Sensorschaltungen : Simulation mit PSPICE

176 Pages·2006·7.512 MB·German

by  Peter Baumann

Peter Baumann
Sensorschaltungen
Aus dem Programm
Elektro- und Informationstechnik
Elektroniksimulation mit PSPICE
von B. Beetz
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
herausgegeben von W. Böge und W. Plaßmann
Elementeder angewandten Elektronik
von E. Böhmer
Elemente der Elektronik – Repetitorium
und Prüfungstrainer
von E. Böhmer
Digitaltechnik
von K. Fricke
Elektronik
von H. Herberg
Elektronik für Ingenieure
herausgegeben von L. Palotas
Elektronik
von D. Zastrow
vieweg
Peter Baumann
Sensorschaltungen
Simulation mit PSPICE
Mit 191 Abbildungen und 14 Tabellen
Studium Technik
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1. Auflage Februar 2006
Alle Rechtevorbehalten
©Friedr. Vieweg & Sohn Verlag |GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2006
Lektorat: Reinhard Dapper
Der Vieweg Verlag ist ein ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.
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Technische Redaktion: Hartmut Kühn von Burgsdorff, Wiesbaden
Druckund buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 3-8348-0059-7
V
Vorwort
Sensoren und Mikrosensoren haben eine hohe technische und wirtschaftliche Bedeutung in der
Elektrotechnik, im Maschinenbau, in der Verfahrenstechnik und vor allem in der Kraftfahr-
zeugtechnik erlangt. Die Messung und Verarbeitung nicht elektrischer Größen wie Tempera-
tur, Beleuchtungsstärke, Druck, Magnetfeld oder Ionisierungsgrad erfordern den Einsatz von
Sensoren nicht nur als „Fühler“ schlechthin, sondern als Sensorsystem mit einer mikroelektro-
nisch realisierten Signalaufbereitung.
Eine Schaltungssimulation mit dem Programmsystem PSPICE beinhaltet ursprünglich die
Analyse rein elektrischer Kenngrößen elektronischer Schaltungen. Dagegen erfordert die Si-
mulation von Sensorschaltungen den Einbezug der oben genannten nicht elektrischen Größen,
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 darauf ankommen, 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
Ionenkonzentration wiedergibt. Mit einer derartigen Kennlinie wird das jeweilige Kapitel die-
ses Buches eingeleitet. Anschließend werden überschaubare typische Anwendungen mit
PSPICE analysiert. Die Simulationsergebnisse werden diskutiert.
Die Beispielaufgaben sollen einen Einstieg in die Simulation von Sensorschaltungen ermögli-
chen und dazu anregen, eigene Lösungswege zu entwickeln.
Die nachfolgenden PSPICE-Analysen entstanden als ergänzende rechnerische Übungen zum
Lehrfach „Einführung in die Sensorik und Aktorik“ an der Hochschule Bremen.
Herrn Dipl.-Ing. Johannes Aertz von der Hochschule Bremen danke ich für die Unterstützung
bei der Umsetzung des Manuskripts. Mein besonderer Dank gilt auch Herrn Dipl.-Ing. Rein-
hard Dapper vom Lektorat Technik des Vieweg Verlages für die fördernde und hilfreiche
Zusammenarbeit.
Bremen, im Februar 2006 Peter Baumann
VII
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichenverzeichnis ................................................................................................. XI
1 Einführung ................................................................................................................... 1
1.1 Zielstellung............................................................................................................ 1
1.2 Festlegungen bei PSPICE...................................................................................... 2
2 Schaltungen mit Temperatursensoren ....................................................................... 7
2.1 NTC-Sensoren....................................................................................................... 7
2.1.1 Aufbau und Kennlinie................................................................................ 7
2.1.2 Linearisierung der Kennlinie...................................................................... 9
2.1.3 Temperaturmessung durch Auswerten des Brückenstromes...................... 10
2.1.4 Elektronisches Thermometer...................................................................... 12
2.1.5 Durchflusssensor für Strömungsmessungen.............................................. 14
2.1.6 Temperatur-Warnanzeige........................................................................... 15
2.1.7 Temperaturregler mit Schmitt-Trigger....................................................... 17
2.1.8 Temperaturanzeige mit Fensterkomparator................................................ 18
2.2 PTC-Sensoren........................................................................................................ 21
2.2.1 Aufbau und Kennlinie von Platin-Temperatursensoren............................. 21
2.2.2 Temperaturauswertung mit Pt 100-Sensor und Operationsverstärker........ 22
2.2.3 Aufbau und Kennlinie eines Silizium-Widerstandssensors....................... 24
2.2.4 Linearisierte Temperaturmessung.............................................................. 26
2.3 Thermoelement...................................................................................................... 29
2.3.1 Aufbau und Kennlinie................................................................................ 29
2.3.2 Verstärkung der Thermospannung............................................................. 30
2.4 Halbleiterbauelemente als Temperatursensoren.................................................... 31
2.4.1 Kennlinien von Dioden und Basis-Emitter-Strecken................................. 31
2.4.2 Transistor-Thermometer............................................................................. 33
2.4.3 Stromspiegelschaltung als Temperatursensor............................................ 34
2.4.4 Bandabstand-Referenzspannungsquelle..................................................... 35
3 Schaltungen mit optischen Sensoren ......................................................................... 39
3.1 Fotowiderstand...................................................................................................... 39
3.1.1 Aufbau und Kennlinien.............................................................................. 39
3.1.2 Einfacher Belichtungsmesser..................................................................... 41
3.1.3 Transistoransteuerung mittels Fotowiderstand........................................... 42
3.1.4 Lichtgesteuerte LED-Anzeige.................................................................... 43
3.1.5 Lichtansteuerung einer Halogenlampe....................................................... 44
3.1.6 Dämmerungsschalter.................................................................................. 46
3.2 Fotodiode............................................................................................................... 48
3.2.1 Aufbau und Kennlinienfeld zum Diodenbetrieb........................................ 48
3.2.2 Kennlinienfeld zum Elementbetrieb........................................................... 50
VIII Inhaltsverzeichnis
3.2.3 Relative Fotoempfindlichkeit als Funktion der Wellenlänge..................... 51
3.2.4 Belichtungsmesser mit Fotodiode.............................................................. 53
3.2.5 Auswertung der Beleuchtungsstärke mit einer Transimpedanzschaltung.. 55
3.2.6 Licht-Frequenz-Wandler............................................................................ 57
3.3 Fototransistor......................................................................................................... 58
3.3.1 Aufbau und Kennlinienfeld........................................................................ 58
3.3.2 Schaltverhalten........................................................................................... 60
3.3.3 Schaltung zur Hell/Dunkel-Unterscheidung............................................... 62
3.3.4 Schwellwertschalter.................................................................................... 63
3.4 Gabelkoppler......................................................................................................... 64
3.4.1 Aufbau und Kennlinie................................................................................ 64
3.4.2 Drehzahlerfassung...................................................................................... 65
3.4.3 Anzeige einer Lichtunterbrechung............................................................. 66
3.5 Positionsempfindliche Fotosensoren..................................................................... 67
3.5.1 Lateraleffekt-Fotodiode.............................................................................. 68
3.5.1.1 Aufbau und Ersatzschaltung......................................................... 68
3.5.1.2 Anwendung zur Abstandsmessung............................................... 68
3.5.2 Kreis-Kreisring-Sensor............................................................................... 71
3.5.2.1 Prinzipdarstellung......................................................................... 71
3.5.2.2 Lagenachweis einer Hell-Dunkel-Kante....................................... 74
4 Schaltungen mit Drucksensoren ................................................................................. 79
4.1 Folien-Dehnungsmessstreifen................................................................................ 79
4.1.1 Aufbau und Kennlinie................................................................................ 79
4.1.2 Brückenschaltung mit Subtrahierverstärker............................................... 80
4.2 Piezoresistiver p-Silizium-Drucksensor................................................................ 82
4.2.1 Aufbau und Brückenschaltung................................................................... 82
4.2.2 Brückenschaltung mit Instrumentenverstärker........................................... 84
4.3 Kapazitiver Silizium-Drucksensor......................................................................... 86
4.3.1 Aufbau und Kennlinie................................................................................ 86
4.3.2 Auswertung der Kapazitätsänderung mit astabilem Multivibrator............. 88
4.4 Kapazitiver Beschleunigungssensor...................................................................... 90
4.4.1 Aufbau und elektrische Ersatzschaltung.................................................... 90
4.4.2 Brückenschaltung mit Differentialkondensator.......................................... 91
4.4.3 Verstärkung der Brückendiagonalspannung.............................................. 92
4.5 Piezoelektrischer Keramiksensor........................................................................... 93
4.5.1 Wirkungsweise und Ersatzschaltung.......................................................... 93
4.5.2 Auswertung mit Elektrometerverstärker.................................................... 95
5 Schaltungen mit Magnetfeldsensoren ........................................................................ 97
5.1 Hallsensoren.......................................................................................................... 97
5.1.1 Wirkungsweise........................................................................................... 97
5.1.2 Leerlaufkennlinien eines Indiumarsenid-Hallsensors................................ 98
5.1.3 Ausgangskennlinien eines InAs-Hallsensors............................................. 100
5.1.4 Normierte Belastungskennlinien eines InAs-Hallsensors.......................... 101
5.1.5 Kennlinien eines GaAs-Hallsensors........................................................... 103
5.1.6 Hallspannung für ein nicht senkrecht auftreffendes Magnetfeld................ 104
Inhaltsverzeichnis IX
5.1.7 GaAs-Hallsensor als Abstandssensor......................................................... 105
5.1.8 Positionsmessung mit GaAs-Hallsensor.................................................... 106
5.1.9 Hallschalter................................................................................................ 108
5.1.10 Aktivierung eines GaAs-Hallsensors durch ein Zahnrad........................... 109
5.2 Feldplattensensor................................................................................................... 111
5.2.1 Aufbau und Kennlinie................................................................................ 111
5.2.2 Kennlinienfeld............................................................................................ 112
5.2.3 Temperaturabhängigkeit der Kennlinie...................................................... 113
5.2.4 Auswerteschaltung mit einem Komparator................................................ 115
5.2.5 Feldplattensensor als Impulsgeber............................................................. 117
5.2.6 Differentialfeldplattensensor als Impulsgeber............................................ 119
5.3 Induktive Sensoren................................................................................................ 121
5.3.1 Spule mit Tauchanker................................................................................. 121
5.3.2 Differenzspule mit Tauchanker.................................................................. 123
5.3.3 Differenztransformator mit Tauchanker..................................................... 128
5.3.4 Spulenanordnung mit Kurzschlussring...................................................... 131
5.3.5 Induktiver Näherungsschalter.................................................................... 133
6 Chemische Sensoren .................................................................................................... 143
6.1 Metalloxid-Gassensoren........................................................................................ 143
6.1.1 Aufbau........................................................................................................ 143
6.1.2 Kennlinien.................................................................................................. 143
6.2 Ionensensitiver Feldeffekttransistor...................................................................... 146
6.2.1 Aufbau und Wirkungsweise....................................................................... 146
6.2.2 Ermittlung des pH-Wertes.......................................................................... 147
6.3 Festkörperionenleiter als Sauerstoffsensor............................................................ 149
6.4 Sauerstoffpumpe.................................................................................................... 151
6.5 Lambda-Sonde....................................................................................................... 153
6.5.1 Aufbau........................................................................................................ 153
6.5.2 Simulation der Kennlinie........................................................................... 153
7 Feuchtesensoren ........................................................................................................... 157
7.1 Kapazitiver Feuchtesensor..................................................................................... 157
7.1.1 Wirkprinzip und Aufbau............................................................................ 157
7.1.2 Kennlinie.................................................................................................... 158
7.1.3 Auswertung der Sensorkapazität mit astabilem Multivibrator................... 159
7.2 Resistive Feuchtesensoren..................................................................................... 161
7.2.1 Kammelektroden als Fühler....................................................................... 161
7.2.2 Hygroskopisches Salz als Fühler................................................................ 162
Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 167
Sachwortverzeichnis ......................................................................................................... 169
XI
Formelzeichenverzeichnis
Symbol Bezeichnung Einheit
a Beschleunigung ms-2
Al Querschnittsfläche m2
A Kreisfläche m2
K
A Beleuchtete Kreisfläche m2
Kb
A Kreisringfläche m2
KR
A Beleuchtete Kreisringfläche m2
KRb
B Materialkonstante zum NTC-Sensor K
B Magnetische Induktion Vsm-2
B Großsignalstromverstärkung im Normalbetrieb
N
c Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (2,9979⋅ 108 ms-1)
C Elektrische Kapazität F
CJC Sperrschichtkapazität der Kollektordiode (SPICE) F
CJE Sperrschichtkapazität der Emitterdiode (SPICE) F
CJO Sperrschichtkapazität der Diode (SPICE) F
d Dicke des Dielektrikums m
D Durchmesser m
e Elementarladung (1,6⋅ 10-19 As)
EG Bandabstand (SPICE) eV
E Beleuchtungsstärke lx
v
f Frequenz Hz
F Mechanische Kraft N
F Absolute Feuchte gm-3
a
F Relative Feuchte
r
F Sättigungsfeuchte gm-3
s
h Planck-Konstante (6,6⋅ 10-34Js)
h Bogenhöhe des Kreissegments m
1
I Elektrische Stromstärke A
I Steuerstrom des Hallsensors A
1
I Basisstrom A
B
I Kollektorstrom A
C
I Drainstrom A
D
I Emitterstrom A
E
XII Formelzeichenverzeichnis
Symbol Bezeichnung Einheit
I Strom infolge einer Lichteinwirkung A
L
IS Diffusionssättigungsstrom (SPICE) A
k Boltzmann-Konstante (1,38⋅ 10-23JK-1)
k Piezoelektrische Empfindlichkeit AsN-1
p
K Proportionalitätsfaktor zur Dehnungsempfindlichkeit
KP Transkonduktanz (SPICE) AV-2
K Induktionsempfindlichkeit bei Leerlauf VA-1T-1
B0
l Länge m
L Induktivität H
L Kanallänge (SPICE) m
m Masse kg
M Exponent zur Sperrschichtkapazität der Diode
n Elektronendichte m-3
N Emissionskoeffizient der Diode (SPICE)
p Druck bar,Pa
PER Periodendauer (SPICE) s
PW Pulsweite (SPICE) s
P Verlustleistung W
v
Q Elektrische Ladung As
Q Schwingkreisgüte
r Kreisradius m
1
r;r Radien zum Kreisring m
2 3
R Elektrischer Widerstand Ω
R Grundwiderstand des Feldplattensensors Ω
0
R Fotowiderstand fürE = 1 lx Ω
0 v
R Elektrischer Widerstand bei 25 °C Ω
25
R Widerstand des Feldplattensensors Ω
B
RB Basisbahnwiderstand (SPICE) Ω
R Generatorwiderstand Ω
g
R Hallkoeffizient m3A-1 s-1
H
R Lastwiderstand Ω
L
R Fotowiderstand Ω
p
RS Serienwiderstand der Diode (SPICE) Ω
R Vorwiderstand Ω
v