Ladungsverstärker

Ein Ladungsverstärker ist in der elektrischen Messtechnik eine gebräuchliche Bezeichnung für einen Ladungs-Spannungs-Wandler, der die meist geringe Ladung eines piezoelektrischen Sensors in eine dazu proportionale elektrische Spannung umwandelt. Da wegen der unterschiedlichen Einheiten kein Verstärkungsfaktor definierbar ist, handelt es sich genau genommen um keinen Verstärker.

Die Schaltung ähnelt einem Integrierer, dort sind aber Ein- und Ausgangsgrößen Spannungen.

Schaltung

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 unten 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:

$f_u=\frac{1}{2 \pi R_f C_f}$

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.

Vorteile des Ladungsverstärkers

Sensoren mit Ladungsausgang lassen sich prinzipiell auch an Spannungsverstärkern mit sehr hohem Eingangswiderstand betreiben. Ein entscheidender Nachteil ist hierbei jedoch, dass die Ausgangsspannung von der dem Eingang parallel liegenden Kapazität abhängig ist. Diese setzt sich aus der Sensor-Innenkapazität, der Kabelkapazität C_c und der Eingangskapazität des Verstärkers C_inp zusammen. Beim Ladungsverstärker besteht diese Abhängigkeit nicht.

Mit rauscharmen Ladungsverstärkern lassen sich sehr hochauflösende Messungen realisieren.

Nachteile des Ladungsverstärkers

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 der Kabel 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 Kabel sind deutlich teurer als herkömmliche Kabel.

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

Um die genannten Probleme zu umgehen und die in der Regel recht 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.

Eine Sonderform ist der Ladungsvorverstärker (Remote Charge Converter) mit IEPE-Ausgang, welcher den Anschluss von Sensoren mit Ladungsausgang an einfache Spannungsverstärker erlaubt.

Weblinks

• [1] Ladungsverstärker-Grundlagen, Metra Meß- und Frequenztechnik
• Signal Conditioning Piezoelectric Sensors Applikationsschrift, 2000, Texas Instruments