18. April 2016 Elektronik 1 Martin Weisenhorn Übungsserie, Operationsverstärker 1 Aufgabe 1. Komparator Die Bezeichnung Komparator steht für Vergleicher. Gegeben ist die Schaltung in Abb. 1a. Die ue (t) ue (t) ua (t) uref (a) Variante 1. ua (t) uref (b) Variante 2. Abbildung 1: OPV als Komparator. Versorgungsspannungen sind nicht eingezeichnet aber vorhanden. Die Ausgangsspannung kann die Extremwerte UH = 10 V und UL = −10 V annehmen. die Spannung uref ist konstant gleich 5 V. Der Verlauf der Eingangsspannung ist in Abb. 2 dargestellt. ue (t) [V] 10 8 6 4 2 0 –2 –4 –6 –8 –10 0 1 2 t [ms] Abbildung 2: Sinussignal mit Offset am Eingang des OPV. a) Skizzieren sie den Verlauf der Ausgangsspannung den Sie erwarten. b) Nun werden die Eingänge des OPV vertauscht, siehe Abb. 1b. Skizzieren sie erneut den Verlauf der Ausgangsspannung den Sie erwarten. Übungsserie, Operationsverstärker 1, Elektronik 1 Aufgabe 2. 2 Fensterdiskriminator Das Schaltbild in Abb. 3 zeigt einen sogenannten Fensterdiskriminator. Die Spannungen sind +Vcc = +10 V und −Vcc = −10 V. Die Bauteilwerte sind R1 = 3 k, R2 = 1 k, R3 = 6 k R4 = 10 k, R5 = 1 k [R6 = 330 Ω V+ R6 V+ R1 V+ R4 OPV1 R2 T1 R5 V− V+ R4 ue (t) OPV2 R3 V− T2 R5 Abbildung 3: Fensterdiskriminator. a) Wie gross muss die Eingangsspannung sein, damit die LED leuchtet? Hinweis Die OPVs werden als Komparatoren verwendet. b) Welche Aufgabe könnte R5 haben? Aufgabe 3. Spannungsfolger Die folgende Schaltung ist eine der gebräulichsten überhaubt. ue ua Abbildung 4: Spannungsfolger a) Bestimmen Sie die Augangsspannung in Abhängigkeit der Eingangsspannung. Aufgabe 4. OPV mit Leistungsendstufe Der OPV in Abb. 5 kann einen Strom von 1 A liefern. Die Transistoren sollen jeweils bei einem Laststrom von ±0.5 A einsetzen. Übungsserie, Operationsverstärker 1, Elektronik 1 3 Vcc+ R R T1 T2 ue (t) ua (t) 220 kΩ Vcc− 470 Ω Abbildung 5: OPV mit Leistungsendstufe. a) Wie gross müssen die Widerständen R sein, damit die Forderung erfüllt wird. Gehen Sie davon aus, dass die Transistoren zu steuern beginnen sobald die Spannung UBE grösser als 0.6 V bzw. kleiner als −0.6 V ist. b) Wie hoch ist die die Spannungsverstärkung Au = ua (t)/ue (t) des gesamten Verstärkers? Übungsserie, Operationsverstärker 1, Elektronik 1 4 Lösung 1. a) Die hohe Verstärkung des OPV führt dazu, dass die Ausgangsspannung der positiven oder der negativen Aussteuergrenze entspricht sobald der Betrag der Differenzspannung Ud = Up − Un = ue (t) − uref grösser ist als 10 V . A Für eine Verstärkung A = 105 ist diese Spannung gleich 100 µV. Aus dieser Überlegung folgt der Verlauf der Ausgangssapnnung in Abb. 6. ue (t) uref (t) ua (t) [V] 10 8 6 4 2 0 –2 –4 –6 –8 –10 0 2 t [ms] 1 Abbildung 6: Signale am Komparator, Variante 1. b) Es gilt dieselbe Überlegung für die vorangegangene Teilaufgabe, mit dem Unterschied, dass das Vorzeichen der Ausgnagsspannung sich umdreht, siehe Abb. 7. ue (t) uref (t) ua (t) [V] 10 8 6 4 2 0 –2 –4 –6 –8 –10 0 1 2 t [ms] Abbildung 7: Signale am Komparator, Variante 2. Übungsserie, Operationsverstärker 1, Elektronik 1 5 Lösung 2. a) Es wird ein sogenannter Fensterdiskriminator realisiert. Solange die Eingangsspannung ue ausserhalb des „Fensters“ von 6 V bis 7 V befindet, leuchtet die LED. Begründung Die LED leuchtet, sobald einer der beiden Transistoren „eingeschaltet“ ist, d.h sobald einer der beiden OPVs eine positive Ausgangsspannung liefert. Das ist aber nur dann der Fall wenn die Eingangsspannung auserhalb des „Fensters„ liegt. b) Wir gehen vorerst davon aus, dass R5 fehlt. Wenn nun die Spannung am OPV-Ausgang gleich −Vcc ist, dann sperrt die BE-Diode des Transistors und es fällt die volle Ausgangsspannung an ihr ab. Die Spannung zwischen Basis und Emitter darf jedoch nicht eine gewisse Grenze nicht unterschreiten. z.b. für den Transistor BC337 liegt diese Grenze bei −5 V, siehe Datenblatt. Der Widerstand R5 reduziert diese Spannung auf etwa 0.1 · (−Vcc ) = −1 V und damit auf einen unschädlichen Wert. Für den Fall, dass der OPV die Spannung +Vcc liefert, schaltet der Transistors trotz des Vorhandenseins von R5 problemlos ein. Lösung 3. a) Variante 1: Die Schaltung ist gegengekoppelt d.h. ud = 0. Daraus folgt, dass ua (t) = ue (t). Die Schaltung ändert also die Spannung nicht, sie heisst desshalb Spannungsfolger. Gelichzeitig ist der Strom ip = 0. D.h. die Spannungsquelle die ue liefert wird nicht belastet. Variante 2: Die Schaltung enstpricht dem nicht-invertierenden Verstärker wenn R2 = 0 und R1 → ∞. Damit ergibt sich der Verstärkungsfaktor von v = 1 bzw. ua (t) = ue (t). Lösung 4. a) R= 0.6 V = 1.2 Ω 0.5 A b) Die Transistoren beeinflussen die Verstärkung nicht, sie nehmen der Endstufe lediglich die Last des hohen Ausgangsstromes ab. Damit gilt Au = ua (t)/ue (t) = 1 + 220 kΩ = 469. 470 Ω