Die Spannungsversorgung
Der Invertierende Verstärker
Der nicht invertierende Verstärker
Verstärker für Mikrofon
Impedanzwandler
Der Komparator
Funktion
Das ursprüngliche Schaltzeichen auf der linken Seite wurde durch das rechts stehende Zeichen ersetzt.
Ich halte mich aus Gewohnheit allerdings immer an das ursprüngliche Schaltzeichen.
Der Operationsverstärker ist zwar ein Verstärker aber er kann je nach Beschaltung auch Operationen vornehmen.
Die 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 unterschiedliche bestimmte Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel verringerte
Stromaufnahme, erhöhter Eingangswiderstand ,Arbeitsgeschwindigkeit und vieles mehr.
Die Grundfunktion ist aber bei allen gleich.
Was nicht bei allen gleich ist, sind die Anschlüsse beziehungsweise deren Anordnung , dazu sollte man also immer das
Datenblatt zu rate ziehen.
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
den beiden Eingängen und einen Ausgang.
Während man sich Anschlüsse der benötigten Spannungsversorgung in der Regel spart um eine bessere Übersicht zu behalten.
Operationsverstärker haben grundsätzlich zwei Eingänge die jeweils mit einem
Plus 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 an 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.
In Schaltpläne werden die Anschlüsse der Spannungsversorgung meist nicht mit eingezeichnet,
weil sie für den Fachmann selbstverständlich sind und den Plan nur unnötig verkomplizieren
würden.
In einschlägigen Büchern und anderen modernen Informationsquellen ist häufig zu entnehmen das Operationsverstärker immer
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 Betriebsspannung
zu 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.
Vergleicht man diese Verstärkung zum Beispiel mit die Verstärkung eines Transistor die so zwischen 10 und 500 fach liegt
ist sie also enorm groß.
Angenommen ich lege am Eingang Pin 3 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.
Der nicht invertierender Verstärker.
Hier liegt das Signal am "nicht invertierenden" Eingang und der Ausgang ist über einen Widerstand mit dem invertierenden
Eingang verbunden.
Es tritt am Ausgang also eine Spannung auf die durch den Spannungsteiler aus R1 und P1 nur zu einen geringen Teil auf den
Eingang Pin 2 zurück geführt wird.
Der Eingang Pin2 (Invertierender Eingang) verstärkt auch die daran anliegende Spannung allerdings ins Negative wodurch der
Ursprünglichen Verstärkung am Eingang Pin 3 entgegen gewirkt wird.
Die Verstärkung berechnet sich wie folgt:
Verstärkungsfaktor = R1/P1+1
Bei diesen Verstärker ist das Ausgangs Signal Phasengleich mit dem Eingangssignal
Es besteht ein hoher Eingangswiderstand.
Die gleiche Schaltung allerdings mit nur einer Betriebsspannung betrieben.
Deshalb muss der Eingang Pin 3 künstlich auf die Hälfte der Betriebsspannung angehoben werden.
Weil nur dann auch der Ausgang auf halbe Betriebsspannung liegt und es damit möglich ist bei einer Wechselspannung die
positive wie auch die negative Halbwelle zu verstärken und am Ausgang aus zu geben.
Die Mikrofonspannung muss wegen der anliegenden Gleichspannung an Pin 3 durch einen Kondensator von dieser getrennt werden.
Da auch der Ausgang an Pin 6 auf die Hälfte der Betriebsspannung liegt muss auch
dort eine Trennung durch einen Kondensator erfolgen.
Der Kondensator C3 sorgt dafür das nur die Wechselspannung verstärkt wird.
Der Nachteil beim Betrieb mit einer Spannungsversorgung liegt an den zusätzlichen Kondensatoren und den beiden Widerständen R1
und R2 die nötig sind um die Spannung an Pin 3 auf genau die halbe Betriebsspannung zu legen.
Die aber gleichzeitig auch eine unnötige Belastung der Spannungsquelle darstellen.
Die Größe der Widerstände ist ein Kompromiss zwischen Stromverbrauch wenn sie zu klein gewählt werden, und Stabilität wenn
sie zu groß sind.
Bei größeren Widerstände machen die angegeben Toleranzen größere Differenzen aus, und auch die Temperatur kann dann eine
Rolle spielen.
Beim invertierenden Verstärker ist das Ausgangssignal zum Eingangssignal um 180° versetzt.
Hier liegt die Eingangsspannung am invertierenden Eingang an.
Der nicht invertierende Anschluss liegt auf Masse.
Der Eingangswiderstand liegt im Bereich der Größe von P1, während der Ausgangswiderstand sehr klein
ist.
Hier ist der Eingangswiderstand wegen der Beschaltung immer geringer als beim "nicht invertierenden " Verstärker
und wird vorwiegend von P1 bestimmt.
Hier auch dieses Schaltung mit nur einer Betriebsspannung.
Hier liegt der nicht invertierende Eingang immer auf die Hälfte der Betriebsspannung.
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 eingestellt 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.
Hier noch einmal der zuvor gezeigte Plan in leicht abgeänderter Darstellung.
Die beiden Widerstande R1 und R2 wurden von 1 MOhm auf 470k und 370k reduziert und der Trimmer P1 wurde versetzt.
Dadurch kann der Arbeitspunkt besser angepasst werden.
Dann nämlich wenn ein Mikro angeschlossen wird , wird sich je nach Type des Mikrofons ein Widerstand parallel zu R2
etablieren.
Dadurch sinkt der gesamt Widerstand der beiden Komponenten und reduziert die an ihr abfallende Spannung und verändert
den Arbeitspunkt.
Der Arbeitspunkt muss ja so festgelegt werden das bei einer Gleichspannungs Betrachtung der Pin 3 des Operationsverstärker
auf genau der halbe Betriebsspannung liegt.
Wenn P2 am Anschlag gedreht wird stellt sich eine Verstärkung von etwa 10 fach ein die dann bei Verstellung von P2 bis auf
ca. unendlich gesteigert werden kann.
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 Ohm.
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.
Das Erkennungsmerkmal dieser Schaltung ist die direkte Verbindung zwischen dem Ausgang Pin 6 und den Eingang Pin 2
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 ,
das ist dem internen Aufbau des Operationsverstärker geschuldet.
Ein Komparator vergleicht die beiden Eingangsspannungen.
Sobald die Spannung am Eingang Pin 3 die zuvor am Eingang Pin 2 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 von der Höhe der Betriebsspannung .
Das dies nicht schon ab 0 Volt funktioniert liegt an den Eigenschaften der intern
verbauten Bauelemente innerhalb des Operationsverstärker.
Man erkennt den Komparator daran das er keinerlei Rückkopplung hat.
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.
Der Differenzverstärker hat grundsätzlich zwei Eingänge deren anliegende Spannungen
verglichen werden .
Die Spannung an U1 wird über einen Spannungsteiler aus R1 und R3 dem nicht
invertierenden Eingang zugeführt.
Verstärker mit Rückkopplung daher ist die Verstärkung maximal ,
es wird allerdings nur eine Negative Eingangsspannung verstärkt.
Das Signal am Ausgang ist daher um 180° verschoben.
Außerdem tritt die Verstärkung erst ab einer negativen Mindestspannung
von 0,5 Volt in Kraft.
Die Funktion ist auch gegeben wenn die Verbindung der Rückkopplung
also von Pin 6 zu Pin 2 weg gelassen wird.
Dann allerdings hat Pin 2 keinen definierten Zustand und kann zu unerwünschten
Zuständen führen.
Bei Eingang 7,85 ist der Ausgang auf 7,72V
Und Eingang über 8,4 V ist der Ausgang wieder 0 Volt
Es gibt einen Pin kompatiblen vom Typ TL071 der schafft es bis 4 MHz.