Operationsverstärker-Grundfunktionen

Begleitkurs zum Elektronik-Kalender 2010, 13. bis 16. Dezember                               
Elektronik-Labor
 Literatur  Projekte  Lernpakete  Kalender

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




zurück


Elektronik-Labor  Literatur  Projekte  Lernpakete  Kalender