Skalar

Ein Scalar in der Industrieelektronik ist eine Verstärkerstufe, die ein Eingangssignal nimmt und es mit einem konstanten Verstärkungsfaktor multipliziert ausgibt. Anders als ein vollwertiger Operationsverstärker oder ein Regelungssystem hat ein Scalar eine Aufgabe: er wendet lineare Verstärkung mit einem festen Verhältnis an. Ein- und Ausgang sind typischerweise über den Betriebsbereich proportional, wobei die Verstärkung als Spannungsverhältnis ausgedrückt wird (10 V/V bedeutet, dass ein 1-Volt-Eingang 10 Volt Ausgang erzeugt) oder in Dezibel (20 dB Verstärkung ist ein Faktor von 10).

Scalars erscheinen in Signalaufbereitungsketten, Sensorschnittstellen und Prüfinstrumentationen. Eine Wägezelle könnte 2 Millivolt pro 1000 Pfund Kraft ausgeben; ein Scalar verstärkt dies zu einem nutzbaren Bereich von 0 bis 10 Volt für die Analog-Digital-Umwandlung oder Anzeige. Industriesensoren befinden sich oft zu weit entfernt von ihren Auswerteelektroniken, um die Signalübertragung auf nativen Pegeln praktisch zu gestalten, daher gleichen Scalars Kabelabfall und Impedanzfehlanpassung aus. Sie isolieren auch hochohmige Sensoren von niederohmigen Lasten.

Ausführungen und Realisierung

Ein passiver Scalar nutzt Spannungsteiler oder Abschwächer, um die Signalamplitude zu reduzieren; ein aktiver Scalar verwendet einen Op-Amp, der für nicht-invertierende oder invertierende Verstärkung ausgelegt ist, typischerweise mit Rückkopplungswiderständen, die den Multiplikationsfaktor festlegen. Integrierte Scalar-Schaltkreise sind in Analogsignalverarbeitungsmodulen verbreitet. Die Verstärkung wird üblicherweise zur Designzeit eingestellt, obwohl Potentiometer-basierte Ausführungen eine Feldanpassung ermöglichen. Einige Industrie-Scalars enthalten Filterung oder Offset-Anpassung, um ein Sensorsignal um Null oder um eine Referenzspannung herum zu zentrieren.

Häufige Ausfallmoden sind Widerstandsdrift, die das Verstärkungsverhältnis über Temperatur oder Zeit ändert, und Sättigung, wenn das Eingangssignal den Ausgangshub des Verstärkers überschreitet. Ein Scalar mit 10 V/V Verstärkung, der mit 2 Volt Eingang versorgt wird, versucht, 20 Volt zu erzeugen, wird aber auf den maximalen Ausgang des Verstärkers begrenzt (oft 12 oder 15 Volt), was Verzerrungen durch Clipping einführt. Bei Präzisionsmessungen können Temperaturkoeffizienten von Widerständen (typischerweise 25 bis 100 ppm pro Grad Celsius) die Kalibrierung verschlechtern.

Der Begriff "Scalar" stammt aus der Mathematik: eine Skalarquantität hat nur Größe, keine Richtung. Bei der Signalverarbeitung multipliziert eine Scalar-Operation ein Signal mit einer Zahl, ohne seinen Grundcharakter zu verändern. Dies unterscheidet sich von Vektoroperationen (die Signale neu ausrichten oder kombinieren) oder Filterung (die die Frequenzantwort ändert). In einigen Kontexten, besonders in älteren Regelungssystemen, wird das Wort austauschbar mit "Verstärkungsbaustein" oder "Verstärkerstufe" verwendet.