Autor: Thomas Schaerer

Dieser Elektronik-Minikurs, der seit 26.06.2002 besteht, wurde mit dem Ziel überarbeitet, dass der Inhalt verständlicher wird. Neu sind auch viele Links, die auf andere geeignete und teils ergänzende Elektronik-Minikurse hinweisen.

Es hat sich gezeigt, dass viele Elektronikanfänger Probleme haben die Elektronik-Minikurse über die echten Differenzverstärker zu verstehen. Dies kommt davon, dass grundlegendes Wissen über den Operationsverstärker (Opamp) oft fehlt. Die Grundlagen von Patrick Schnabel vermitteln u.a. das Wissen wie man einfache invertierende und nichtinvertierende Verstärkerschaltungen berechnet. Das ist gut und wichtig. Diese Links findet man, wie bisher, in diesem Elektronik-Minikurs gleich zu Beginn in der Einleitung.

Allerdings ermöglicht dieses Wissen noch nicht zu verstehen, wie eine Verstärkerschaltung mit einem Opamp wirklich funktioniert. Dazu genügen Formeln und Zahlen alleine nicht. Man muss eine solche Schaltung anschauen und es gehören Worte dazu mit denen das Verständnis vermittelt und vertieft wird.

Opamps sind wesentlich komplexer als es beim Elektronikbeginner (Azubi) den Anschein erweckt. Dies kommt hier darin zum Ausdruck, dass ein Kapitel sich nicht nur gerade auf den Titel beschränkt. So steht im ersten Kapitel das Thema der virtuellen Masse (GND) auch in einem gewissen Zusammenhang mit der Geschwindigkeit des Opamp und dessen Regeleigenschaft wenn die Gegenkopplung wirkt. Dieses Thema wird im neuesten Elektronik-Minikurs III vertieft.

Es geht aber auch um die Dimensionierung einfacher Verstärkerschaltungen, die Gleichspannungen (DC-Spannungen) und Wechselspannungen (AC-Spannungen) oder nur AC-Spannungen verstärken. Man lernt dabei worauf es ankommt, wie eine solche Schaltung bei bipolarer Speisung (±Ub und GND) oder bei unipolarer Speisung (+Ub und GND) richtig betrieben wird und wie eine zusätzliche Schaltung zur DC-Offsetkompensation realisiert und eingesetzt wird. Dieses Thema wird aber speziell in II (siehe zweiter Link) vertieft.

Ebenfalls thematisiert wird hier der Aussteuerungsbereich des Opamp und was man tun muss, damit diese symmetrisch zur Betriebsspannung erfolgt. Wenn eine Verstärkerschaltung mit bloss einer Betriebsspannung (unipolar) betrieben werden muss, darf man eine Verstärkerschaltung nicht mit GND, sondern man muss sie in der Regel mit der halben Betriebsspannung referenzieren. Es wird hier gezeigt, welche Schaltungsmethoden zu welchen Anforderungen geeignet sind. Zuletzt wird noch angedeutet wie eine Schaltung zur Erzeugung eines virtuellen GND grundsätzlich realisiert wird, die entsprechend ausgebaut, auch bei höheren Strömen im Ampere-Bereich aktiv anstelle einer bipolaren Spannungsquelle eingesetzt werden kann.

An dieser Stelle muss einmal klargestellt werden, dass die Angelegenheiten der Operationsverstärker derart umfangreich und komplex sind, dass meine Elektronik-Minikurse zu diesem Thema nie vollständig sein können und deshalb weitere Literatur hinzugezogen werden muss. Kurse im ELKO sind stets das was sie sind und sein wollen: Begleitendes und praxisorientiertes Unterrichtsmaterial.

• UPGRADE: Operationsverstärker I

• Operationsverstärker II

Dieser Elektronik-Minikurs über Operationsverstärker beschäftigt sich speziell mit dem Thema der virtuellen Spannung, bzw. virtuellen GND, da nicht wenige Azubis Probleme haben zu verstehen wie es dazu kommt.

Ein möglicher Weg zum Verständnis beginnt mit dem einfachen Impedanzwandler, dem vollständig gegengekoppelten Operationsverstärker als Verstärker mit einer Verstärkung von 1, bei dem offensichtlich ist, dass die Spannung am invertierenden Eingang, die stets die virtuelle Spannung oder die virtuelle Masse (virtueller GND) ist, identisch ist mit der Ausgangsspannung des Opamp und diese ist stets sehr niederohmig. Genau das selbe trifft zu, wenn die virtuelle Spannung am invertierenden Eingang nur ein Teil der Ausgangsspannung beträgt, wie diese im einfachsten Falle mit zwei Widerständen als spannungsteilendes Gegenkopplungsnetzwerk erzeugt wird. Es wird erläutert, dass der virtuelle GND mit seinem extrem niederohmigen Quellwiderstand die Folge eines Regelungsprozesses, gegeben durch die sehr hohe Leerlaufverstärkung, ist, während der echte GND eine statisch feste Referenz zu einer Spannung ist.

Im Nebenschauplatz liest man etwas zur endlichen Geschwindigkeit des Opamp, über den Slewrate und darüber welche Auswirkung die äquivalente DC-Offsetspannung bei hoher Verstärkung hat.

• Operationsverstärker III

Ein Aluminium-Kabelkanal, der an der einen Seite korrekt geerdet und auf der andern Seite unkorrekt ebenfalls geerdet war, erzeugte in diesem Kanal einen unerwünschten Potenzialausgleichsstrom der zum Zittern von Monitorbildern führte…

• Zittern des Monitorbildes durch magnetisches Wechselfeld

In einer Diskussion im ELKO-Forum machte mich jemand darauf aufmerksam, dass zwischen dem Ausgang des LMC555 und der Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Trafo eine signifikante Phasenverschiebung auftritt…

Christian illustrierte dies mit dem Bild eines Oszilloskopen, das ich hier mit einer genauen Beschreibung wiedergebe. Die Phasenverschiebung kommt einerseits durch ein passives Tiefpassfilter zur Störspannungsunterdrückung und systembedingt durch den CMOS-Timer LMC555 mit seiner Hystereseeigenschaft zustande. Mehr dazu liest man im Anhang 2:

• PLL-Frequenzsynthese: Spezielles Problem mit dem CD4046B (MC14046B) und 74HC4046

Funkeninduktor und Fritter (Kohärer)}{left}{0} Amusanter Auszug aus dem 100 Jahre alten Buch nennt sich Kapitel 9 und im Schlusswort (Kapitel 12) steht begründet, dass ich nicht bereit bin das Buch auszuleihen oder fuer jemanden zu kopieren. Das bleibt zwar so, aber es gibt eine Alternative…

Es gibt ein Lichtblick ein solches Buch zu erstehen, wie mir ein ELKO-Leser mitteilte. Es gibt eine Webseite für antiquarische Bücher und da besteht die Wahrscheinlichkeit dieses Buch zu kaufen. Am 31.08.2004 war dieses Buch jedenfalls zu haben. Mehr dazu erfährt man mit der Eingabe des Autors Eberhard Schnetzler im Suchfenster im zweiten Link (ZVAB).

Link des Geschichte-Elektronik-Minikurses:

• Funkeninduktor und Fritter (Kohärer)

• Zentralen Verzeichnis Antiquarischer Bücher (ZVAB)

UPGRADE!!!

Das Kapitel Voltage Supervisors TL7702A bis TL7715A mit den Bildern 3 bis 6 wurde überarbeitet, weil die Produktion der B-Serie eingestellt wurde.

• Elektronischer Unterspannungswächter

<img src="/public/schaerer/bilder/ota_t.gif" align="left" hspace="15" vspace="5" border="0" alt="ist ein OTA\“ /> und [Ein Dynamiklimiter mit dem OTA LM13700]Dieser Elektronik-Minikurs gibt es seit dem Juni 2002. Neu ist das Kapitel bekommt man den OTA LM13700? Dieses Kapitel musste überarbeitet werden.

Ich möchte an dieser Stelle diesen Elektronik-Minikurs erneut empfehlen, weil das IC und die Dynamiklimiterschaltung mit diesem IC noch immer aktuell und ein gutes Lehrstück ist den LM13700 kennenzulernen. Ein Dual-OTA von National-Semiconductor, den es im DIL- und im SOIC-Gehäuse gibt.

• [Was ist ein OTA und Dynamiklimiter mit dem OTA LM13700]

Teil I befasst sich mit den Grundlagen einer Stromsensorschaltung auf einer DC-Speisespannung mittels eines Opamp und Teil II beinhaltet eine nachbaubare elektronische Sicherung nach dem selben Prinzip.

Dieser zweiteilige Elektronik-Minikurs ist einer der ersten seit ich im ELKO, als es noch lange E-ONLINE hiess, mitarbeite. Es war im Oktober des Jahres 2000. Auf Grund einer konstruktiven Leserkritik habe ich hauptsächlich den ersten Teil neu überarbeitet und auch noch etwas erweitert. Diese Erweiterung mit dem Titel Zusatzspannung mit dem LMC555 erfolgt allerdings in einem andern Elektronik-Minikurs, der aber ebenso in dieser aktuellen News vorgestellt wird.

Teil I erklärt warum es möglich ist, bei bestimmten aber gut bekannten Opamps, die Gleichtakteingangsspannung bis an die positive Betriebsspannung zu führen. Dies zeigt sich einerseits in Diagrammen in Datenblättern, es zeigt sich aber ebenso in einem Experiment das ausführlich beschrieben ist und es leuchtet ein, wenn man sich mit dem Innenleben einiger Opamps etwas genauer auseinandersetzt.

Es wird auch eine einfache Lösung mit herkömmlichen Opamps angedeutet, wenn man den Gleichtaktbereich nicht ausreizen will (strenge Worstcase-Bedingung), in dem mittels Taktgenerator eine zusätzlich höhere Betriebsspannung für den Opamp generiert wird. Dieser Zusatz hat den Vorteil, dass man nicht auf spezielle Rail-to-Rail-Opamps angewiesen ist, die es weder in grosser Vielfalt noch für höhere Betriebsspannungen reichlich gibt und oft auch nicht gerade zu den Lowcostprodukten gehören.

Teil II zeigt wie man eine elektronische Sicherung nach den Grundlagen realisieren kann, die man in Teil I lernt. Mit einem einfachen RC-Netzwerk ist es möglich die Trägheit der Sicherung zu definieren. Zur Anwendung kommen eine Konstantstromquelle, dessen Grundlage in einem andern Elektronik-Minikurs vermittelt wird, die Stromsensorschaltung mit einem Opamp und ein RS-Flipflop zur Speicherung des Ueberlastzustandes zwecks Abschaltung des Laststromkreises, die mit einem elektromechanischen Relais erfolgt, welches mittels kleinem Lowpower-MOSFET angesteuert wird. Es ist dem fortgeschrittenen Leser selbst überlassen, ob er anstelle des Relais ein modernes Highside-Halbleiter-Relais einsetzen will.

• Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung, Teile I

• Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung, Teile II

Dieser neue Elektronik-Minikurs ist eine Erweiterung des bestehenden zweiteiligen Kurses mit dem Titel Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung. Dieser Kurs wurde überarbeitet. Siehe zweiten Link!

Man kann diesen neuen Elektronik-Minikurs allerdings auch unabhängig lesen, weil der Inhalt auch andern Zwecken dienen kann. Es geht darum, mit einfachen Mitteln eine zusätzliche Betriebsspannung zu erzeugen, welche höher ist als die Betriebsspannung für eine ganze Schaltung oder ein Gerät. Diese etwas höhere Betriebsspannung dient dazu einen Opamp zu speisen, bei dem die Gleichtaktspannung bis zur System-Betriebsspannung reicht. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn man nicht auf spezielle Opamp angewiesen sein will. Eine andere Anwendung wäre die Gatesteuerspannung für einen N-Kanal-Leistungs-MOSFET, der als Highside-Schalter eine postive Betriebsspannung ein- und ausschalten muss. Natürlich gibt es dazu heute spezielle Bausteine, aber solche will man vielleicht dann nicht, wenn man nicht von wenigen Herstellern abhängig sein will. Diese zusätzlich höhere Betriebsspannung muss auch in diesem Beispiel nur einen sehr kleinen Strom liefern können.

Lerneffekte: Der Elektronik-Azubi lernt wie man mit der CMOS-Version des 555-Timer-IC einen einfachen Rechteckgenerator realisiert und wie man es mit einem Dioden-Elko-Z-Dioden-Netzwerk anstellt eine zusätzliche und höhere Betriebsspannung mit kleinem Strom zu erzeugen.

• Positive Zusatzspannung mit dem LMC555

• Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung

Lerninhalte:

Man erlernt das Prinzip dieser Konstantstromquelle und am Schluss kann jeder seine eigene LED-Testschaltung bauen und versteht wie sie funktioniert. Das kleine Bild deutet an, wie die Konstantstromquelle, bzw, der LED-Tester arbeitet. Der Azubi lernt schrittweise die Wirkungsweise dieser Konstantstromquelle kennen. Es beginnt mit der einfachsten Opamp-Schaltung, mit dem Impedanzwandler. Im folgenden Schritt wird erst eine Diode im Gegenkopplungspfad eingebaut und wir analysieren die Spannungen. Im nächsten Schritt wird an Stelle der Diode die Basis-Emitterstrecke eines Transistors eingebaut und ein Widerstand zwischen Emitter und GND definiert in Abhängigkeit der Eingangsspannung den konstanten Kollektorstrom. Konstant im Sinne davon, dass der Strom unabhängig des Widerstandes im Kollektorkreis auf einem stabilen Wert bleibt. Damit ist die Konstantstromquelle realisiert. So ideal wie es jetzt aussieht, ist es aber trotzdem nicht, wenn es ganz genau sein soll: Stichwort Early-Effekt, dessen Auswirkung kurz erklärt wird.

Im naechsten Schritt erlernt man die Unterschiede der bipolaren Opamps, nämlich solche mit NPN- und PNP-Eingangs-Transistoren. Und man lernt, warum sich in diesem Projekt nur Opamps mit NPN-Eingangs-Transistoren, von denen es sehr viele gibt, eignen. Es wird aber auch gezeigt, dass durchaus auch gewisse BiFET-Opamps in Frage kommen.

Im naechsten Schritt folgt die vollständige Dimensionierung einer solchen Konstantstromquelle und im letzten Teil folgt die Schaltung des LED-Testers mit umschaltbaren Konstantströmen mit Werten 1, 2, 5, 10, 20 und 50 mA.

• Konstantstromquelle mit Bandgap-Spannungsreferenz und Opamp, und eine LED-Testschaltung