Sensorschaltungen: Simulation mit PSPICE

318 Pages·2010·60.44 MB·German

by  Peter Baumann (auth.)

PeterBaumann
Sensorschaltungen
Peter Baumann
Sensorschaltungen
Simulation mit PSPICE
2., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 348 Abbildungen und 34 Tabellen
STUDIUM
11
VIEWEG+
TEUBNER
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Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internetüber
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1.Auflage 2006
2., überarbeiteteund erweiterteAuflage 2010
Alle Rechtevorbehalten
©Vieweg+Teubner IGWV FachverlageGmbH,Wiesbaden 2010
Lektorat: Reinhard Dapper IWalburga Himmel
Vieweg+TeubneristTeil derFachverlagsgruppeSpringerScience+Business Media.
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vonjedermann benutztwerden dürften.
Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Druck und buchbinderischeVerarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedrucktaufsäurefreiem und chlorfreigebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0289-7
v
Vorwort zur 1. Auflage
SensorenundMikrosensorenhabeneinehohetechnischeundwirtschaftlicheBedeutunginder
Elektrotechnik, im Maschinenbau, in der Verfahrenstechnik und vor allem in der Kraftfahr
zeugtechnikerlangt.DieMessungundVerarbeitungnichtelektrischerGrößenwieTemperatur,
Beleuchtungsstärke, Druck, MagnetfeldoderIonisierungsgraderfordern den Einsatzvon Sen
sorennichtnurals"Fühler" schlechthin, sondernals Sensorsystemmiteinermikroelektronisch
realisiertenSignalaufbereitung.
Eine Schaltungssimulation mit dem Programmsystem PSPICE beinhaltet ursprünglich die
AnalysereinelektrischerKenngrößenelektronischerSchaltungen.DagegenerfordertdieSimu
lationvon SensorschaltungendenEinbezugderobengenanntennichtelektrischenGrößen, um
z. B. die Abhängigkeit eines Widerstandes vom Druck bzw. von einem Magnetfeld oder die
Abhängigkeit eines Fotostromes von der Beleuchtungsstärke untersuchen und darstellen zu
können.
Bei einer Einführung in die Sensortechnik wird es zunächst daraufankommen, die Funktion
des jeweiligen Sensors mit einer Kennlinie zu verdeutlichen, die seine Abhängigkeit von der
Temperatur, bzw. der Beleuchtungsstärke, dem Druck, der magnetischen Induktion oder der
Ionenkonzentrationwiedergibt. Mit einerderartigen Kennlinie wird dasjeweiligeKapitel die
ses Buches eingeleitet. Anschließend werden überschaubare typische Anwendungen mit
PSPICEanalysiert. DieSimulationsergebnissewerdendiskutiert.
Die Beispielaufgaben sollen einenEinstieg in die Simulationvon Sensorschaltungen ermögli
chenunddazuanregen,eigeneLösungswegezuentwickeln.
Die nachfolgenden PSPICE-Analysen entstanden als ergänzende rechnerische Übungen zum
Lehrfach"Einführungindie SensorikundAktorik"anderHochschuleBremen.
Herrn Dipl.-Ing. Johannes Aertz von derHochschule Bremen danke ich für die Unterstützung
bei der Umsetzung des Manuskripts. Mein besonderer Dank gilt auch Herrn Dipl.-Ing. Rein
hardDappervom Lektorat Technikdes Vieweg Verlages für die fordernde undhilfreiche Zu
sammenarbeit.
Bremen,imFebruar2006 PeterBaumann
VI
Vorwort zur 2. Auflage
Zur 1. Auflage dieses Buches haben mich zahlreiche Anregungen, Erweiterungswünsche und
Korrekturhinweise aus der interessiertenLeserschafterreicht, für die ichmichvielmals bedan
kenmöchte.
In der vorliegenden 2. Auflage wurden Fehler ausgemerzt. Die Thermoelemente und der Pt
100-Sensor erhielten zusätzlich nicht lineare Temperaturkoeffizienten und in die Schaltungen
mit optischen Sensoren wurden Reflexlichtschranken mit P1astikfaser-Lichtwellen1eitern auf
genommen. Erweiterungen betreffen ferner die Magnetfeldsensoren mit einem Abschnitt zu
denGMR-undAMR-Sensoren. BeidenchemischenSensorenwurdenKennliniensimulationen
mit PSPICE zur Breitband-Lambdasonde, zur Quarzmikrowaage und zu Oberflächenwellen
Sensoren hinzugefügt und Feuchtigkeitskenngrößen erläutert. Neu aufgenommen wurde ein
umfangreiches Kapitel zu elektrischen Motoren, die als elektromagnetische Aktoren auch in
Verbindung mit Sensoren eine wichtige Rolle im System der Mechatronik spielen. Bei den
Gleichstrom-, Universal-, Schritt- und Asynchronmotoren werden die Betriebskennlinien mit
HilfevongesteuertenQuellenanalysiert.
Das SimulationsprogrammOrCAD&PSPICEvonCADENCEwurdebewusstinderOriginal
fassung derDEMO-Version so wie sie derAnwenderherunterlädt, beibehalten. Das Hauptan
liegen des Buches besteht darin, die Nutzer zu befähigen, mit diesem Programm praxisnahe
Aufgaben zu Sensoren und elektromagnetischen Aktoren analysieren zu können. Die Schal
tungsbeispiele sollten dazu dienen, die entsprechende Vorlesung anschaulichzu ergänzenund
gegebenenfallseinLaborpraktiknmmit Simulationenzubegleiten. HinweisezurVerbesserung
des Buchesnehmeichunter«E-Mail: [email protected]» gernentgegen.
Herr Dipl.-Ing. Johannes Aertz von der Hochschule Bremen übernahm die mühevolle Arbeit
zur Umsetzung der Manuskriptänderungen und führte die Messungen zu den faseroptischen
Sensoren und den Schrittmotoren durch. Dafür möchte ich mich herzlich bedanken. Für die
UnterstützungzumErscheinender2. AuflagedankeichfernerHerrnDipl.-Ing.ReinhardDapper
undFrauWalburgaHimmelvomVieweg+Teubner-Verlag.
Bremen, imJanuar2010 PeterBaumann
VII
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichenverzeichnis XIII
1 Einführung 1
1.1 Zielstellung 1
1.2 FestlegungenbeiPSPICE 2
2 Schaltungen mit Temperatursensoren 7
2.1 NTC-Sensoren 7
2.1.1 AufbauundKennlinie 7
2.1.2 LinearisierungderKennlinie 11
2.1.3 TemperatunnessungdurchAuswertendesBrückenstromes 12
2.1.4 ElektronischesThermometer 15
2.1.5 DurchflusssensorfürStrömungsmessungen 16
2.1.6 Temperatur-Warnanzeige 18
2.1.7 Temperaturregler 19
2.1.8 TemperaturanzeigemitFensterkomparator 20
2.2 PTC-Sensoren 23
2.2.1 AufbauundKennlinievonPlatin-Temperatursensoren 23
2.2.2 TemperaturauswertungmitPt IOO-SensorundOperationsverstärker 24
2.2.3 AufbauundKennlinieeinesSilizium-Widerstandssensors 26
2.2.4 LinearisierteTemperatunnessung 28
2.3 Thermoelement 31
2.3.1 AufbauundKennlinie 31
2.3.2 VerstärkungderThermospannung 33
2.4 HalbleiterbauelementealsTemperatursensoren 35
2.4.1 KennlinienvonDiodenundBasis-Emitter-Strecken 35
2.4.2 Transistor-Thermometer 37
2.4.3 Stromspiege1schaltungalsTemperatursensor 38
2.4.4 Bandabstand-Referenzspannungsquelle 40
3 Schaltungen mit optischen Sensoren 43
3.1 Fotowiderstand 43
3.1.1 AufbauundKennlinien 43
3.1.2 EinfacherBelichtungsmesser 45
3.1.3 TransistoransteuerungmittelsFotowiderstand 47
3.1.4 LichtgesteuerteLED-Anzeige 48
3.1.5 LichtansteuerungeinerHalogenlampe 49
3.1.6 Dämmerungsschalter 51
3.2 Fotodiode 53
3.2.1 AufbauundKennlinienfeldzumDiodenbetrieb 53
VIII Inhaltsverzeichnis
3.2.2 KennlinienfeldzumElementbetrieb 55
3.2.3 SpektraleEmpfindlichkeitalsFunktionderWellenlänge 56
3.2.4 BelichtungsmessermitFotodiode 58
3.2.5 AuswertungderBeleuchtungsstärkemiteinerTransimpedanzschaltung 60
3.2.6 Licht-Frequenz-Wandler 62
3.3 Fototransistor 63
3.3.1 AufbauundKennlinienfeld 63
3.3.2 Schaltverhalten 65
3.3.3 SchaltungzurHell/Dunkel-Unterscheidung 67
3.3.4 Schwellwertschalter 68
3.4 Gabelkoppler 70
3.4.1 AufbauundKennlinie 70
3.4.2 Drehzahlerfassung 71
3.4.3 AnzeigeeinerLichtunterbrechung 71
3.5 PositionsempfindlicheFotosensoren 73
3.5.1 Lateraleffekt-Fotodiode 73
3.5.1.1 AufbauundErsatzschaltung 73
3.5.1.2 AnwendungzurAbstandsmessung 74
3.5.2 Kreis-Kreisring-Sensor 76
3.5.2.1 Prinzipdarstellung 76
3.5.2.2 LagenachweiseinerHell-Dunkel-Kante 79
3.6 ReflexlichtsensorenmitPlastikfaser-Lichtwellenleitem 83
3.6.1 Doppelfaser-Reflexlichtsensor 83
3.6.2 Einfaser-Reflexlichtsensor 90
4 Schaltungen mit Drucksensoren 93
4.1 Folien-Dehnungsmessstreifen 93
4.1.1 AufbauundKennlinie 93
4.1.2 BrückenschaltungmitSubtrahierverstärker 94
4.2 Piezoresistiverp-Silizium-Drucksensor 96
4.2.1 AufbauundBrückenschaltung 96
4.2.2 BrückenschaltungmitInstrumentenverstärker 98
4.3 KapazitiverSilizium-Drucksensor 101
4.3.1 AufbauundKennlinie 101
4.3.2 AuswertungderKapazitätsänderungmitastabilemMultivibrator 102
4.4 KapazitiverBeschleunigungssensor 104
4.4.1 AufbauundelektrischeErsatzschaltung 104
4.4.2 BrückenschaltungmitDifferenzialkondensator 105
4.4.3 VerstärkungderBrückendiagonalspannung l06
4.5 PiezoelektrischerKeramiksensor 107
4.5.1 Wirkungsweiseund Ersatzschaltung 107
4.5.2 AuswertungmitElektrometerverstärker 109
Inhaltsverzeichnis IX
5 Schaltungen mit Magnetfeldsensoren 111
5.1 Hallsensoren 111
5.1.1 Wirkungsweise 111
5.1.2 LeerlautkennlinieneinesIndiumarsenid-Hallsensors 112
5.1.3 AusgangskennlinieneinesInAs-Hallsensors 114
5.1.4 NormierteBelastungskennlinieneinesInAs-Hallsensors 115
5.1.5 KennlinieneinesGaAs-Hallsensors 117
5.1.6 HallspannungfüreinnichtsenkrechtauftreffendesMagnetfeld 118
5.1.7 GaAs-HallsensoralsAbstandssensor 119
5.1.8 PositionsmessungmitGaAs-Hallsensor 120
5.1.9 Hallschalter 122
5.1.10 AktivierungeinesGaAs-HallsensorsdurcheinZahnrad 124
5.2 Feldplattensensor 125
5.2.1 AufbauundKennlinie 125
5.2.2 Kennlinienfeld 126
5.2.3 TemperaturabhängigkeitderKennlinie 127
5.2.4 AuswerteschaltungmiteinemKomparator 129
5.2.5 FeldplattensensoralsImpulsgeber 131
5.2.6 DifferenzialfeldplattensensoralsImpulsgeber 133
5.3 GMR.-Sensoren 135
5.3.1 AufbauundWirkungsweise 135
5.3.2 Brückenschaltungen 138
5.4 AMR.-Sensoren 143
5.4.1 AMR-Effekt 143
5.4.2 Barberpole-Struktur 145
5.4.3 Brückenschaltung 146
5.5 InduktiveSensoren 148
5.5.1 SpulemitTauchanker 148
5.5.2 DifferenzspulemitTauchanker 151
5.5.3 DifferenzialtransformatormitTauchanker 155
5.5.4 SpulenanordnungmitKurzschlussring 158
5.5.5 InduktiverNäherungsschalter 160
6 Chemische Sensoren 169
6.1 Metalloxid-Gassensoren 169
6.1.1 Aufbau 169
6.1.2 Kennlinien 169
6.2 IonensensitiverFeldeffekttransistor 172
6.2.1 AufbauundWirkungsweise 172
6.2.2 ErmittlungdespH-Wertes 173
6.3 FestkörperionenleiteralsSauerstoffsensor 175
6.4 SauerstofIpumpe 177
6.5 Lambda-Sonden 179
x
Inhaltsverzeichnis
6.5.1 Lambda-Sondeals Spannungsquelle 179
6.5.1.1 Aufbau 179
6.5.1.2 SimulationderKennlinie 179
6.5.2 Breitband-Lambda-Sonde 182
6.5.2.1 Funktion 182
6.5.2.2 SimulationderKennlinie 183
6.6 Quarzmikrowaage 184
6.7 Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung 199
6.7.1 AufbauundErsatzschaltung 199
6.7.2 SimulationfrequenzabhängigerKenngrößen 203
6.7.3 ErsatzschaltungmitkonzentriertenElementen 207
6.7.4 AnwendungalsTemperatursensor 208
6.8 Oberfachenwellen-Resonatoren 211
6.8.1 Ein-Tor-Oberflächenwellen-Resonator 211
6.8.2 Zwei-Tor-Oberflächenwellen-Resonator 215
6.8.3 AnwendungalsDrucksensor 217
7 Feuchtesensoren 221
7.1 Feuchte-Kenngrößen 221
7.2 KapazitiverFeuchtesensor 223
7.2.1 WirkprinzipundAufbau 223
7.2.2 Kennlinie 224
7.2.3 AuswertungderSensorkapazitätmitastabilemMultivibrator 225
7.3 ResistiveFeuchtesensoren 227
7.3.1 KammelektrodenalsFühler 227
7.3.2 Lithiumch1orid-Feuchtesensor 228
7.3.2.1 AbhängigkeitdesWiderstandsvonderrelativenFeuchte 228
7.3.2.2 MessungderabsolutenFeuchte 231
8 Schaltungen mit elektrischen Motoren 233
8.1 Gleichstrom-K1einstmotor 233
8.1.1 Aufbau 233
8.1.2 Grundgleichungen 234
8.1.3 ErsatzschaltungdesGleichstrom-Kleinstmotors 236
8.1.4 Ventilatorantrieb 242
8.1.5 AntriebeinerSolar-Drehplattform 245
8.2 Schrittmotoren 251
8.2.1 MerkmalevonSchrittmotoren 251
8.2.2 Permanentmagnet-Schrittmotor 251
8.2.2.1 Bestromung 251
8.2.2.2 StatischeDrehmomentenkennlinie 254
8.2.2.3 Selbsthaltemoment 256
8.2.2.4 Ersatzschaltung 258
8.2.2.5 Betriebskennlinien 261
Inhaltsverzeichnis XI
8.3 Gleichstrom-Reihenschlussmotor 275
8.4 Universalmotor 280
8.4.1 Motorkennlinie 280
8.4.2 ErsatzschaltungbeiWechselspannungsbetrieb 281
8.5 Drehstrom-Asynchronmotor 285
8.5.1 AufbauundWirkungsweise 285
8.5.2 Ersatzschaltung 287
8.5.3 Simulationsaufgaben 287
Literaturverzeichnis 299
Sachwortverzeichnis 301