Operationsverstärker-Grundfunktionen

Begleitkurs zum Elektronik-Kalender 2010, 5. bis 9.
Dezember                           
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Und jetzt kommt der Operationsverstärker. Wie dieses Bauteil funktioniert, kann man in den OPV-Grundlagen nachlesen. Kurz gesagt: Der Operationsverstärker verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen. Der Versuch am 5. Dezember legt die Betriebsspannung an die Eingänge. Der Verstärker ist daher voll ausgesteuert. Das können die passenden Spannungsmessungen zeigen.

 

Sehen Sie, wie ich diesmal die Spannungen U1 bis U3 eingetragen habe? Wo ist der Minuspol des Messgeräts geblieben? Ganz klar, der Minuspol des Messgeräts wird an den Minuspol der Batterie gehalten. Die Minusleitung dient als Masseleitung. U1 bis U3 müsste man richtig als Potenziale bezeichnen. Wenn ich jetzt sage, „die Spannung am OPV-Ausgang ist U2“, dann ist das nur eine verkürzte Form von: „Zwischen Masse und dem OPV-Ausgang liegt U2“.
Schon bevor Sie die Spannung messen, ist teilweise klar, was zu erwarten ist. U1 ist natürlich ca. 9 V – 0,7 V = 8,3 V. Die Spannung U3 an der leuchtenden LED wird wieder bei etwa 2 V liegen. Aber U2 ist schwer einzuschätzen. Man könnte ins Datenblatt des LM358 schauen. Der Ausgang kommt nicht ganz an das Potenzial des positiven Versorgungspins heran. Im Inneren des Verstärkers gibt es einen Spannungsabfall von ca. 1,5 V. U2 ist daher so etwa 7 V. Am LED-Vorwiderstand von 1 kOhm liegt also nur noch ein Spannungsabfall von 5 V, der LED-Strom ist jetzt 5 mA. Die LED ist nicht so hell wie sie sein könnte, aber dafür hält die Batterie schön lange.

Haben Sie Spaß an einer kleinen Schaltungsänderung? Vertauschen Sie die beiden OPV-Eingänge. Der Ausgang geht dann auf eine kleine Spannung nahe Null. Und die LED ist aus. Die spannende Frage ist aber, wie nahe kommt der OPV an null Volt heran? (Ich sag nichts, da muss schon jeder selbst nachmessen oder das Datenblatt studieren.) Es gibt OPV-Typen, die kommen am Ausgang bis ganz an Null und an die positive Versorgungsspannung (rail to rail). Der LM358 gehört nicht ganz zu diesen Typen, aber am unteren Ende ist er schon sehr gut. Finden Sie auch irgendwas unter 100 mV?

 

Da die LED aus ist, fließt kein Strom, und es ist relativ einfach, bis nahe an Null zu kommen. Damit nun auch Strom fließt, verlegen Sie die LED nach oben. Und jetzt messen Sie U2 noch einmal. Wenn Sie richtig gemessen haben, ist U2 jetzt etwas größer (ich messe ca. 0,9 V). Sie können auch notieren, bei welchem Strom das gilt, denn der LED-Strom kann aus dem Spannungsabfall am Vorwiderstand bestimmt werden.


 
Der innere Spannungsabfall im OPV ist geringer als bei einer hohen Ausgangsspannung. Man sieht, dass der Operationsverstärker nicht ganz symmetrisch arbeitet. Der LM358 ist aber für einfache Betriebsspannung und Funktion bis an das GND-Potential heran optimiert. Die Eingänge funktionieren auch noch bei 0,000 V. Das liegt an den PNP-Transistoren an den Eingängen (siehe OPV-Grundlagen, Abb. 10.12).


Gegenkopplung

Alle Versuche ab Tag 6 bis zum Tag 12 haben eines gemeinsam: Der OPV-Ausgang ist direkt mit dem invertierenden OPV-Eingang verbunden. Der Verstärker arbeitet dabei mit voller Gegenkopplung. Im Endeffekt stellt sich die Ausgangsspannung dabei immer so ein, dass sie fast genau der Eingangsspannung am nicht-invertierenden Eingang entspricht. Wenn sich nämlich eine Differenz zeigen sollte, wird diese hoch verstärkt und führt den Ausgang so nach, dass die Ausgangsspannung wieder stimmt. Der verbleibende Unterschied ist auf eine kleine Unsymmetrie der Eingangsstufe zurückzuführen. Das Datenblatt sagt, dass diese Offsetspannung kleiner als 2 mV ist.

 

Ein Verstärker mit Verstärkung Eins, da könnte man auch sagen, dieser Verstärker verstärkt nicht. Wozu soll das gut sein? Tatsächlich wird die Eingangsspannung nicht verstärkt. Aber der OPV liefert eine große Stromverstärkung. Am Eingang kann man sich deshalb einen hochohmigen Spannungsteiler leisten (2,2 MΩ und der Finger mit vielleicht ebenfalls ein paar MΩ), obwohl am Ausgang die LED mit ihrem relativ kleinen Vorwiderstand betrieben wird. Nimmt man den Verstärker heraus und schließt die LED direkt an den Spannungsteiler, dann bricht dort die Spannung stark ein. Der OPV puffert die Eingangsspannung jedoch, belastet den Eingang kaum und stellt die Spannung am Ausgang niederohmig zur Verfügung.

Wenn Sie später am 9. Dezember das Trimmpoti ausgepackt haben, kehren Sie noch einmal zu diesem Versuch zurück und ersetzen Sie den Spannungsteiler durch das Poti.

 

Nun können Sie genau überprüfen, in welchen Bereich der OPV gut funktioniert. Messen Sie auch die Offsetspannung dU (Delta-U, Spannungsdifferenz). Mein Exemplar zeigte eine Offsetspannung von nur 0,4 mV. Und Ihrer?


 

Am siebten Tag wird ein Elko mit einem Widerstand von 2,2 MΩ sehr langsam entladen. Nehmen Sie den Widerstand einmal aus der Schaltung. Jetzt ändert sich die Elkospannung fast gar nicht mehr. Wenn Sie die Spannung direkt messen, entlädt Ihr Messgerät mit seinem Innenwiderstand von 10 MΩ den Elko relativ langsam. Sie können leicht eine mittlere Spannung von ca. 4 V einstellen.

Bei einer längeren Messung am Ausgang des OPV (U2) werden Sie feststellen, dass die Elkospannung ganz langsam ansteigt. Das liegt am Eingangsstrom des OPV. Messen Sie die Anstiegsrate möglichst genau und bestimmen Sie daraus den Eingangsstrom. Sie können den Onlinerechner Kapazität, Stromstärke, Spannung und Ladezeit dafür verwenden. Notieren Sie das Ergebnis. Später im Kurs wird dieser Strom noch einmal auf andere Art gemessen, sodass Sie es überprüfen können.



Nun kann auch wieder die Offsetspannung zwischen beiden Eingängen gemessen werden.

 

Am Tag 8 steht ein Blitzlicht auf dem Programm. Die Spannungen am OPV ändern sich so schnell, dass mit einem Digitalvoltmeter nichts mehr zu machen ist. Jetzt könnte man besser ein Oszilloskop einsetzen. Das DVM können Sie aber verwenden, um die Spannung am Elko zu messen. Nach dem Schließen des Schalters wird etwa 8,3 V gemessen. Nach dem Öffnen sinkt die Elkospannung nur langsam ab. Sie können abschätzen, wie lange es dauert, bis der nächste Blitz steigen kann.

Am Tag 9 können Sie den Blitz mit dem Trimmpoti so langsam machen, dass nun auch wieder die Ausgangsspannung mit dem DVM gemessen werden kann. Jetzt haben Sie auch das Poti und können es als Spannungsteiler einsetzen (s.o.).


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