Die Spannungsversorgung
Verstärker Grundschaltung
Verstärker für Mikrofon
Impedanzwandler
Der Komparator
Funktion
Der Operationsverstärker ist zwar ein Verstärker aber er kann je nach Beschaltung auch Operationen vornehmen.
Rie Rede ist von Rechen Operationen.
Dadurch das zwei Eingänge vorhanden sind, kann man je nach Beschaltung auch Spannungen subtrahieren und addieren,
oder auch vergleichen.
Daher kommt der Name Operationsverstärker, oder in Fachkreisen auch einfach mit OPA oder auch OpAmp ( Operational Amplifier) abgekürzt.
Der Operationsverstärker vom Typ LM 741 ist einer der ersten Operationsverstärker die es gab, daher ist er sehr geläufig und zum
niedrigen Preis leicht zu bekommen.
Es ist ein Standard Operationsverstärker und damit für sehr viele Anwendungen ein zu setzen.
Es gibt noch sehr viel mehr Typen , die alle vorzüglich bestimmte Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel verringerte
Stromaufnahme, erhöhter Eingangswiderstand ,Arbeitsgeschwindigkeit und vieles mehr.
Die Grundfunktion ist aber bei allen gleich.
Ein Operationsverstärker ist intern ein ziemlich anspruchsvolles Bauteil, von der Handhabung aber leicht zu verstehen.
Das Schaltzeichen besteht aus einen dreieckigen Symbol , meistens nur mit den wichtigsten Anschlussbezeichnungen wie
positiver Eingang (Pin3) , negativer Eingang (Pin2) und der Ausgang (Pin6).
In Schaltpläne werden die Anschlüsse der Spannungsversorgung meist nicht mit eingezeichnet, weil sie zum einen für den
Fachmann selbstverständlich sind,und zu anderen den Plan nur unnötig verkomplizieren würden.
Ein Operationsverstärker hat grundsätzlich zwei Eingänge die jeweils mit einemPlus und einen Minus Zeichen versehen sind.
Der Eingang (Pin 3) mit dem Plus Zeichen bezeichnet man auch als "nicht invertierenden Eingang".
Während man den Eingang (Pin 2) mit dem Minus Zeichen als "invertierenden Eingang" bezeichnet.
Der Ausgang liegt auf Pin 6
Dann benötigen wir noch eine positive Spannungsversorgung ( Pin 7) und eine negative
Versorgung ( Pin 4).
Außerdem gibt es noch die Offset Anschlüsse (PIN 1 und Pin 5) die bei den allermeisten
Schaltungen nicht benutzt werden.
Sie dienen dazu bei hochempfindlichen Verstärker ( Messverstärker ....) die sehr genau sein
müssen noch zusätzliche Maßnahmen zur höheren Genauigkeit vor zu nehmen.
zwei Spannungen benötigen.
Das ist aber unrichtig, es ist wohl meistens so das Operationsverstärker oder kurz OPA genannt (Abkürzung für Operation Amplifier) ,
in Datenblätter und vielen Schaltungen meistens mit zwei Spannungen versorgt werden, eine positive und eine negative.
Diese zwei Spannungen sind aber der Tatsache geschuldet das die meisten Schaltungen als
Verstärker ausgelegt sind, also Wechselspannungen verstärken sollen.
Dafür ist es aber nötig das der Ausgang des OPA auf die halbe Betriebsspannung liegen muss , um die Positive wie
auch die Negative Welle als verstärktes Signal ausgeben zu können.
Deshalb kann man in diesen Fällen hervorragend mit zwei Spannungen arbeiten.
Viele Schaltungen kommen aber auch mit nur einer Betriebsspannung aus.
Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten den Operationsverstärker mit Betriebsspannungzu versorgen.
Standardmäßig versorgt man den Baustein mit zwei Spannungen.
Der Grund liegt darin , dass die vorwiegende Funktion dieses Baustein darin liegt
Wechselspannungen zu verstärken und wir natürlich beide Halbwellen verstärken wollen.
Einfacher ist es aber wie hier abgebildet mit nur einer Betriebsspannung zu arbeiten.
Die Hauptaufgabe liegt darin eine oder auch zwei Eingangsspannungen die an den Eingängen Plus oder Minus anliegen zu verstärken.
Der Verstärkungsfaktor liegt in der Regel bei 100 000 bis eine Millionen facher Verstärkung.
Diese Verstärkung wenn man sie zum Beispiel mit einen Transistor vergleicht dessen Verstärkung so zwischen 10 und 500 liegt
ist also enorm groß.
Angenommen ich lege am Eingang eine Spannung von 1 mV an, würde bei einer so hohen Verstärkung am Ausgang eine Spannung
von weit über 1000 Volt raus kommen.
Das wird natürlich auf Grund der begrenzten Betriebsspannung auch auf diese reduziert.
In soweit es dann natürlich keinen Sinn macht.
Es gibt aber eine Möglichkeit diese enorme Verstärkung zu bändigen indem ich mit einer Rückkopplung der sehr hohen
Verstärkung entgegen arbeite und den Verstärkungsfaktor damit reduziere.
Deshalb haben die meisten Operationsverstärker eine Rückkopplung auf einen der Eingänge.
Sie unterscheiden sich hauptsächlich durch verschiedene Eingangs und Ausgangswiderstände.
Möchte ich zum Beispiel ein Kondensator Mikrofon anschließen welcher einen hohen Innenwiderstand aufweist ist es
sinnvoll ebenso einen Verstärker mit hohen Eingangswiderstand ( Schaltung linke Seite) den Vorzug zu geben.
Je nach Typ des Operationsverstärker liegt der Eingangswiderstand zwischen 500 kOhm und einigen Mega Ohm.
Habe ich aber ein Kohlemikrofon am Eingang angeschlossen macht es Sinn den rechts dargestellten Verstärker zu nutzen.
Diese Schaltung hat generell einen kleineren Eingangswiderstand.
Der Eingangswiderstand entspricht in etwa den Wert des an P1 eingestellten Widerstand.
Beide Schaltungen werden in dem Beispiel mit jeweils 2 Spannungen betrieben.
In Abb. 1 ist ein Verstärker mit sehr hochohmigen Eingangswiderstand und niedrigen Ausgangswiderstand.
Der Verstärkungsfaktor wird durch das Verhältnis der Widerstände R1 /P1 bestimmt.
In Abb.2 ein Verstärker mit kleineren Eingangswiderstand etwa im in der Größe P1 , und auch mit kleinen
Ausgangswiderstand.
Abb.1
Abb.2Weil hier nur mit einer Betriebsspannung gearbeitet wird ist der Anschluss (Pin3) mit den beiden Widerständen R1 und R2
gleichspannungsmäßig auf die Hälfte der Betriebsspannung gelegt.
Weil nur dann auch der Ausgang auf halbe Betriebsspannung liegt und es damit möglich ist bei einer Wechselspannung ,
die Positive wie auch die Negative Welle zu verstärken und am Ausgang aus zu geben.
Der Nachteil beim Betrieb mit einer Spannungsversorgung liegt an den zusätzlichen Kondensatoren.
C1 verhindert das einwirken der Gleichspannung auf das Mikro.
C2 entkoppelt die am Ausgang anliegende Gleichspannung zur evtl. folgende nächste Stufe .
C3 ist wichtig das nicht die Gleichspannung sondern nur das anliegende Wechselstromsignal verstärkt wird.
Abb.3
Abb. 4
Ein kompletter Verstärker für ein hochohmiges Mikrofon.Dadurch das bei dieser Schaltung wie oben schon angedeutet
mit nur einer Betriebsspannung gearbeitet wird,
ist es notwendig den Ausgang in den Zustand zu versetzen genau
auf die Hälfte der Betriebsspannung zu liegen.
Notwendig ist dies, weil ja ein Wechselspannungs-Signal verstärkt
werden soll und ich damit über die Möglichkeit verfügen muss in
beide Richtungen zu verstärken.
Also ins Positive wie auch ins Negative.
Das der Ausgang (Pin 6) also auf halber Betriebsspannung zu liegen
kommt wird durch die Widerstände R1 -P1 - R2 bestimmt.
Mit diesen Spannungsteiler wird die Spannung an Pin 3 genau auf die
Hälfte der Betriebsspannung eingestellt.
Damit liegt dann auch der Ausgang (Pin 6) auf genau die Hälfte der
Betriebsspannung.
P1 ist nicht unbedingt notwendig regelt aber die Differenzen aus die
entstehen wenn beide Widerstände , also R1 und R2 nicht exakt gleich sind.
Dabei ist die tatsächliche Größe der Widerstände nicht von so großer
Bedeutung und können durchaus variiert werden.
Wichtig ist dabei das Verhältnis der Widerstände zu einander.
Die Größe der Widerstandswerte sollten nicht zu groß sein, weil dann
allerlei Störungen darüber eingefangen werden die natürlich mit
verstärkt werden.
Sie sollten aber auch nicht zu klein gewählt werden, weil dann ein
unnötig hoher Strom fließt und die Stromquelle die oft aus einer Batterie
besteht unnötig belastet.
Werte zwischen 10k und 1Mega sind hier praxisbezogene Werte.
Die Höhe der Verstärkung wird in etwa bestimmt durch das Verhältnis
der Widerstände R3 zu P2.
Bei R3 von 1M und P2 von 100k kommt man damit auf eine Verstärkung von 10 fach.
Durch verstellen von P2 kann die Verstärkung stufenlos vergrößert werden.
Der Kondensator C1 trennt die Gleichspannung des Operationsverstärker vom später angeschlossenen Mikrofon.
Der Wert ist abhängig von der Bandbreite der zu übertragenen Frequenz und vom Eingangswiderstand.
Der Kondensator C2 ist auch abhängig von der zu Verstärkende Bandbreite und vom Ausgangs Widerstand.
Die Ausgangsspannung an Pin 6 folgt immer der Eingangsspannung an Pin 3 deshalb nennt man diese Schaltung auch Spannungsfolger.
Man kennt diese Schaltung auch unter den Namen Impedanzwandler.
Benutzt man meist als Widerstandsanpassung da der Eingangswiderstand hoch und der Ausgangswiderstand gering ist.
Bei dieser Schaltung kann mit dem Poti eine Spannung an Pin 3 von 3,20 bis 7,20 eingestellt werden.
der Eingangswiderstand kann man dem Datenblatt entnehmen und liegt bei etwa 2 M Qhm.
Es liegt hier eigentlich keine Verstärkung vor , man nutzt diese Schaltung in der Hauptsache als Impedanz Wandler.
Also zur Anpassung.
Der Eingang ist sehr hochohmig während der Ausgang niederohmig ist.
Unter 2 Volt am Pin 3 liegt auch der Ausgang auf 2 Volt, erst bei höherer Spannung wird geregelt.
Die Regelung setzt immer erst ab 2 Volt ein, unabhängig von der Höhe der Betriebsspannung.
Ein Komparator vergleicht die beiden Eingangsspannungen.Sobald die Spannung am Eingang Pin3 die zuvor am Eingang Pin2 eingestellte Spannung überschreitet
schaltet die am Ausgang befindliche Led ein.
Das funktioniert aber erst ab einer mindest Spannung an Pin 2 von ca. 1,8 Volt.
Unabhängig der Betriebsspannungs Höhe.
Das dies nicht schon ab 0 Volt funktioniert liegt an den Eigenschaften der intern
verbauten Bauelemente innerhalb des Operationsverstärker.
Bei dieser Variante wird die Ausgangs Led eingeschaltet sobald die Schaltung mit Betriebsspannung versorgt wird.
Wird dann die Spannung am Poti langsam hoch geregelt so das sich die Spannung
am Eingang Pin 2 langsam von Null Volt an erhöht ,schaltet der Ausgang dann
plötzlich die Led aus wenn der Spannungspegel an Pin 2 ca 1,8 Volt überschritten hat.
Bei einen korrekt eingestellten Operatioinsverstärker, also mit richtig eingestellten Arbeitspunkt,
Somit beträgt die Spannung zwischen Pin 2 und Pin 6 gleich Null Volt.
Ebenso beträgt die Spannung zwischen Pin 3 und Pin6 gleich Null Volt.
Gegen die Negative Spannungsversorgung gemessen betragen alle dies Anschlüsse die Hälfte der Betriebsspannung.