Entkopplung von Schaltungsteilen

Für die Messkette schalten wir Funktionsblöcke als Schaltungsteile zusammen. Dabei ermitteln wir die Übertragungsfunktionen der einzelnen Blöcke und multiplizieren diese anschließend. 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.

Wassermodell

Betrachten wir zur Erklärung das Wassermodell. Sie bauen eine Schaltung, mit der ein kleines Wasserrad angetrieben wird. Dafür haben Sie eine Wasserquelle als See verfügbar. Sie können ein Rohr wählen, durch das genau die richtige Menge Wasser aus der Quelle auf das Rädchen fließt. Das Rädchen dreht sich so schnell wie es soll. Wäre das Rohr dicker, würde zu viel Wasser fließen. Wäre es dünner, käme zu wenig Wasser am Rad an. Die Schaltung funktioniert wunderbar, Sie freuen sich.

Jemand kommt auf die Idee, Ihre Schaltung in einer Messkette einzusetzen. Sie wird also zwischen zwei andere Schaltungen verbaut. Der Ausgang Ihrer Schaltung ist die Eingangsgröße der nächsten Schaltung. Das bedeutet in der Elektrotechnik: Die Ausgangsspannung Ihrer Schaltung wird als Eingangsspannung der nächsten Schaltung genutzt.

Es gibt eine Verbindung zwischen den Schaltungen. Die andere Schaltung zieht Ihnen – ohne zu fragen – etwas Wasser unten aus dem Rohr ab. Das geschieht automatisch durch das Zusammenschalten. Damit dreht Ihr Rad jetzt zu langsam, denn es fehlt Wasser. Sie bekommen das mit und fummeln so lange am internen Rohr rum, bis die Wassermenge wieder passt.

Jetzt kommt der nächste und schließt eine etwas andere Schaltung an ihre Schaltung an, eine mit einem etwas dickeren Rohr. Sie zieht mehr Wasser aus Ihrer Schaltung heraus. Auf diese Weise können Sie keine Schaltung bauen, die jeder einfach direkt in eine Messkette integrieren kann. Sie können nicht jedes Mal das Rohr anpassen, insbesondere wenn Sie 100000 identische Schaltungen verkaufen. Was tun?

1. Sie können dafür sorgen, dass idealerweise gar kein Wasser aus Ihrer Schaltung herausfließt. Wenn Sie ein netter Ingenieur sind, dann sorgen Sie auch dafür, dass kein Wasser aus der vorherigen Schaltung in Ihre Schaltung hineinfließt. Wie kann das realisiert werden? Das Rohr am Eingang jeder Schaltung, mit dem es die davor liegende Schaltung anzapft, muss möglichst eng sein.

2. Sie können dafür sorgen, dass am Ausgang Ihrer Schaltung immer genügend Wasser bereitsteht. Es ist dann egal, wieviel die Schaltung nach Ihnen abzapft. Idealerweise haben Sie am Ausgang Ihrer Schaltung einen See mit unendlich viel Wasser, dessen Wasserpegel immer konstant ist.

Elektrotechnische Problemstellung

Zurück zur Elektrotechnik. Wenn Sie zwei Schaltungen zusammenschließen, fließt i. A. Strom von einer Schaltung in die andere. Dadurch wird die Funktion der Schaltungen beeinflusst, denn Sie wissen vorher nicht, wie viel Strom die andere Schaltung zieht.

Nehmen wir als Beispiel einen PT100 als Sensor an einer Stromquelle mit I0 = 10mA. Den Sensor schließen wir an einen invertierenden Verstärker an. Wir ersetzen die ideale Spannungsquelle vor R1 jetzt durch einen Sensor. Es ergibt sich folgendes Schaltbild:

Betrachten wir nur den Sensor ganz links. Bisher sind wir davon ausgegangen, dass der Strom der Stromquelle vollständig durch den PT100 fließt. Dann gilt für die Sensorspannung US = RPT100 ∙ I0.

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

Der Strom I1 wird nicht vom Sensor-Teil aus RPT100 und Stromquelle bestimmt, sondern von der angeschlossenen nächsten Schaltung.

Für den Strom I1 gilt (linke Masche des invertierenden Verstärkers):

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 vermeiden.

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 in der Schaltung. Und der kostet Geld.

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 Lösungen haben alle gemeinsam, 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 bezeichnen wir beide Schaltungsteile als „entkoppelt“.

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