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Operationsverstärker als Tiefpass (Elektronik)

verfasst von hightech , 08.02.2017, 17:13 Uhr

Hallo, hier die Antworten auf Deine Fragen:

Zunächst was Allgemeines: Ein OP hat ohne äußere Beschaltung (die Gleichstromversorgung zählt nicht zur äußeren Beschaltung) eine sehr hohe Leerlaufspannungsversorgung. Sie bewegt sich im Bereich 10 hoch 5. Um einen frei wählbaren Verstärkungsfaktor einzustellen, wird der OP gegengekoppelt, d.h. ein Teil der Ausgangsspannung wird auf den Eingang zurückgeführt, wie in Deiner Skizze auf den sog. Nichtinvertierenden Eingang. Ein dort anliegendes Signal erscheint am Ausgang um 180 Grad gedreht, dadurch die Bezeichnung Gegenkopplung. Der Verstärkungsfaktor V berechnet sich zu - (R2/R1), minus wegen Nichtinvertierenden Eingang.

Zu Deiner Frage "wie funktioniert der Tiefpass"? Tiefpass bedeutet -einfach ausgedrückt- die Schaltung lässt tiefe Frequenzen passieren. Jetzt kommt der Kondensator über R2 ins Spiel: Wenn die Frequenz größer wird, wird Xc kleiner, damit auch der Gesamtwiderstand Z (R2 parallel Xc) kleiner. Wenn Z kleiner wird, sinkt auch die Spannungsverstärkung, da ja die Verstärkung durch R2/R1 bzw. Z/R1 bestimmt wird. Die Ausgangsspannung sinkt also bei größer werdender Frequenz, weil die Gegenkopplung größer wird.

Zu Deiner Frage "würde das auch ohne R1 und R2 funktionieren"? Nein! Denn ohne R1 und R2 gibt es keine Gegenkopplung und das Ausgangssignal "schießt" durch die Decke, mit anderen Worten der Ausgangsspannung des OP geht an ihren Anschlag.

Zu Deiner Frage "warum Inverterschaltung und nicht Nichtinverterschaltung"? Der Aufgabensteller hat wahrscheinlich die Inverterschaltung gewählt, weil das Prinzip hier besser erklärt und verstanden werden kann. In der Praxis wählt man stets die Nichtinvertierende Variante. Von praktischer Bedeutung sind nur Filter zweiter und höherer Ordnung.

Zu Deiner Frage "Schaltung kann in Grenzen beliebig durch Lastwiderstand belastet werden": Dazu muss man wissen, das der Ausgang des Op als eine Spannungsquelle mit einem kleinem Innenwiderstand betrachtet werden kann. D.h. einerseits, dass der Rückkopplungswiderstand R2 den Ausgang praktisch nicht belastet und andererseits der Lastwiderstand fast beliebig klein gewählt werden, ohne dass die Ausgangsspannung "in die Knie" geht. Das ist bei einem einfachen Tiefpassfilter nicht der Fall, da der Lastwiderstand das Filter belastet und außerdem die Grenzfrequenz des Filters verändern würde.

Zu Deiner Frage " wie berechnet man die Grenzfrequenz"? Grundsätzlich ist die Grenzfrequenz die Frequenz, bei der die Ausgangsspannung auf 1/(Wurzel 2) abgesunken ist.
Das zu berechnen hängt von der jeweiligen Schaltung ab. Soweit ich das aus Deinem Bild erkennen kann, wird die Grenzfrequenz durch R2 und C bestimmt.

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