus Stromquelle und PT100 betrachten, dann fließt der Quellenstrom auch vollständig durch den PT100, es gilt:

I0=IPT100

US=RPT100∙I0

Durch das Zusammenschalten mit dem Verstärker fließt aber ein Teil des Quellenstroms durch R1 und R2. Diesen Strom bezeichne ich als I1. Für den Strom am PT100 gilt dann mit der Knotengleichung

IPT100=I0-I1

Damit ändert sich die Sensorspannung zu

US=(I0-I1)∙RPT100

Für den Strom I1 gilt (erste Masche des invertierenden Verstärkers)

I1= US R1

Der Strom, der den Fehler verursacht, ist auch noch abhängig von der Sensorspannung, also von der Messgröße Temperatur. Der Effekt kann zwar digital korrigiert werden, es ist aber eleganter ihn zu vermeinden.
Wenn eine OP-Schaltung eingesetzt wird, in die kein Strom hineinfließt, dann tritt der Effekt gar nicht erst auf. Wir können z. B. einen Buffer zwischen Sensor und invertierendem Verstärker verbauen. Die Schaltung sieht dann folgendermaßen aus:

Da der Buffer die Übertragungsfunktion H=1 hat, ändert sich die Gesamtübertragungsfunktion nicht, denn diese wird nur mit dem Faktor 1 multipliziert. Der Quellenstrom fließt jetzt vollständig durch den PT100, denn in den Eingang des Buffers fließt kein Strom. Der Strom am Ausgang des Buffers ist unkritisch, denn der Ausgang eines OPs bildet eine ideale Spannungsquelle. Die Ausgangsspannung des Buffers ist also unabhängig vom Ausgangsstrom. Allerdings benötigen wir jetzt einen zusätzlichen OP.
Wir können alternativ auch einen nicht invertierenden Verstärker einsetzen:

Jetzt fließt ebenfalls kein Strom in den nicht invertierenden Eingang des OPs. Die Verstärkung ist jetzt positiv. Sie sehen, dass es unterschiedliche Lösungen gibt, die alle gemeinsam haben, dass wir mit OP-Schaltungen dafür sorgen, dass aus dem Sensor kein Strom in die analoge Signalverarbeitung hineinfließt. Wenn zwischen den Blöcken kein Strom fließt (oder nur so wenig, dass sich der Effekt ausreichend wenig auf die Messunsicherheit auswirkt), dann sind beide Schaltungsteile entkoppelt.

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