Operationsverstärker

Der Lernende kann ...

Der Lernende kann ...

Der Lernende kann...

Bild 4.1.1 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.

Bild 5.1.1 zeigt das grundsätzliche Regelungsprinzip einer längsstabilisierten Spannungsquelle. Die Funktionsweise liegt darin, dass die Differenz aus transformierter und gleichgerichteter Eingangsspannung Ue und der gewünschten Ausgangsspannung Ua 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 Ua beispielsweise kleiner, so wird über den Messumformer der lstwert 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 Ua 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 lstwertes 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_Laas ist eine wesentliche Störgröße im Regelkreis. Eine weitere relevante Störgröße ist die Schwankung der Eingangsspannung Ue. Sie wird im allgemeinen über einen Netztrafo mit nachfolgendem Brückengleichrichter und einem Glättungskondensator gewonnen. Neben der Netzspannungsschwankung weist die Eingangsspannung Ue durch die eingeschränkte Siebung der Glättungskondensatoren einen erheblichen Spannungsbrummanteil auf, der ebenfalls ausgeregelt werden muss. Im Falle einer augenblicklichen Spannungsabsenkung der Eingangsspannung Ue wird Ua ebenfalls kleiner. Der lstwert x wird kleiner. Die Regelabweichung x_w=x−w wird größer, so dass der Regler den Transistor weiter durchsteuert und Ua trotz niedrigerer Eingangsspannung auf den ursprünglichen Wert wieder nachgeregelt wird. Die meisten Stromversorgungsgeräte enthalten noch eine eingebaute Strombegrenzung. Wird der Strom durch R_Last 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 Bild 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 OP’s können wir grob in vier Gruppen einteilen. Sie sollen zunächst kurz zusammengefasst werden. Später werden die wichtigen Kenngrößen noch näher beschrieben.

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. Nur 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 erlangt man zu sachlogischen Einsichten in die Funktionszusammenhänge von elektronischen Schaltungen.