Operationsverstärker

Der Lernende kann …

Das kleine Dreieck mit nachfolgendem Unendlichzeichen im neuen Schaltzeichen symbolisiert einen Verstärker mit sehr großer Verstärkung. Die Anschlüsse für die Versorgungsspannung werden üblicherweise nicht mitgezeichnet. In diesem Buch wird das neue OP‐Schaltzeichen verwendet. Nur in der Funktionsdarstellung von integrierten Schaltkreisen ist die alte Schaltzeichennorm tradiert und wohl auch übersichtlicher. OPs in Funktionsblöcken von ICs werden deshalb hier in alter Norm dargestellt.

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Operationsverstärker werden nur relativ selten ohne zusätzliche äußere Beschaltung verwendet. Dem OP werden durch verschiedene Rückkopplungsbeschaltungen bestimmte Eigenschaften verliehen. Wird die Ausgangsspannung so auf einen der Eingänge geführt, dass sie sich zur Eingangsspannung addiert, so liegt eine Mitkopplung vor, wird sie subtrahiert, so spricht man von einer Gegenkopplung. Die Mitkopplung erhöht die Neigung zur Instabilität. Sie wird verwendet, wenn ein entsprechendes Schaltverhalten des Verstärkers gewollt ist. Soll ein Operationsverstärker kontinuierlich aussteuerbar sein, so ist stets eine Gegenkopplung erforderlich. Der invertierende Verstärker gilt als der klassische gegengekoppelte Analogverstärker. An ihm wird die Funktionsweise der Gegenkopplung deutlich.

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Der Komparator ohne Hysterese ist der offen betriebene OP ohne Beschaltung im Rückkopplungszweig. Der Komparator (compare = vergleichen) vergleicht eine Eingangsspannung mit einer Referenzspannung. Überschreitet die Eingangsspannung die Referenzspannung, so kippt der OP je nach Beschaltung in seine positive oder negative Aussteuergrenze.

Abb. 3.1 zeigt die einfachste Möglichkeit einer Komparatorschaltung. Es handelt sich um einen invertierenden Komparator. Seine Kippspannung liegt bei 0 V. Ist die Eingangsspannung größer als 0 V, so kippt der OP in die negative Aussteuergrenze, bei negativer Eingangsspannung kippt der OP in die positive Aussteuergrenze. Die Spannung von 0 V am +Input ist sinngemäß die Kippvergleichsspannung.

Nach Abb. 3.2 wird als zweite Möglichkeit ein nichtinvertierender Komparator mit einstellbarem Kipppunkt durch ein Potenziometer gezeigt. Durch das Poti kann am −Input die Spannung zwischen +5 und −5 V verstellt werden. In der Annahme, dass am −Input 3 V eingestellt sind, ergibt sich das Diagramm zur Schaltung in Abb. 3.2.

Abb. 4.1 zeigt verschiedene Grundschaltungen. In den meisten Beispielen wird die Ausgangsspannung über ein Widerstandsnetzwerk so zurückgeführt, dass das Ausgangssignal auf das Eingangssignal schwächend oder verstärkend wirkt. Im ersten Fall spricht man von Gegenkopplung, im zweiten Fall von Mitkopplung. Sie sollen nun die Schaltungen von 1 bis 8 (Abb. 4.1) dem Begriff „Mitkopplung“ oder „Gegenkopplung“ zuordnen. Ist eine Zuordnung nicht möglich, so kennzeichnen Sie dies extra.

Auch dieses Bild zeigt wieder Zuordnungsbeispiele U_a = f(U_e). Fertigen Sie sich auch hier wieder eine Zuordnungsskizze an. Überlegen Sie für untere Schaltungen insbesondere den Schaltungsunterschied zwischen:

Abb. 5.1 zeigt das grundsätzliche Regelungsprinzip einer längsstabilisierten Spannungsquelle. Die Funktionsweise liegt darin, dass die Differenz aus transformierter und gleichgerichteter Eingangsspannung U_e und der gewünschten Ausgangsspannung U_a über einen steuerbaren Widerstand vernichtet wird. Diese Funktion wird von einem Leistungstransistor übernommen. Der Transistor ist regelungstechnisch das Stellglied. Wird über einen Lastsprung durch Veränderung des Widerstandes R_Last die Ausgangsspannung U_a beispielsweise kleiner, so wird über den Messumformer der Istwert x (Regelgröße) ebenfalls kleiner. Die Differenz zwischen Sollwert w (Führungsgröße) und Istwert x wird größer, so dass die Regelabweichung x_w (Regeldifferenz e) sich erhöht. Über einen Verstärker, dem sogenannten Regler, wird die Stellgröße y größer. Der Transistor wird weiter durchgesteuert. Die Ausgangsspannung U_a wird damit wieder soweit nachgeregelt, bis die Regelabweichung praktisch Null wird. Die Ausregelung orientiert sich immer nach dem Sollwert w, der sogenannten Referenzspannungsquelle. Sie wird im einfachsten Fall durch eine Z‐Diode realisiert. Jedes spannungsstabilisierte Netzgerät benötigt eine Spannungsreferenz, nach der die Ausregelung des Istwertes erfolgt. Für hochwertige Netzgeräte werden an die Referenzspannung hinsichtlich Spannungskonstanz hohe Anforderungen gestellt. Erreicht wird diese Spannungsstabilität durch stromkonstante Einspeisung von temperaturkompensierten Z‐Dioden. Die ständige Veränderung der Stromentnahme durch R_Last ist eine wesentliche Störgröße im Regelkreis. Eine weitere relevante Störgröße ist die Schwankung der Eingangsspannung U. Sie wird im Allgemeinen über einen Netztrafo mit nachfolgendem Vollweggleichrichter und einem Glättungskondensator gewonnen. Neben der Netzspannungsschwankung weist die Eingangsspannung U durch die eingeschränkte Siebung der Glättungskondensatoren einen erheblichen Spannungsbrummanteil auf, der ebenfalls ausgeregelt werden muss. Im Falle einer augenblicklichen Spannungsabsenkung der Eingangsspannung U wird U ebenfalls kleiner. Der Istwert x wird kleiner. Die Regelabweichung x = x − w wird größer, so dass der Regler den Transistor weiter durchsteuert und U trotz niedrigerer Eingangsspannung auf den ursprünglichen Wert wieder nachgeregelt wird. Die meisten Stromversorgungsgeräte enthalten noch eine eingebaute Strombegrenzung. Wird der Strom durch R zu groß, so wirkt die elektronische Strombegrenzung sperrend auf das Stellglied. Der Strom wird begrenzt.

Das Bitmustersignal 1 und 0 in zwei verschiedene Frequenzen umzuwandeln ist ein bewährtes Verfahren zur sicheren Übertragung von Bitmustern über das Telefonnetz oder über das Stromversorgungsnetz zur Steuerung von Geräten. Die Frequenzen werden über einen Empfänger wieder in das ursprüngliche Bitmuster zurückverwandelt. Anwendung findet diese Technik weitverbreitet in Modems und Faxgeräten. Ein weiteres Beispiel wird in der Hausleittechnik im European Installation Bus, im sogenannten Powernet EIB, angewendet. Dieses Verfahren wird schematisch in Abb. 6.1 dargestellt. Hier wird der PC genutzt, um über eine Schnittstelle das Bitmuster als zwei verschiedene Frequenzen in das Netz einzukoppeln. Auf der Empfängerseite werden die Frequenzen in das ursprüngliche Bitmuster wieder zurückgewandelt und steuerungstechnisch ausgewertet. So könnte beispielsweise eine Lampe gedimmt oder ein Motor ein‐ oder ausgeschaltet werden. Das Umwandeln der digitalen Bitmusterinformation logisch 0 und 1 in zwei verschiedene Frequenzen ist technisch vielfach notwendig. Man denke nur an das Telefonnetz mit seinen überlagerten Störungen, wie stetiges Knacken o. ä. Würde das Bitmuster 0 und 1 direkt übertragen werden, so macht sich jedes „Knacken“ in der Leitung als zusätzliche Bitmusterverfälschung bemerkbar. Eine fehlerfreie Bitmusterübertragung wäre schwer möglich. Eine Umwandlung des Bitmusters in zwei verschiedene Frequenzen ermöglicht deshalb eine einwandfreie Übertragung, weil die Modems bzw. Empfänger nicht 1‐0‐Signale, sondern die Frequenzen auswerten. Knackgeräusche in der Telefonleitung oder Spannungsüberhöhungen in der Netzleitung verändern nicht die Grundharmonische der Übertragungsfrequenzen, und nur diese werden von den Filtern auf der Empfängerseite ausgewertet und zu 1‐0‐Signalen verarbeitet.

Die Kenngrößen eines OPs können wir grob in vier Gruppen einteilen. Sie sollen zunächst kurz zusammengefasst werden. Später werden die wichtigen Kenngrößen noch näher beschrieben.

In Internetforen stellt sich häufig die Frage, inwieweit sind Operationsverstärker‐ICs und Komparator‐ICs miteinander austauschbar? Die Frage stellt sich aus mehreren Beweggründen. So sind die Schaltzeichen für Komparator‐ICs und Operationsverstärker‐ICs in den Datenblättern mit wenigen Ausnahmen in der Darstellung identisch und die Grundfunktion eines Verstärkers mit sehr hoher Verstärkung liegt ebenfalls vor. Hingegen ist der Preis von Standardkomparatoren in vielen Fällen wesentlich günstiger.

Weiter wäre es schon interessant, ein Vierfach‐Komparator‐IC gemischt als Analogverstärker und Komparator zu nutzen, wenn eine Schaltung dies erfordert. Vorstellbar wäre eine Temperatursensorschaltung mit Analogwertanzeige der Temperatur über einen OP‐Messverstärker kombiniert mit einer Komparatorschaltung zur Maximal‐ und Minimalanzeige der Temperatur beispielsweise mittels Leuchtdioden. Die Schaltung wäre mit OPs einfach zu realisieren, aber Komparatoren‐ICs haben doch Vorteile hinsichtlich ihres Preises und in Bezug auf das schnelle Schaltverhalten. Eine optionale Nutzung von Komparatoren als analoge Messverstärker wäre also wünschenswert.

Mit der allgegenwärtigen Verfügbarkeit von leistungsfähigen Computern, ist die Verwendung von Netzwerkanalyseprogrammen für Lernende geradezu ein Muss geworden. Erst das eigene Experimentieren mit elektronischen Schaltungen auf dem PC bringt unschätzbare Einsichten in die Schaltungsfunktion. Nur hier gelingt es, zeitökonomisch Bauteile zu verändern, hinzuzufügen und die Funktionsanalyse direkt bereitzustellen. Erst wenn die Funktionsanalyse die eigenen Vorstellungen bestätigt oder es möglich ist, die Funktionsänderungen so zu interpretieren, dass sie mit den eigenen Theorievorstellungen in Einklang zu bringen sind, nur dann befähigt man sich zu sachlogische Einsichten in die Funktionszusammenhänge von elektronischen Schaltungen. Der Hauptvorteil von diesen Programmen ist der, dass sich ein elektrischer Schaltkreis in seinem Verhalten simulieren lässt, bevor man ihn tatsächlich in der Praxis aufbaut. Das erlaubt Entscheidungen darüber, ob in einer Schaltung Änderungen hinsichtlich Bauteil‐ und Funktionstoleranzen sinnvoll sind. So könnten beispielsweise preiswertere Operationsverstärker bei gleicher oder ähnlicher Funktionstüchtigkeit eingesetzt werden. Das alles, ohne je ein Bauteil zunächst gekauft oder angefasst zu haben. Erst wenn die Schaltung hinsichtlich Bauteile‐ und Funktionstoleranz ausreichend verifiziert ist, wird es sinnvoll, die elektrische Schaltung praktisch aufzubauen und messtechnisch zu überprüfen.

Durch die hohe Energiedichte bei geringem Gewicht sind Li‐Ion‐Akkus heutzutage in weiten technischen Anwendungsbereichen vorzufinden. In Smartphones, Handys und in vielen Modellbaubereichen kommt es auf kompakte Abmessungen und geringes Gewicht an. All diese Akkus erfordern eine auf den Typ abgestimmte Ladetechnik, die bei der Projektierung berücksichtigt werden muss. Insbesondere muss die Ladeschlussspannung mit hoher Präzision eingehalten werden. So beträgt die Zellenspannung bei Lithium‐Ionen‐Akkus 3,6 V und bei Lithium‐Polymer‐Akkus 3,7 V, während die dazugehörigen Ladeschlussspannungen 4,1 und 4,2 V betragen. Sogar Spannungen bis 4,3 V sind laut Herstellerangaben schon möglich. Diese Spannungen dürfen keinesfalls überschritten werden. Für einen Universallader, der für die Ladung verschiedener Lithium‐Typen verwendbar sein soll, wird hierfür die Ladeschlussspannung über einen Trimmer präzise angepasst. Des Weiteren muss die Ladestromhöhe bzw. Ladestrombegrenzung auf die verwendete Kapazität der Zelle einstellbar sein. Ebenfalls ist eine Temperaturüberwachung des Akkus zu empfehlen. Ab einer bestimmten Akkutemperatur wird zum Schutz des Akkus der Ladevorgang unterbrochen. 60 °C Akkutemperatur sollten beim Ladevorgang in keinem Fall überschritten werden.