Hallo

Hier nun meine Betrachtungen zur Auslegung des Differenzverstärkers.

Da der Differenzverstärker die Schnittstelle für das Signal zur Umwelt
darstellt, hat er neben seiner eigentlichen Funktion, die zu messende
Differenzspannung in eine auf GND bezogene Spannung zu wandeln,
noch die Funktion die restliche Schaltung vor Überlastungen durch
äußere Einflüsse zu schützen.
Das geschieht einmal durch die bidirektionalen Überspannungsschutzdioden
D1, D2 vom Typ P6KE47CA die die maximale Eingangsspannung auf die
Durchbruchspannung VBR von 44.7V bis 49.4V beschränken. Zudem bilden
die Eingangswiderstände R1, R3 eine wirksame Strombegrenzung im
Fehlerfall. Der vorgesehen Operationsverstärker TS914 von ST ist zudem
intern gegen Latch-Up und 1kV ESD Entladungen abgesichert.

Für den eigentlichen Messvorgang ist der Eingangswiderstand der
Schaltung interessant. Um einen Bezug für die ermittelten Werte
herzustellen betrachten wir ein Oszilloskop und finden dort die Werte
1MOhm und 35pF für die Eingangsimpedanz. Der Eingangswiderstand
für Gleichspannungen des Differenzverstärkers bildet aus den ent-
sprechenden Ein*gangs*widerständen R1, R3 und den parallel dazu
liegenden Widerständen der Spannungs*schutz*dioden D1, D2.
Er beträgt mindestens
Rein = R1 || RD1 = 42MOhm || 1MOhm = 977,52kOhm.
Der Diodenstrom beträgt bei 0V Spannung 0A Strom und bei 42,2V sind
es 1µA die Kennlinie scheint dem Diagramm nach in diesem Bereich linear
zu sein . Daraus ergibt sich RD1 = 42,2V / 1µA = 42,2MOhm.
In die Impedanz dürfte, neben den parasitären Kapazitäten der Bauteile,
auch das Layout mit einen nicht unerheblichen Teil eingehen, so das
Aussagen dazu erst nach Aufbau eines Prototyps zu machen sind.

Die Verstärkung des Differenzverstärkers soll vDif=0,05=R2/R1 betragen.
R1, R3 werden zu 1MOhm und R2, R4 zu 50kOhm gewählt. Bei Verwendung
von Widerständen mit 0,1% Toleranz ist R5 zum Ab*gleich der Gleichlauf-
eigenschaften mindestens mit einem Einstellbereich von ±0,4% aus*zu*legen.

Dazu wird der Widerstandswert R2 durch eine Reihenschaltung von zwei
Potentiometern R2_P1, R2_P2 und einem Festwiderstand R2_R realisiert.
Die Tabelle 1 zeigt für einen 0,5% Einstellbereich die sich ergebenden
Widerstandswerte und den minimal abstimmbaren Spannungsbereich.

Bild hier  
Tabelle1

An den Eingängen INP+, INP- des Rail-to-Rail-OP dürfen Spannungen
UINP+, UINP- im Bereich der Be*triebsspannung anliegen.
Zur Berechnung dieser Verstärkerstufe wird von einer Betriebsspannung mit
UOP1+ = 3V und UOP1- = -3V ausgegangen.
Daraus ergibt sich eine maximal erlaubte Eingangsspannung
±UV1+/V1- = R1/(R1+R2)*±VOP1 =
(50KOhm+1MOhm)/50kOhm * ±3V = 21 * ±3V = ±63V.
Diese ist größer als die durch die Überspannungsschutzdioden definierte
Durchbruchspannung VBR, so das UINP+, UINP- die Werte der Betriebs-
spannung nicht erreichen können.

Die maximal verarbeitbare Differenzspannung Ud = UV1+ - UV1- ist durch
die maximale (minimale) Aus*gangs*spannung ±UOPout des OPs und die
Verstärkung der der Schaltung vDif = R2/R1= 0,05 be*stimmt. Der Ausgang
kann Spannungen von UOP1+ - 200mV = 2,8V und UPO1- +150mV = -2,85V
bei einer Last von 10kOhm erreichen. ±UOPout wird für die weiteren
Rechnungen mit ±2,8V festgelegt. Dann berechnet sich
±Ud zu ±Ud = 1/v * ±UOPout = 20 * 2,8V = ±56V.

Grüße GeoBot