Operationsverstärker-Grundfunktionen
Begleitkurs zum
Elektronik-Kalender 2010, 17. bis 24. Dezember
Blinker und
Generatoren
Nur
noch acht Tage bis Weihnachten. Haben Sie schon gedacht, das wird noch
anstrengend mit diesem Kurs? Viel kommt aber nicht mehr, denn es gibt
im Kalender nur noch eine neue Grundschaltung, alles andere sind
Anwendungen der schon bekannten Schaltungen.
Die neue Schaltung am 17. Dezember
ist ein Rechteckoszillator bzw. LED-Blinker. Wenn Sie die
Schaltung mit den bisherigen OPV-Schaltungen vergleichen, erkennen Sie
schon, dass es keine starke Gegenkopplung gibt. Eher ähnelt die
Schaltung
einem Komparator wie in den vorangegangenen Versuchen. Neu ist aber
eine Rückkopplung: Der Widerstand mit 10 kΩ liegt zwischen
Ausgang und nicht-invertierendem Eingang. Messen Sie einmal die
Spannungen U1 und U2 und versuchen Sie die Funktion nachzuvollziehen.
Die
Spannungen ändern sich so schnell, dass man Probleme hat, sie zu
messen. Sie können aber den Elko mit 10 µF einsetzen und das
Blinken damit um den Faktor 100 langsamer machen. Das reicht, um alles
in Ruhe zu untersuchen. Sie finden plötzliche
Spannungssprünge an U1 und ein langsames Ansteigen und Abfallen
der Spannung U2. In einem Diagramm oder bei einer Messung mit dem
Oszilloskop
sieht das so aus:
Um
das alles noch genauer und in aller Ruhe zu untersuchen, können
Sie eine Änderung in die Schaltung einbauen. Am invertierenden
Eingang liegt jetzt nicht mehr der Ladekondensator, sondern ein Poti.
Wenn Sie das Poti langsam hin- und herdrehen, entsteht am Ausgang
ebenfalls ein Rechecksignal.
Die
Rückkopplung führt dazu, dass die Spannung am
Eingangs-Spannunsgteiler mit zweimal 330 kΩ nicht in der Mitte
liegt, sonders weit unten (0,3 V) und weit oben (6,5 V), je nach
Ausgangszustand. Immer wenn die am Poti eingestellte Spannung U2
zwischen diesen Eckwerten liegt, bleibt die Ausgangsspannung wie sie
ist. Wenn Sie aber die Spannung U1 erreichen bzw. überschreiten,
kippt die Schaltung um. Der Komparator kommt dann nämlich zu einem
neuen Ergebnis, und die Rückkopplung verstärkt schlagartig
den Unterschied.
Diese Schaltung nennt man einen
„Schmitt-Trigger“. Sie dient dazu, aus einer sich
allmählich ändernden Eingangspannung eine Ausgangsspannung
mit nur zwei Werten zu erzeugen, hoch oder tief. Wenn Sie jetzt wieder
die ursprüngliche Spannung ansehen, erkennen Sie, dass das Poti
durch einen Widerstand und einen Kondensator ersetzt ist. Die Schaltung
dreht sozusagen selbst an ihrem Poti, immer hin und zurück.
Wussen Sie schon, das auch eine Si-Diode Licht
erzeugt?
Der weiche Blinker am 18. Dezember
ist eine Kombination aus dem Blinker und einem nachfolgenden
Pufferverstärker. Aber die Spannung wird direkt vom
Ladekondensator abgenommen und ändert sich daher allmählich.
Die
Schaltung arbeitet mit einem Ladekondensaotr mit 200 nF (zweimal 100 nF
parallel). Entfernen Sie einen der Kondensatoren aus der Schaltung,
dann wird das Blinken doppelt so schnell. Setzen Sie einen Elko mit 10
µF ein, dann wird die Blinkfrequenz 50-mal langsamer als bei der
ursprünglichen Schaltung. Die Periodendauer ist proportional zur
Kapazität. Versuchen Sie des durch entsprechende Zeitmessungen
nachzuweisen.
Eine Änderung des Ladewiderstands führt am 19. Dezember
ebenfalls zu einer Veränderung der Blinkfrequenz. Statt der
weichen Übergänge können Sie auch wieder harte
Schaltflanken verwenden. Dazu müssen Sie den Pufferverstärker
nur an einer anderen Stelle des Oszillators anschließen.
Wenn
Sie nun statt 10 µF wieder nur 100 nF einsetzen, entsteht eine
Blinkfrequenz von ca. 200 Hz. Wie Sie sehen, sehen Sie nichts, denn es
geht viel zu schnell. Aber eine schnelle Bewegung des Kopfes löst
das schnelle Blinken wieder in Einzelereignisse auf.
Diese Art
der schnellen Schaltsignale wird auch verwendet, um die LED-Helligkeit
zu steuern. Man bezeichnet das Verfahren als PWM
(Pulsweitenmodulation). Einige neuere PKW verwenden es offenbar in
ihren LED-Rücklichtern. Wenn sie schnell vorbeifahren, sieht man
einzelne Lichtpunkte.
Am 20.
Dezember
wird die Schaltung noch einmal erweitert. Jetzt gibt es ein
Tiefpassfilter aus einem Widerstand von 2,2 MΩ und einem
Kondensator mit 100 nF. Es soll die scharfen Umkehrpunkte des
ursprünglichen Signals abrunden.
Ein
solches Filter hat eine Grenzfrequenz, die ungefähr zur
Blinkfrequenz passen sollte. Auch für diese Aufgabe steht schon
ein Online-Rechner bereit: RC-Glied
und Grenzfrequenz. Das Programm sagt, dass das
Filter eine obere Grenzfrequenz von 0,7 Hz hat. Passt. So ungefähr.
Das Entspannungslicht vom 21. Dezember
hat ein doppeltes Tiefpassfilter und liefert damit noch weichere
Übergänge, damit keinerlei Hektik aufkommt und die
Entspannung auch in diesen Tagen noch gelingt.
Ein
paar Widerstände haben Sie ja noch. Setzen Sie mal 10 kΩ
oder andere Werte dort ein, wo die Fingerkontakte liegen sollten. Auch
das Poti macht an dieser Stelle Sinn. Sie können damit
verschiedene Frequenzen einstellen. Versuchen Sie mal durch Vergleiche
herauszubekommen, welchen Widerstand Ihr Finger so etwa hat. Dazu
brauchen Sie kein Messgerät, eine Uhr reicht schon.
Der Versuch vom 22. Dezember
kombiniert den Rechteckgenerator mit dem Lichtsensor. Außerdem
wurde mit einer Diode das Puls/Pausenverhältnis stark
verändert. In einer Richtung ist die Spannungsänderung am
Ladekondensator nun sehr schnell, deshalb entstehen kurze Lichtblitze.
Der
Lichtsensor ist etwas anders aufgebaut als in den bisherigen
Schaltungen. Die LED arbeitet als Lichtsensor in Sperrrichtung. Der
Transistor werkelt in Kollektorschaltung und sorgt für die
nötige Stromverstärkung.
Siehe auch: Lichtmessung mit Fotodiode
Am 23.
Dezember
geht es um die Wahrheitsfindung, haben die Kinder etwa schon vorab die
Geschenke ausspioniert? Die Schaltung fällt etwas aus dem Rahmen
und basiert wieder auf dem Komparator, ähnlich wie am 13. Dezember.
Messen
Sie einmal die Spannung am Schleifer den Potis während des
normalen Betriebs. Welche Änderungen treten hier auf, wenn jemand
im Verhör unter Druck gerät?
Die Schaltung am 24 Dezember
soll ganz automatisch arbeiten und den Weihnachtsbaum schmücken.
Hier wird ein Rechtecksignal doppelt gefiltert, dann mit der zweiten
Hälfte des Doppel-OPV gepuffert und den beiden LEDs
zugeführt.
Eigentlich
ist schon alles gemessen, was zu messen ist. Höchstens eine Frage
ist noch offen: Wie lange wird wohl die Batterie halten? Können
Sie das allein mit Spannungsmessungen klären? Sie können
davon ausgehen, dass fast der gesamte Strom durch die beiden LEDs
fließt, während der OPV-Betriebsstrom (fast) vernachlässigt
werden kann. Messen Sie den mittleren Spannungsabfall an beiden
LED-Vorwiderständen und bestimmen Sie daraus den jeweiligen
LED-Strom. Kann man beide Ströme einfach addieren, oder ist das
wegen der Reihenschaltung weniger angebracht? Die Entscheidung
überlasse ich Ihnen. Aber falls Sie z.B. auf einen mittleren
Betriebsstrom von 4 mA kommen, sollte eine frische Batterie mit 500 mAh
etwa 125 Stunden lang halten. Das müsste reichen, denn nach zehn
Tagen bei 50% Einschaltdauer ist der Weichnachtsbaum sowieso
vertrocknet und wird dann
traditionell aus dem Fenster geworfen.
Siehe auch: Einstieg in die
Elektronik mit OPV
zurück
