Konstantstromspeisung für HMU- und HDU-Drucksensoren 1 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. 2 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). D / 11164 / 0 3 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. 1/3 www.first-sensor.com www.sensortechnics.com 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 D / 11164 / 0 2/3 www.first-sensor.com www.sensortechnics.com 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. D / 11164 / 0 3/3 www.first-sensor.com www.sensortechnics.com