*
Die Halbleiterdiode
Ein paar Diodenarten und ihre Anwendungsgebiete:
| |
• |
Fotodioden |
für Mess- und Schaltzwecke
in der Mess- und Regelungstechnik |
| |
• |
Kapazitätsdioden |
automatische Abstimmung
von Schwingkreisen |
| |
• |
Leistungsdioden |
zur Gleichrichtung (Brückengleichrichter)
z.B. in Netzteilen |
| |
• |
Schaltdioden |
zum Aufbau logischer Schaltungen |
| |
• |
Tunneldioden |
zur Schwingungserzeugung
in Oszillatoren |
| |
• |
Z-Dioden |
zur Spannungsstabilisierung
und -begrenzung |
*
Technische Daten und Formeln
Grenzwerte von vier gängigen Dioden mit unterschiedlicher
Leistungsmerkmalen:
| |
AA118 |
1N4148 |
1N4448 |
1N4154 |
Einheit |
| Type |
Germanium |
Silizium |
Silizium |
Silizium |
|
| UR |
90 |
75 |
75 |
25 |
V |
| UR max |
115 |
100 |
100 |
35 |
V |
| UF min |
0,18 - 0,23 |
- |
0,62 - 0,72 |
0,88 |
V |
| UF max |
1,05 - 1,55 |
1 |
1 |
1 |
V |
| IF continuous |
150 |
200 |
200 |
300 |
mA |
| IF Peak |
500 |
450 |
450 |
500 |
mA |
| Ptot |
80 |
500 |
500 |
500 |
mW |
| |
| Die Kurzzeichen
haben folgende Bedeutung: |
| UR |
Sperrspannung |
| IF |
Durchlassstrom |
| Ptot |
Verlustleistung |
Es fließt auch bei Durchlassrichtung erst dann ein Strom
durch die Diode, wenn eine bestimmte Spannung - die sogenannte
Schleusenspannung - überschritten wird. Sie beträgt bei Germanium-Dioden
ca. 0,2V bis 0,4V und bei Silizium-Dioden ca. 0,6V bis 0,8V.
*
Die Leuchtdiode - LED (light-emitting diode)
Leuchtdioden werden als Signallampen in Anzeigeeinheiten
eingesetzt. Sie haben sich aber auch im Modellbau immer mehr
durchgesetzt und ersetzen heute viele der bisher eingebauten
Glühlampen.
*
Technische Daten und Formeln
Die technischen Daten von LEDs variieren von Typ zu Typ sowie
je nach Leuchtfar-
be und Leuchtstärke sehr stark. Es gibt auch Typen mit bereits
eingebautem Vor-
widerstand.
Lassen Sie sich darum beim Kauf immer die technischen Daten
der LED geben.
| |
Bereich |
Standard |
Einheit |
| UF |
1,6 - 15 |
1,6 -2,4 |
V |
| IF |
2 - 70 |
20 - 50 |
mA |
Die wichtigsten Formeln:
Ein paar Standardwerte für den Vorwiderstand RV
bei einem Direktanschluss an die Betriebsspannung (z.B. über
einen Taster), mit denen Sie so ziemlich immer auf der sicheren
Seite sind.
Außer, Sie verwenden LEDs mit einem Diodenstrom von IF
< 12mA.
| Betriebsspannung |
UF |
IF |
RV berechnet |
RV gewählt |
IF real |
| 5V |
1,6V |
12mA |
283Ω |
270Ω |
12,4mA |
| 9V |
1,6V |
12mA |
617Ω |
560Ω |
13,0mA |
| 12V |
1,6V |
12mA |
867Ω |
820Ω |
12,6mA |
| 5V |
1,6V |
20mA |
170Ω |
180Ω |
19,2mA |
| 9V |
1,6V |
20mA |
370Ω |
390Ω |
19,2mA |
| 12V |
1,6V |
20mA |
520Ω |
560Ω |
18,8mA |
Die Werte für eine Betriebsspannung von 5V berechnen sich
wie folgt:
RV = (UB - UF) / IF
= (5V - 1,6V) / 12mA = 283Ω
RF = UF / IF = 1,6V / 12mA
= 133Ω
IF real = UB / (RV + RF)
= 5V / (270Ω + 133Ω) = 12,4mA
Ein Beschaltungsbeispiel:
*
Verschaltung von Leuchtdioden
Manchmal möchte man mit einem Kontakt / Ausgang mehrere Leuchtdioden
gleich-
zeitig ansteuern. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten - die Serien-
oder die Parallel-
schaltung. Dazu ein Vergleich inklusive der entsprechenden Berechnungen.
Serienschaltung
Vorgabe UB = 12V; UF = 1,6V; IF
= 12mA
RV = (UB - 4 · UF) / IF
= (12V - 4 · 1,6V) / 12mA = 467Ω => gewählt 470Ω
RF = UF / IF = 1,6V / 12mA
= 133Ω
IF real = UB / (RV + 4 · RF)
= 12V / (470Ω + 4 · 133Ω) = 12,0mA
PR = U · I = I · R · I = I2 · R = (12mA)2
· 470Ω = 68mW
Pgesamt = UB · IF real = 12V
· 12,0mA = 144mW
Vorteile:
- man erspart sich Vorwiderstände
(einer statt vier)
- etwas weniger Lötarbeit
- geringerer Leistungsbedarf von 144mW
- es kann ein Vorwiderstand von 1/4
Watt (250mW) verwendet werden
Nachteile:
- fällt eine Leuchtdiode aus,
erlöschen die anderen LEDs auch
- erschwerte Fehlersuche - welche LED ist nun wirklich
defekt?
muss gemessen werden oder alle LEDs müssen einzeln über
einen Widerstand an einer Spannungsquelle auf ihre Funktion
getestet werden
Parallelschaltung
Vorgabe UB = 12V; UF = 1,6V; IF
= 12mA
RV = (UB - UF) / IF
= (12V - 1,6V) / 12mA = 867Ω => gewählt 820Ω
RF = UF / IF = 1,6V / 12mA
= 133Ω
IF real = UB / (RV + RF)
= 12V / (820Ω + 133Ω) = 12,6mA
PR = U · I = I · R · I = I2 · R = (12,6mA)2
· 870Ω = 138mW
Pgesamt = UB · 4 · IF real
= 12V · 4 · 12,6mA = 605mW
Vorteile:
- fällt eine Leuchtdiode aus,
leuchten die anderen LEDs weiter
- es kann ein Vorwiderstand von 1/4
Watt (250mW) verwendet werden
- keine Fehlersuche notwendig - defekte LED ist eindeutig
ersichtlich
Nachteile:
- man hat die vierfache Anzahl
von Vorwiderständen (vier statt einem)
- etwas mehr Lötarbeit
- höherer Leistungsbedarf von 605mW
Jedoch muss jeder für sich selber entscheiden, welche Schaltung
für ihn selber die bessere ist.
*
Die Z(ener)-Diode
Z(ener)-Dioden werden zur einfachen Spannungsstabilisierung
und -begrenzung ein-
gesetzt. Ihr Einsatz ohne zusätzliche Beschaltung ist jedoch
nur für kleine Last-
ströme von 0 ... 100mA und Eingangsströme von 100 ... 400mA
geeignet.
Die Funktion der Z-Diode soll am Beispiel des unten dargestellten
Schaltungsbei-
spiels erklärt werden.
In den beiden folgenden Diagrammen wurde die Eingangsspannung
UE jede Sekunde in 0,05V-Schritten von 5V auf 10V
erhöht.
Man sieht dabei, dass der Spannungsabfall URV mit
Z-Diode ab einer Eingangsspan-
nung UE von ca. 6,05V steiler ansteigt als die Spannung
URV ohne Z-Diode. Das ist der Einsatzpunkt der Z-Diode,
den man auch in der zweiten Kurve (Knickpunkt von IE
und IZ) erkennen kann.
Bis zu diesem Zeitpunkt wird der Eingangstrom IE
[IE = IRV = UE / (RV
+ RL)] nur durch die beiden Widerstände RV
+ RL begrenzt - die Z-Diode sperrt.
Ab diesem Zeitpunkt beginnt die Z-Diode einen Strom zu führen,
was den Eingangs-
strom IE und den Spannungsabfall über dem Vorwiderstand
RV (URV = RV · IE)
er-
höht, so dass die Lastspannung UL nur unwesentlich
ansteigt.
Die Z-Diode verhält sich wie ein spannungsabhängiger Widerstand.
| Farberklärung: |
|
|
| hellblau = UE |
dunkelblau = URV
mit Z-Diode |
lavendel = URV ohne Z-Diode |
| türkis = UL |
rot = IE |
orange = IZ |
So könnten dann die zeitlichen Verläufe der sich ändernden
Eingangsspannung UE, der Lastspannung UL
und der Strom IZ durch die Zener-Diode aussehen.
Die Span-
nung über 5,1V wird "abgeschnitten".
*
Technische Daten und Formeln
Die Z-Dioden gibt es mit unterschiedlichen Spannungs- und
Leistungswerten.
Die gängigsten Werte liegen zwischen 1V und 68V und 0,5W und
1,3W.
Die wichtigsten Formeln:
PVZ max ist die maximale Verlustleistung der Z-Diode
- die Z-Diode ist kurzgeschlos-
sen
Gewählte Praxiswerte:
UE = (1,5 ... 3) · UL
IZ max > IL max
IZ min = 5% bis 10% IZ max
Ein Schaltungsbeispiel mit Berechnung:
| Schaltungsvorgaben: |
| UE = 9V |
IE = 400mA |
UZ = 5,1V |
PZ tot = 2.000mW |
IL = 100mA |
IZ max = PZ tot / UZ = 2.000mW
/ 5V = 400mA
IZ min = IZ max · 0,1 = 40mA
IE = IL + IZ min = 100mA +
40mA = 140mA => gewählt 400mA
RV = (UE - UZ) / IE
= (9V - 5V) / 400mA = 10Ω
PRV = (UE - UZ) · IE
max = (9V - 5V) · 0,4A = 1.600mW
PZ = UZ · IE = 5V · 400mA =
2.000mW
Wie aus den Werten ersichtlich, muss bei der Auslegung der
Schaltung unbedingt auf die Verlustleistung des Vorwiderstandes
RV und der Z-Diode geachtet werden.
Die Schaltung eignet sich jedoch nur für kleine Lastströme von
0 ... 100mA und Eingangsströme von 100 ... 400mA.
*
Der Transistor
Der Transistor findet in sehr unterschiedlichen Bereichen
und Leistungsgrößen seine Anwendung. So wird er z.B. als Strom-
/ Leistungsverstärker oder als Schalter eingesetzt.
*
Technische Daten und Formeln
Grenzwerte von vier gängigen Transistoren mit unterschiedlicher
Schaltleistung:
| |
BC107B |
BC547 |
2N3704 |
2N1613 |
Einheit |
| Type |
Silizium NPN |
Silizium NPN |
Silizium NPN |
Silizium NPN |
|
| Gehäuseform |
TO-18 |
TO-92 |
TO-92 |
TO-39 |
|
| UCE0 |
45 |
45 |
30 |
50 |
V |
| UEB0 |
6 |
6 |
5 |
7 |
V |
UCE sat
IC = 10mA
IC = 100mA
IC = 150mA |
0,07 (<0,25)
0,2 (<0,6)
|
0,7
0,09 (<0,2)
0,2 (<0,6) |
0,6 |
0,5 -
1,5 |
V
V
V
V |
| UBE |
0,55 - 0,83 |
0,58 - 0,77 |
0,5 - 1 |
0,7 |
V |
UBE sat
IC = 10mA
IC = 100mA
IC = 150mA |
0,73 (<0,83)
0,87 (<1,05)
|
0,7
0,9 |
0,7 |
0,95 -
1,3 |
V
V
V
V |
| IC max |
100 |
100 |
300 |
500 |
mA |
| IC Peak |
200 |
200 |
500 |
1000 |
mA |
| IB |
50 |
|
|
200 |
mA |
| Ptot |
300 |
500 |
625 |
800 |
mW |
Verstärkung B, ß
je nach Arbeitspunkt
IC = 0,01mA
IC = 2mA
IC = 100mA |
150 - 450
150
290
200 |
110 - 800
150
290
200 |
100 - 300 |
20 - 120 |
|
Verstärkung B, ß
angenommen |
160 |
120 |
110 |
30 |
|
| |
| Die Kurzzeichen haben folgende
Bedeutung: |
| UCE0 |
Spannung Kollektor - Emitter |
| UEB0 |
Spannung Emitter - Basis |
| UCE |
Spannung Kollektor - Emitter |
| UBE |
Spannung Basis - Emitter |
| IC |
Kollektorstrom |
| IB |
Basisstrom |
| Ptot |
Verlustleistung |
| B |
Verstärkung |
| URB |
Spannung über dem Basis-Vorwiderstand |
| UB |
Betriebsspannung |
| RB |
Basis-Vorwiderstand |
| RC |
Kollektor-Widerstand |
| PRB |
Leistung des Basis-Vorwiderstandes |
| |
|
|
|
|
| |
einige Gehäuseformen
Ansicht von unten |
|
Schaltzeichen |
|
Die wichtigsten Formeln zur Bemessung einer Transistorschaltstufe:
Ein Transistor gilt als durchgeschaltet, wenn sich ein Kollektorstrom
nach der letzten Formel einstellt.
Wird ein berechneter Basiswiderstand (siehe unten) verkleinert,
ändert sich der Kollektorstrom fast nicht mehr - der Basisstrom
wird größer als zum Durchschalten des Transistors nötig ist
- der Transistor wird übersteuert. Ein zu niedriger Basis-
widerstand führt zur Zerstörung des Transistors!
*
Der Transistor als Schalter
In der heutigen Elektronik werden Transistoren häufig als
Schaltglieder verwendet.
|
Strom- und Potentialverhältnisse bei
Transistoren
|
| |
Schaltung eines NPN-Transistors |
Schaltung eines PNP-Transistors |
*
Mit dem Transistor LEDs schalten
Lassen Sie uns mal eine Transistorschaltstufe für eine LED
berechnen.
Zuerst einmal die nötigen Vorgabewerte und Transistordaten
eines BC107B:
| Betriebsspannung |
LED |
Transistor |
| UB |
9V |
UF |
1,6V |
B |
160 |
| |
|
IF |
12mA |
UCE sat |
0,6V |
| |
|
RV |
560Ω - siehe oben
unter LED |
UBE |
0,7V |
| |
|
IF real |
13mA - siehe oben unter
LED |
UBE sat |
0,87V |
| |
|
| Die Berechnung: |
|
| IC = IF
real = 13mA |
|
| IB = IC
/ B = 13mA / 160 = 0,081mA |
gewählt 0,150mA |
| URB = UB
- UBE = 9V - 0,7V = 8,3V |
|
| RB = URB
/ IB = 8,3V / 0,150mA = 55,3kΩ |
gewählt 56kΩ nach E12-Normreihe |
| IB real = URB
/ RB = 8,3V / 56kΩ = 0,148mA |
|
| B real = IC
/ IB = 13mA / 0,148mA = 88 |
|
| Ptot = UCE
sat · IC = 0,6V · 13mA = 7,8mW |
|
| PRB = IB2
· RB = (0,148mA)2 · 56kΩ = 1,23mW |
|
| RBE = UBE
sat / IB = (0,87V / 0,148mA) · 10 =
58,7kΩ |
gewählt 56kΩ nach E12-Normreihe |
Sollte man sich über den Sperrzustand nicht sicher sein,
kann man noch einen zu-
sätzlichen Widerstand RBE zwischen dem Widerstand
RB und dem Basisanschluss des Transistors und der
Masse anschließen (siehe in der Schaltung die gestrichelte blaue
Erweiterung). Die Sperrung wird dadurch sicherer und besser.
Eine Alternative wäre, statt des Schalters einen Umschalter
zu verwenden, der den Widerstand RB dann einmal an
UB und einmal an Masse schaltet.
Die fertige Schaltung für die Betriebsspannungen 9V und 5V.
In der zweiten Schaltung wurde die Diode dem Emitter des
Transistors nachgeschal-
tet. Dadurch wird erreicht, dass sich die Spannung (UBE,
Basis - Emitter / Masse) von 0,7V auf 2,3V (0,7V + 1,6V [UF
der Diode]) erhöht. Damit wird sichergestellt, dass die LED
nicht schon bei einem L-Pegel von 0,7V leuchtet.
Das Ganze erübrigt sich natürlich, wenn am Eingang der Basis
schon eindeutige H- und speziell L-Pegel vorhanden sind (siehe
blaue Erweiterung).
*
Mit dem Transistor Glühlampen schalten
Will man Glühlampen mit Transistoren schalten, ist zu beachten,
dass der Einschalt-
widerstand / Kaltwiderstand der Lampe nur ca. 1/10 des Betriebswiderstandes
/ Warmwiderstandes beträgt. Das bedeutet, dass der Einschaltstrom
einer Glühlampe mit einem Nennstrom von 50mA ca. 500mA betragen
würde.
Ein Beispiel:
Glühlampe, U = 6V, Iwarm = 50mA
Der Warmwiderstand RL warm beträgt 6V / 50mA = 120Ω.
Der Kaltwiderstand RL kalt beträgt jedoch nur ca.
1 / 10 von RL warm = 12Ω.
Man kann diesen Zustand dadurch verbessern, indem man der
Glühlampe einen Vor-
widerstand RV vorschaltet - in meinem Beispiel mit
einem Wert von 56Ω.
Damit ergeben sich jetzt folgende Werte:
| Kaltwiderstand |
RL kalt |
= 12Ω + 56Ω |
= 68Ω |
| Warmwiderstand |
RL warm |
= 120Ω + 56Ω |
= 176Ω |
Somit beträgt der Einschaltstrom nur noch das 2,6fache des
Betriebstromes (132mA zu 51mA).
Bei der Auswahl des Transistors ist unbedingt darauf zu achten,
dass IC max des Transistors größer ist als der jetzt
auftretende Einschaltstrom von ca. 9V / 68Ω = 132mA.
Die fertige Schaltung für die Betriebsspannungen 9V und 5V.
*
Mit dem Transistor Relais schalten
Beim Schalten von Relais ist darauf zu achten, dass beim
Abschalten des Relais hohe Selbstinduktionsspannungen entstehen.
Durch den Einbau einer Freilaufdiode D, die parallel zum Relais
geschaltet wird, kann dieses verhindert werden.
| |
allgemeine Anwendung |
Anwendung bei digitalen Schaltungen |
Die rechte Schaltung ist für die Nutzung mit digitalen Schaltungen
der Serie
SN 74xxx N ausgelegt.
*
Der Operationsverstärker
Bei dem Operationsverstärker (englisch: operational amplifier,
=> OP-Amp oder OPAMP) handelt es sich um einen Differenzverstärker
mit sehr hoher Verstärkung. Er besitzt einen invertierenden
und einen nicht invertierenden Eingang. Seine Eingänge sind
hochohmig und sein Ausgang niederohmig.
Damit positive und negative Ausgangsspannungen möglich sind,
benötigt er eine po-
sitive und negative Versorgungsspannung (meistens ±15V).
*
Technische Daten
Vergleich der idealen und tatsächlichen Daten eines Operationsverstärkers:
| |
ideale Daten |
Daten eines Standardverstärkers |
| Spannungsverstärkung |
∞ |
100.000 |
| Eingangswiderstand Re |
∞ |
1MΩ |
| Ausgangswiderstand Ra |
0 |
≈ 1kΩ |
| Ausgangsleistung |
» |
≈ 500mW |
| Bandbreite |
0 ... ∞ |
0 ... 1MHz |
Was lässt sich mit einem OP-Amp realisieren?
- Gleichspannungen verstärken
- Wechselspannungen verstärken
- Signale schalten (Schalter)
- als Oszillator zu arbeiten
- Sinussignale erzeugen
- Impulssignale erzeugen
- den Frequenzgang eines Signals beeinflussen
- eine bestimmte Spannungsverstärkung einstellen
Schaltbild des Operationsverstärkers:
| mit: |
| UB |
= |
Betriebsspannung |
|
| Un |
= |
Spannung am invertierenden
Eingang |
|
| Up |
= |
Spannung am nichtinvertierenden
Eingang |
|
| Ud |
= |
Differenzspannung |
|
| U2 |
= |
Ausgangsspannung |
|
*
Der OP-Amp als invertierender Verstärker
Beim invertierenden OP-Amp wird das Eingangssignal U1
am invertierenden Eingang (-) angeschlossen. Über den Widerstand
R2 erfolgt eine sogenannte
Stromgegen-
kopplung. Das Ausgangssignal U2
ist dabei immer invertiert (aus + wird - und aus - wird +) zum
Eingangssignal. Dieses entgegengesetzte Verhalten von Ausgangsspan-
nung zu Eingangsspannung nennt man auch die 180° Phasendrehung
(siehe Signal-
beispiele unten). Bei Verwendung ohmscher Widerstände hat die
Schaltung propor-
tionales Übertragungsverhalten. Darum wird sie auch P-Schaltung
genannt.
Der invertierende Verstärker wird auch als Inverter oder Umkehrverstärker
bezeich-
net.
| |
| mit: |
| U1 |
= |
Eingangsspannung |
in V oder mV |
| U2 |
= |
Ausgangsspannung |
in V |
| Vu |
= |
Leerlaufverstärkung |
|
| Vu'' |
= |
Spannungsverstärkung |
|
| V0 |
= |
Schleifenverstärkung |
|
| f0 |
= |
Grenzfrequenz |
in Hz oder kHz |
| f0' |
= |
Grenzfrequenz |
in Hz oder kHz |
Ein paar Beispiele für mögliche Signale (jeweils oben das
Eingangssignal U1 und
darunter das entsprechende Ausgangssignal U2):
| Gleichspannungssignal
mit Vu'' = -2 |
Sinussignal mit Vu''
= -2 |
 |
 |
 |
 |
| Rechtecksignal
mit Vu'' = -2 |
Dreiecksignal mit Vu''
= -2 |
 |
 |
 |
 |
Bei einigen Operationsverstärkern (z.B. Typ 709) ist noch
eine externe Beschaltung mit Kondensatoren und einem Widerstand
für eine Frequenzkompensation notwen-
dig. Die Typen 741 und 748 besitzen schon eine interne Frequenzkompensation.
In der folgenden Schaltung wurden die Komponenten der Frequenzkompensation
in braun
dargestellt.
Hier die notwendigen Werte bei einer Beschaltungen eines
Operationsverstärkers Typ 709:
| Vu |
Vu
[dB] |
R1 |
R2 |
R4 |
C4 |
C5 |
| 1.000 |
60 |
1k |
1M |
0 |
10pF |
3pF |
| 100 |
40 |
10k |
1M |
1,5k |
100pF |
3pF |
| 10 |
20 |
10k |
100k |
1,5k |
500pF |
20pF |
| 1 |
0 |
10k |
10k |
1,5k |
5.000pF |
20pF |
Diverse Hersteller geben Schaltungen zur Frequenzkompensation
an. Diese sollten dann auch unbedingt beachtet werden!
Ein Anwendungsbeispiel mit folgenden Vorgaben:
| |
Eingangsspannung |
Ue
= 0 ... 25mV |
| |
Ausgangsspannung |
Ua
= 0 ... -10V |
| |
maximale Ausgangsspannung |
Ua max
= ±12V |
| |
Leerlaufverstärkung |
Vu
= 80.000 |
| |
Grenzfrequenz |
f0
= 20Hz |
Die benötigte Spannungsverstärkung beträgt
Vu''
= Ua / Ue
= 10V / 25mV = 400
Bei einem gängigen Eingangswiderstand von 10kΩ beträgt der
Rückkopplungswider-
stand
R2
= Vu'' · R1
= 400 · 10kΩ = 4.000kΩ = 4MΩ
Gewählt wird ein handelsüblicher Festwiderstand mit 3,9MΩ
(R21) und ein Potentio-
meter (R22) mit 1MΩ.
Die Schaltung kann eingesetzt werden bis zu einer Signalfrequenz
V0
≈ Vu
/ Vu'' = 80.000 / 400
= 200
f0'
= V0 · f0
= 200 · 20Hz = 4.000Hz = 4kHz
Es ist dabei aber zu beachten, dass bei der Grenzfrequenz
f0' schon ein Verstär-
kungsverlust von 3dB = 30% (1 /
√2 = 0,707) vorhanden ist.
Der Widerstand R3
sollte zum symmetrischen Abschluss immer vorhanden sein.
Er dient der Kompensation des Eingangsruhestroms. Der Wert von
R3 ist nicht kritisch
und sollte ungefähr der Parallelschaltung aus R1
und R2 entsprechen.
R3
≈ (R1
· R2) / (R1
+ R2) = (10kΩ · 4.000kΩ)
/ (10kΩ + 4.000kΩ) = 9,98kΩ =
=> gewählt 10kΩ
Für die Frequenzkompensation würde man die Werte R4
= 1,5kΩ, C4 = 100pF und
für C5 = 3pF wählen.
Somit ergibt sich folgende Schaltung
und folgende Steuerkennlinie
*
Der OP-Amp als Summierer / Addierer
Beim OP-Amp als Summierer / Addierer werden die Eingangsströme
(z.B. U11 / R11) am invertierenden Eingang
addiert.
Sollten die drei Eingangswiderstände (R11 = R12
= R13 = 40kΩ) alle gleich groß sein, kann man R3
auch ca. R11 / 3 = 40kΩ
/ 3 = 13,333kΩ oder 10kΩ wählen.
Und so könnten z.B. die einzelnen Eingangsspannungen und
die Ausgangsspannung aussehen. Wegen der leichteren Darstellung
wurden digitale Signale verwendet und eine Verstärkung von V
= -1 gewählt.
Bei der Beschaltung ist unbedingt darauf zu achten, dass
die Eingangsspannungen und die Verstärkung nicht zu groß gewählt
werden. Ansonsten kann unter Umstän-
den die Ausgangsspannung in den Sättigungsbereich (z.B. größer
±12V) des OP-
Amp geraten! Eine falsche,
weil auf ±12V begrenzte, Ausgangsspannung
wäre die Folge.
Ein Beispiel:
U11 = 2V; U12
= 3V; U13 = 4V; v = -2
=> U2 = -18V
Die Verstärkung wurde zu groß gewählt.
Eine Verstärkung von v = -1 => U2
= -9V wäre angebracht.
Speziell bei sinusförmigen Signalen ist darauf zu achten,
dass bei der Berechnung der Verstärkung nicht die Effektivwerte
der Spannungen (Ueff)
berücksichtigt werden sondern die um den Faktor
√2 größeren Scheitelwerte (û)
der Spannungen. Ansonsten wird die Kuppe der Ausgangsspannung
abgeschnitten (siehe unten).
Ein Beispiel:
U2 = 7Veff
=> û2 =
9,90V => ok
U2 = 10Veff
=> û2 = 14,14V
=> nicht ok, die Ausgangsspannung wird auf 12V begrenzt
Und so würde das abgeschnittene 10Veff
Signal dann in Wirklichkeit aussehen.
Im industriellen Bereich der Steuerungs- und Regelungstechnik
wird teilweise eine sehr hohe Genauigkeit der Berechnung gefordert.
Darum werden dort Metallschicht-
Widerstände mit einer Genauigkeit von 1% oder 0,1% eingesetzt.
Auch stehen dort ganz spezielle Widerstandswerte zur Verfügung.
| |
R1 |
R2 |
Verschaltung R2 |
Verwendung |
 |
40kΩ |
13,333kΩ |
20k // 40k |
Addition von drei Signalen |
 |
40kΩ |
23,094kΩ |
Sonder-Widerstand |
Berechnung des Strangstromes im Drehstromsystem |
 |
40kΩ |
26,667kΩ |
40k // 80k |
Addition von Signalen |
 |
40kΩ |
30kΩ |
20k + 10k
40k // 120k |
Addition von Signalen |
 |
40kΩ |
34,64kΩ |
(220k + 39k) // 40k |
Berechnung des Leiterstromes im Drehstromsystem |
*
Der OP-Amp als Impedanzwandler / Spannungsfolger
Der OP-Amp als Impedanzwandler / Spannungsfolger hat einen
extrem hochohmigen Eingang und einen extrem niederohmigen Ausgang.
*
Weitere Anwendungen
Darüber hinaus gibt es noch eine große Anzahl von weiteren
Beschaltungs- und Funktionsmöglichkeiten, deren Darstellung
hier aber den Rahmen sprengen würde. Die Verschaltungsmöglichkeiten,
deren Berechnung und Auslegung füllen ganze Bücher. Darum hier
nur mal eine kleine Auswahl der Einsatzmöglichkeiten:
| • |
Verstärker mit erdfreiem Eingang |
• |
Brückenverstärker |
| • |
Konstantspannungsquelle |
• |
Konstantstromquelle |
| • |
aktive Filter |
• |
Subtrahierer |
| • |
Differenzierer |
• |
Integrierer |
| • |
linearer Einweggleichrichter |
• |
Präzisions-Zweiweg-Gleichrichter |
| • |
Komparator ohne Hysterese |
• |
Komparator mit Hysterese |
| • |
astabiler Multivibrator |
• |
bistabiler Multivibrator |
| • |
PI-Regler |
• |
PID-Regler |
| • |
Dreieckgenerator |
• |
Funktionsgenerator |
Viele der eben genannten Funktionen können als komplette
Bausätze oder fertige Module von Elektronikläden oder -versendern
günstig erworben werden.
Erstellt am: 23.08.2006
Letzte Aktualisierung: 23.03.2008
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