Laborübungen zu den Operationsverstärkern

Operationsverstärker
Der OP wurde einst für Rechenoperationen entwickelt. zB. differenzieren, integrieren, addieren,
subtrahieren, multiplizieren usw.
Anwendungen eines OP:
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Komparator
Verstärker
Aktive Filter
Regler
Oszillator
Mischer
Bsp. uA741, LM741 V = ca. 100.000
Heimo Gaicher
5ABELI
07.10.2009
Operationsverstärker
1.) OP als Komparator
Verstärkt wird die Differenzeingangsspannung UD mit der entsprechenden Verstärkung.
Durch die hohe Verstärkung von 100000 werden bereits kleinste Differenzspannungen soweit verstärkt,
dass der Ausgang gegen + oder – der Versorgungsspannung aussteuert.
Z.B: 0,001V * 100000 = 100V d.h. der Ausgang wird durch die Versorgungsspannung begrenzt.
2.) OP als Subtrahierer
Heimo Gaicher
5ABELI
07.10.2009
Operationsverstärker
6V – 2V = 4 V
Da alle R gleich groß sind, beträgt die Verstärkung 1.
Möchte man gleichzeitig eine Verstärkung von z.B. 10 haben, werden einfach die Widerstände R3 und R4
um den Faktor 10 erhöht.
Im folgenden Beispiel werden zwei Spannungen subtrahiert und um das 10-fache verstärkt.
Da hier die höhere Spannung am – Eingang anliegt, wird die Ausgangsspannung negativ.
Ua = (-0,6 + 0,25)*10 = -3,5V
Die Schaltung findet ihren Einsatz z.B. in Regelkreisen.
Beispiel Tempomat:
Ebenso können z.B. zwei verschiedene Frequenzen an beiden Eingängen subtrahiert werden.
Heimo Gaicher
5ABELI
07.10.2009
Operationsverstärker
3.) OP im invertierenden Betrieb
4.) OP als Addierer (Anwendung z.B. als Mischpult)
Heimo Gaicher
2
1 2 3
1
5ABELI
07.10.2009
Operationsverstärker
5.) OP als Schmitt Trigger
Ein Schmitt-Trigger
Trigger ist als Schalter zu verstehen,
der nicht nur eine Schaltschwelle hat. Während
z.B. ein Transistor um seine Schaltschwelle
herum ständig zwischen "leitend" und nicht
leitend" pendelt, oder sogar unkontrollierbar
schwingt, hat der Schmitt-Trigger
Schmitt
zwei
definierte Schaltschwellen.
Je eine für die fallende und eine für die
steigende Flanke. In diesem Fall handelt es sich
um einen nicht-invertierenden
invertierenden Schmitt-Trigger.
Schmitt
Dabei wird der OP mit einem Widerstand R2
mitgekoppelt. Die Schaltung arbeitet
arbei dann als
Sinus-Rechteck-Wandler.
Wandler.
Eine solche Schaltung hat eine TriggerTrigger
Bedingung (Auslösung) bevor sie reagiert. Der
Schmitt-Trigger
Trigger funktioniert als
Schwellwertschalter.
Für die Spannungsschwellen sind die
Widerstände R1 und R2 verantwortlich. Daher
können die Schwellwerte exakt bestimmt und
Störpegel ausgeblendet werden.
Durch geeignete Wahl der Widerstände kann
man das Hysterese-Fenster
Fenster beeinflussen.
Heimo Gaicher
5ABELI
07.10.2009
Operationsverstärker
Der invertierende Verstärker eignet sich
hervorragend als aktiver Filter. Der Grund
ist der Verstärkungsfaktor Vu, der Null sein
kann.
Die Grundschaltung des Integrators ist der
invertierende Verstärker. Der
Rückkopplungswiderstand ist durch einen
Kondensator ersetzt. Mit dem Kondensator
Kondens
wird die Rückkopplung vom Ausgang auf
den Eingang frequenzabhängig gemacht.
Dadurch wird die ganze Schaltung
frequenzabhängig. Mit steigender Frequenz
nimmt die Ausgangsspannung ab. Der
Integrator zeigt sein Tiefpassverhalten.
Bei bestimmten Anwendungen
Anwendun
muss der
Widerstand R2 in der Schaltung sein. Er ist
meistens sehr hochohmig (MΩ). Bei R1 = R2
eignet sich die Schaltung zur arithmetischen
Mittelwertbildung.
6.) OP als Integrierer
Spannungsverlauf:
Der Operationsverstärker versucht durch Erhöhen der Spannung Ua den Kondensator C mit Strom zu
laden, bis die maximale Ausgangsspannung erreicht ist. Der Kondensator C lädt sich über den Widerstand
R1 mit dem Strom IC auf. Dabei steigt die Ausgangsspannung Ua an.
Wechselt die Eingangsspannung
gangsspannung die Polarität, entlädt sich der Kondensator wieder.
Die Ausgangsspannung Ua sinkt. Die Eingangsspannung Ue fällt über den Eingangswiderstand R1 ab
(invertierender Eingang = virtueller Nullpunkt). Der Strom IC ist in diesem Beispiel konstant, da die
Eingangsspannung Ue konstant ist. Das muss aber nicht immer so sein.
Bei konstanter Eingangsspannung steigt die Ausgangsspannung mit umgekehrtem Vorzeichen linear an.
Ua = -Ue
Die Integrationszeitkonstante τi = R1*C gibt die Zeit an, bis wann die maximale Ausgangsspannung
erreicht ist.
Mit steigender Frequenz nimmt die Ausgangsspannung ab. Der Integrator zeigt sein Tiefpassverhalten.
Heimo Gaicher
5ABELI
07.10.2009
Operationsverstärker
7.) OP als Differenzierer
Auch beim Differenzierer werden frequenzabhängige Bauteile verwendet, allerdings nicht in der
Gegenkopplung, sondern am Eingang der Schaltung. Fließt durch den Kondensator aufgrund von
zeitlichen Änderungen der Eingangsspannung ein Lade-/
Lade / Entladestrom, bedingt das einen
Spannungsabfall am Widerstand und damit eine Änderung der Ausgangsspannung.
Ausgangsspannung. Der Differenzierer
wird in der Regelungstechnik eingesetzt, wobei die praktische Realisierung eines reinen Differenzierers
nur eingeschränkt möglich ist. Der Differenzierer wird meistens in Kombination mit
Proportionalverstärker und Integrator (PD(PD und PID-Regler) eingesetzt.
Der Differenzierer kann auch als Hochpass aufgefasst werden: Der Kondensator am Eingang sperrt die
Gleichspannung und je höher die Frequenz ist, desto kleiner ist der Blindwiderstand des Kondensators.
Der Frequenzgang nimmt in diesem
em Schaltungsbeispiel als Filter erster Ordnung um 6 dB pro Oktave zu.
Als Differentialgleichung lässt sich die Ausgangsspannung Ua beschreiben als
mit der Zeitkonstanten τ = RC.
Damit sich eine Schaltung ergibt, die mit einem realen
Operationsverstärker stabil funktioniert, wird zu dem
Kondensator ein Widerstand in Reihe geschaltet, der
die Verstärkung für hohe Frequenzen begrenzt.
Heimo Gaicher
5ABELI
07.10.2009
Operationsverstärker
8.) OP als Elektrometerverstärker
1 2
2
1
1
1
Re = MΩ bis GΩ
9.) OP als Impedanzwandler (Spannungsfolger)
Heimo Gaicher
5ABELI
07.10.2009