Operationsverstärker-Grundfunktionen
Der OPV als Komparator
Die Schaltung am 13. Dezember
vergleicht die Spannungen an beiden Eingängen des OPV. Man nennt
sie deshalb auch Vergleicher oder Komparator. Das funktioniert so: Wenn
z.B. die Spannung am oberen Eingang um 1 mV größer ist als am
unteren Eingang, dann wird dieser kleine Unterschied etwa 100.000 mal
verstärkt. Das macht dann theoretisch 100 V, praktisch wird der
Ausgang übersteuert und erreicht die oberste mögliche
Spannung, ca. 1,5 V unter der Betriebsspannung. Umgekehrt erscheint ca.
0 V am Ausgang, wenn die obere Spannung etwa kleiner ist als die am
unteren Eingang. Wegen der großen Verstärkung stellt sich
praktisch niemals eine mittlere Ausgangsspannung ein. Der Ausgang ist
immer entweder hoch („größer“) oder tief
(„kleiner“).
Das
Messobjekt ist die LED mit der Kathode an Masse, also im
Solarzellen-Betrieb. Sie erzeugt bei Beleuchtung eine kleine Spannung
von ca. 1 V bis 1,5 V. Wieder ist es nicht möglich, U1 mit einem
DVM zu messen, ohne dass diese Spannung stark beeinflusst wird. Aber
die Spannung U2 am Poti können Sie messen. Stellen Sie die
Spannung scharf an den Umschaltpunkt. Sie erfahren damit, wie
groß U1 ist.
Finden Sie vielleicht doch einen weichen
Übergang zwischen An und Aus? Das scheint nur so und liegt
wahrscheinlich an einem Flackern Ihrer Beleuchtung. Der
Komparator-Ausgang erzeugt dann ein Rechtecksignal mit 100 Hz. Wenn Sie
ein Oszilloskop haben, können Sie es nachweisen.
Auch bei
Dunkelheit geht die Spannung an der LED nicht auf Null, sondern sie
beträgt mindestens ca. 1,3 V. Das ist darauf
zurückzuführen, dass der OPV-Eingangsstrom von ca. 50 nA
durch die LED fließt. Erst bei größerer Helligkeit
steigt die Spannung deutlich an. Mit einer extrem hellen
LED-Taschenlampe und gerade frisch geladenen Akkus konnte ich bis zu
1,6 V messen. Für die einfache Messung habe ich übrigens den
OPV mit Gegenkopplung wie im Versuch 10 verwendet, nur mit der
richtigen LED-Polung.
Wer misst, misst Mist. Wenn Sie diese
Regel nicht vergessen, können Sie durchaus auch einmal versuchen,
die von der LED abgegebene Spannung direkt zu messen. Sie ist dann
wegen der Belastung mit 10 MΩ etwas geringer als im Leerlauf. Ich
messe nun bis zu 1,5 V bei 0,15 µA. Immerhin, vielleicht
könnte man die LED sinnvoll als Solarzelle einsetzen. Mit
Kondensatorpufferung ließe sich einige Energie sammeln. (siehe: LED als Solarzelle? )
Am 14. Dezember
wird die LED tatsächlich wie eine Solarzelle eingesetzt. Sie
erzeugt die erforderliche Basisspannung für den NPN-Transistor.
Die OPV-Schaltung mit voller Gegenkopplung entspricht wieder dem
Versuch am 10. Dezember, aber diesmal erreicht man dank der
Stromverstärkung des Transistors eine wesentlich höhere
Empfindlichkeit.
Messen
Sie einmal die Spannung U1 direkt an der Basis. Wieder gilt, dass die
Spannung wegen des endlichen Innenwiderstands des Messgeräts
einbricht. Sie brauchen wesentlich mehr Licht, um den Umschaltpunkt zu
erreichen. Er liegt bei einer Basisspannung von ca. 0,45 V.
Schluss mit Licht, jetzt wird die Temperatur ausgewertet. Der Versuch vom 15. Dezember bildet wieder einen Komparator, aber diesmal mit einem Transistor als Temperatursensor.
Messen
Sie einmal die Sensorspannung U1. Das Messgerät verursacht zwar
auch hier wieder einen Messfehler, er ist aber relativ gering, weil der
Innenwiderstand des Transistors klein ist. Mein Messergebnis ist 540 mV
bei 22 Grad. Bei Berührung mit dem Finger sinkt die Spannung
deutlich unter 530 mV. Für Dioden und Transistoren gilt: Die
Durchlassspannung verringert sich bei Erwärmung um 2 mV/K. Ein
Unterschied von 10 mV bedeutet also einen Temperaturunterschied von
fünf Grad.
Der Versuch am 16. Dezember
verwendet zwei Sensoren, deren Spannung verglichen wird. Messen Sie U1
und U2 und entscheiden Sie selbst, welche von beiden größer
ist. Der OPV entscheidet auch und gibt sein Ergebnis an der LED
bekannt. Wenn die Entscheidungen nicht übereinstimmen, kann das
zwei Gründe haben:
1. Die Offsetspannung des OPV führt zu einer Verfälschung
2. Sie messen gerade an einem der Sensoren und beeinflussen seine Spannung etwas
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