Brückenverstärker für DMS und Wägezellen

Eine Wägezelle liefert winzige Signale: Bei voller Last ändert sich ihre Ausgangsspannung um ein bis zwei Tausendstel der Versorgung, an 3,3 V also um wenige Millivolt. Diese Millivolt sitzen zudem auf einer Gleichtaktspannung von 1,65 V. Ein Brückenverstärker holt die kleine Differenz heraus, verstärkt sie einige hundert Mal und ignoriert den großen Gleichanteil.

Gebraucht wird die Schaltung für Küchen- und Paketwaagen, Füllstandsmessung per Gewicht (Bienenstock, Wassertank, Futterspender), Kraftmessung an Prüfständen und überall, wo Dehnungsmessstreifen eine Verformung messen. Hier baust du sie für eine verbreitete 5-kg-Wägezelle in Balkenform und den 12-Bit-ADC eines 3,3-V-Mikrocontrollers.

Schaltplan

• Wägezelle: vier Dehnungsmessstreifen von je 1 kΩ als Brückenschaltung, Empfindlichkeit 1,0 ± 0,15 mV/V. Die Adern sind meist rot (E+), schwarz (E−), grün (S+) und weiß (S−); prüfe das am Datenblatt deiner Zelle.
• IC1, INA333: Instrumentenverstärker für 1,8 bis 5,5 V mit Zero-Drift-Eingang (höchstens 25 µV Offset) und 50 µA Stromaufnahme.
• RG, 169 Ω: der einzige Widerstand, der die Verstärkung festlegt.
• REF, 0,5 V: hebt den Nullpunkt an, damit auch leicht negative Werte (Tara, Nullpunktfehler) messbar bleiben. Ein Teiler 56 kΩ/10 kΩ mit einem MCP6001 als Spannungsfolger liefert sie niederohmig.
• R1, C1: Tiefpass mit 16 Hz vor dem ADC. Er dämpft Rauschen und Netzbrumm und liefert die Ladung für die Abtastung.

So funktioniert die Schaltung

Ohne Last teilen beide Brückenzweige die 3,3 V genau in der Mitte; S+ und S− liegen auf 1,65 V, die Differenz ist null. Belastest du die Zelle, wird sie ein wenig gebogen. Zwei DMS werden gedehnt und hochohmiger, zwei gestaucht und niederohmiger. Die beiden Mitten laufen auseinander, bei voller Last um 3,3 mV.

Der INA333 besteht innen aus drei Operationsverstärkern. Die beiden Eingangsverstärker arbeiten als nichtinvertierende Verstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand und verstärken nur die Differenz; der dritte ist ein Subtrahierer mit lasergetrimmten Widerständen, der den Gleichtaktanteil entfernt. Die Verstärkung ist

und die Ausgangsspannung

Ein wichtiger Kniff ist die ratiometrische Messung: Brücke und ADC hängen an derselben 3,3-V-Versorgung, die auch die Referenz des ADCs ist. Sinkt die Versorgung um 1 %, sinkt das Brückensignal um 1 %, aber auch der Maßstab des ADCs. Der Messwert bleibt gleich. Auch REF kommt aus einem Teiler derselben Spannung und skaliert mit.

Dimensionierung

1. Signal bei Volllast. Mit 3,3 V Erregung und 1 mV/V:

2. Verstärkung mit Reserve. Billige Wägezellen streuen um ±15 % in der Empfindlichkeit und haben bis zu ±0,1 mV/V Nullpunktfehler. Im ungünstigsten Fall liegen bei Volllast 3,3 V · (1,15 + 0,1) mV/V ≈ 4,1 mV an, ohne Last bis zu −0,33 mV. Der Ausgang des INA333 reicht von 0,05 bis 3,25 V. Mit REF = 0,5 V bleiben nach oben 2,75 V; mit etwas Reserve wählst du G ≈ 600:

Der nächste Wert der E96-Reihe ist 169 Ω, damit wird G = 1 + 100 kΩ / 169 Ω ≈ 593.

3. Ausgangsbereich prüfen.

• Nennwert, 5 kg: 0,5 V + 593 · 3,3 mV ≈ 2,46 V
• ungünstigste Zelle, 5 kg: 0,5 V + 593 · 4,1 mV ≈ 2,95 V – unter 3,25 V
• ungünstigster Nullpunkt, 0 kg: 0,5 V − 593 · 0,33 mV ≈ 0,30 V – über 0,05 V

4. Interne Spannungen. Die Eingangsverstärker im INA333 geben die Gleichtaktspannung plus oder minus die halbe verstärkte Differenz aus: 1,65 V ± 593 · 4,1 mV / 2 ≈ 1,65 V ± 1,2 V. Das sind 0,43 bis 2,87 V, innerhalb der Versorgung.

5. Auflösung. Ein 12-Bit-ADC an 3,3 V löst 0,81 mV auf. An der Brücke entspricht das 0,81 mV / 593 ≈ 1,36 µV, bei 3,3 mV für 5 kg also gut 2 g pro Stufe. Das Rauschen des INA333 von 1 µV Spitze-Spitze (0,1 bis 10 Hz) liegt in derselben Größenordnung; Mitteln über einige Messungen glättet es.

6. Fehler. Höchstens 25 µV Offset werden zu 15 mV am Ausgang, das entspricht 38 g. Eine Tara beim Einschalten zieht ihn ab. Die Drift von höchstens 0,1 µV/K ist mit 0,15 g pro Kelvin vernachlässigbar. Die Brücke zieht 3,3 V / 1 kΩ = 3,3 mA.

Im Programm ziehst du den Leerwert ab und rechnest mit einem Faktor, den du einmal mit einem bekannten Gewicht bestimmst:

const int PIN_WAAGE = 26;          // ADC-Eingang (z. B. Raspberry Pi Pico)
float leer = 0;                    // Tara-Wert in ADC-Stufen
const float GRAMM_PRO_STUFE = 2.06; // mit bekanntem Gewicht kalibrieren

float mittelwert(int n) {
  long summe = 0;
  for (int i = 0; i < n; i++) summe += analogRead(PIN_WAAGE);
  return (float)summe / n;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12);
  delay(500);                      // Brücke und Filter einschwingen lassen
  leer = mittelwert(64);           // Tara: Waage muss leer sein
}

void loop() {
  float gramm = (mittelwert(64) - leer) * GRAMM_PRO_STUFE;
  Serial.println(gramm, 0);
  delay(250);
}

Bauteilliste

Varianten

HX711 statt INA333. Für eine reine Waage ist ein fertiger Wägezellen-Wandler wie der HX711 oft die einfachste Lösung: Verstärker mit 128-facher Verstärkung und 24-Bit-ADC in einem Chip, ausgelesen über zwei Pins. Er misst aber nur 10 oder 80 Mal pro Sekunde und ist schwer an andere Sensoren anzupassen. Den INA333 nimmst du, wenn das Signal analog weitergehen soll oder dein ADC schon vorhanden ist.

Mehr Auflösung. Ein externer Delta-Sigma-ADC wie der ADS1220 hat einen eingebauten Verstärker und misst die Brücke direkt ratiometrisch mit 24 Bit.

Diskreter Aufbau. Ein einfacher Subtrahierer mit vier Widerständen belastet die Brücke und verlangt Widerstände mit 0,01 % Gleichlauf. Erst mit zwei Spannungsfolgern davor wird daraus ein brauchbarer Instrumentenverstärker – genau das steckt im INA333.

Halbbrücke oder Viertelbrücke. Mit nur einem DMS auf einem Bauteil ergänzt du die Brücke mit drei Präzisionswiderständen gleichen Werts. Das Signal ist dann viermal kleiner, und die Temperatur geht stärker ein.

Lange Leitungen. Hängt die Zelle an mehreren Metern Kabel, kommt vor die Eingänge ein Filter gegen Funkstörungen: je 1 kΩ in Reihe und Kondensatoren von 10 nF nach Masse sowie 100 nF zwischen den Eingängen. Wie Störungen einkoppeln, erklärt EMV.

Typische Fehler

• Gewicht zeigt negativ: S+ und S− vertauscht. Die Aderfarben sind nicht genormt; einfach die beiden Signaladern tauschen.
• Ausgang klebt an 3,25 V oder 0,05 V: Der Nullpunkt der Zelle passt nicht zu REF, oder eine Ader hat keinen Kontakt. Miss S+ und S− gegen Masse: Beide müssen bei etwa 1,65 V liegen, ihre Differenz bei wenigen Millivolt.
• Wert driftet nach dem Einschalten: Die DMS erwärmen sich durch den Brückenstrom einige Minuten lang. Erst danach tarieren, oder die Brücke nur zum Messen einschalten.
• Wert springt um Dutzende Gramm: Schaltregler oder WLAN-Modul stören. Masse sternförmig führen, die Versorgung der Brücke mit einem RC-Filter beruhigen und Mittelwerte bilden.
• REF direkt aus einem Teiler: Der Innenwiderstand des Teilers liegt in Reihe zum internen Widerstand an REF und verfälscht Verstärkung und Gleichtaktunterdrückung. REF immer niederohmig treiben.
• Waage zeigt unter Seitenlast falsch: Die Wägezelle ist nicht richtig montiert. Sie muss an einem Ende fest verschraubt sein, die Last am anderen Ende angreifen; der Pfeil auf der Zelle zeigt die Kraftrichtung.

Selbsttest