Ladungsverstärker

Ein Ladungsverstärker ist in der elektrischen Messtechnik eine gebräuchliche Bezeichnung für einen Ladungs-Spannungs-Wandler, der meist geringe Ladungen in eine dazu proportionale Spannung umwandelt. Da wegen der unterschiedlichen Einheiten kein Verstärkungsfaktor definierbar ist, handelt es sich genau genommen um keinen Verstärker. Die Schaltung ähnelt einem Integrierer mit fehlendem Eingangswiderstand.

Anwendungen

Dieser Wandler wird eingesetzt, wenn es gilt, extrem geringe Ladungsmengen zu messen, die beispielsweise in Elektrofeldmetern, piezoelektrischen Sensoren und Photodioden erzeugt werden. Die Verwendung von mehrkanaligen CCD-Sensoren erfordert stets mehrere Ladungsverstärker.

Vorteile des Ladungsverstärkers

Die sehr geringe Eingangsimpedanz dieser Schaltung schließt die Kapazitäten dieser Sensoren kurz, weshalb auch längere abgeschirmte Kabel zwischen Sensor und Wandler möglich sind. Weil der Sensor "virtuell kurzgeschlossen" ist, werden Probleme bei hoher Temperatur und Verschmutzung reduziert. Die Verringerung der Zeitkonstante gegenüber der einfacheren Widerstandsbelastung erlaubt auch hohe Messfrequenzen.

Sensoren mit Ladungsausgang lassen sich prinzipiell auch an Spannungsverstärkern mit sehr hohem Eingangswiderstand betreiben. Entscheidende Nachteile dabei sind jedoch, dass der so entstandene RC-Tiefpass hohe Frequenzen dämpft und dass die Ausgangsspannung von der dem Eingang parallel liegenden Kapazität abhängig ist, weil sich die Sensorspannung ändert. Deshalb muss die Summe von Sensor-Eigenkapazität, der Kabelkapazität C_c und der Eingangskapazität des Verstärkers C_inp umgeladen werden. Beim Ladungsverstärker besteht diese Abhängigkeit nicht, da sich diese beiden Kapazitäten an der "virtuellen Masse" des Operationsverstärkers befinden und die Sensorspannung stets den Wert Null hat.

Schaltung

Datei:Ladungsverstaerker.gif

Schaltung eines Ladungsverstärkers

Der Ladungsverstärker wird üblicherweise unter Verwendung von Operationsverstärkern realisiert, wobei seine Besonderheit in der kapazitiven Rückkopplung besteht. Der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers liegt auf Massepotenzial. In den invertierenden Eingang wird die zu messende Ladung eingeleitet. Auf die parallel zum Eingang liegenden Kapazitäten C_c und C_inp wird weiter oben eingegangen. Der Operationsverstärker sorgt dafür, dass sich am invertierenden Eingang (-) ebenfalls Massepotenzial einstellt (virtueller Nullpunkt). Die Spannung am Eingang des Ladungsverstärkers (u_inp) wird also Null.

In den Knotenpunkt am invertierenden Eingang fließen die vom Sensor kommende Ladung q_in und die kapazitiv vom Ausgang rückgekoppelte Ladung q_f. Gemäß der Knotenregel kompensieren sich beide Ladungen, das heißt

$q_{in}=-q_{f}$.

Die Ausgangsspannung des Ladungsverstärkers berechnet sich nach

$u_{out}={\frac {q_{f}}{C_{f}}}=-{\frac {q_{in}}{C_{f}}}$

Sie ist also proportional zur Eingangsladung q_in mit invertiertem Vorzeichen.

Die Rückkoppelkapazität C_f bestimmt die Verstärkung.

Damit ist die Grundfunktion des Ladungsverstärkers erklärt.

Der Widerstand R_f über dem Rückkoppelkondensator dient zur Herstellung einer stabilen Nullpunktspannung am Verstärkerausgang. Ohne R_f wäre die Gleichspannungsverstärkung der Schaltung sehr hoch und Biasströme der Operationsverstärkereingänge würden hoch verstärkt als Gleichspannung am Ausgang erscheinen, was bis zur Übersteuerung führen könnte. Der Widerstand R_f bestimmt die untere Grenzfrequenz des Ladungsverstärkers:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle f_u=\frac{1}{2 \pi R_f C_f}}

Bedingt durch die beschriebenen Gleichspannungseinflüsse und die endlichen Isolationswiderstände über dem Eingang und den Anschlüssen von C_f ist ein Ladungsverstärker nicht zur Messung statischer (stehender) Ladungen geeignet. Da jedoch hochwertige Geräte untere Grenzfrequenzen von weniger als 0,1 Hz erreichen, spricht man von quasistatischer Messung. Ladungsverstärker einiger Hersteller haben eine Betriebsart, in der R_f durch einen manuell zu betätigenden Reset-Schaltkontakt ersetzt wird. Damit kann vor der Messung ein definierter Gleichspannungszustand am Ausgang erzeugt werden.

Praktisch realisierte Ladungsverstärker enthalten oft noch weitere Schaltungsstufen, so zum Beispiel zusätzliche Spannungsverstärker, Hoch- und Tiefpass-Filter, Integratoren und Schaltungen zur Pegelkontrolle.

Besonderheiten

Die von Sensoren mit Ladungsausgang erzeugten Signale betragen unter Umständen nur wenige fC (FemtoCoulomb = 10⁻¹⁵C). Ein störender Effekt üblicher Sensorkabel ist die Verschiebung kleinster Ladungen bei Deformation des Kabels als Folge des triboelektrischen Effekts. Bereits leichte Bewegungen des Kabels können die Messung erheblich verfälschen. Man verwendet daher störspannungsarme ("low noise") Spezialkabel mit einer besonderen Leitbeschichtung auf dem Dielektrikum. Diese sind deutlich teurer als herkömmliche Kabel.

Aufgrund der geringen Impedanz ist der Übertragungsweg empfindlich für magnetische Felder. Die Kabellänge zwischen Sensor und Verstärker sollte deshalb für empfindliche Messungen wenige Meter nicht überschreiten.

Um bei Piezosensoren die genannten Probleme zu umgehen und die oft kostspieligen Ladungsverstärker zu ersetzen, werden Sensoren mit Ladungsausgang seit einiger Zeit durch IEPE-kompatible Sensoren verdrängt, die zum Betrieb lediglich einen Spannungsverstärker ohne besondere Anforderungen an die Eingangsimpedanz sowie eine Konstantstromversorgung benötigen. Sie bestehen aus dem Sensor mit integriertem Impedanzwandler. Ähnlich einem Elektretmikrofon werden sie über die Signalleitung gespeist.

Es gibt auch Sensoren mit integriertem Ladungsvorverstärker (Remote Charge Converter) mit IEPE-Ausgang, die geringere Spannungsverstärkung erfordern.

Weblinks

• [1] Ladungsverstärker-Grundlagen, Metra Meß- und Frequenztechnik
• Signal Conditioning Piezoelectric Sensors (PDF; 60 kB) Applikationsschrift, 2000, Texas Instruments