Operationsverstärker-Grundfunktionen

Begleitkurs zum Elektronik-Kalender 2010, 17. bis 24. Dezember                 
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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

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