UPDATE: Konstantstromquelle mit Operationsverstärker und Bandgap-Spannungsreferenz


Dies ist das Titelbild zum neuen Kapitel 10 mit dem Untertitel „Steuerbare präzise Konstant-Stromquelle“ mit den zwei Schaltungen in den Bilder 8 und 9. Funktionell sind beide Schaltungen identisch. Der einzige Unterschied besteht darin, Bild 8 hat als Leistungs-Endstufe eine Darlington-Schaltung (T1, T2) und Bild 9 eine MOSFET-Schaltung (T).

RL bedeutet Lastwiderstand, wobei es kann irgend etwas sein, das elektrisch leitend ist, um dieses Objekt zu testen. Eine Variante zum Widerstand wäre z.B. eine Silizium-Leistungsdiode. Das L steht hier für Leistung.

Die Schaltungen in Bild 8 und 9 sind für den Lern- und Experimentierzweck für niedrige Maximalströme im unteren 100-mA-Berbeich realisiert. Mit einem „kräftigen“ Darlington ist mehr möglich. Begrenzend für den Ausgang des Operationsverstärker (Opamp OA) kann der Basisstrom sein.
Will man dieses Problem gleich am Anfang umgehen, entscheidet man sich für die MOSFET-Version in Bild 9.

Die Präzision des Stromes ist bedingt durch die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Opamp OA. Für eine hochstabile Spannung sorgt eine Bandgap-Referenz (LM385). Zur Einstellung der Spannung dient das Potmeter P. Alternativ kann es auch eine externe
Spannungsquelle (EXT.U) sein. Die Gegenkopplung sorgt dafür, dass am Strommess-Widerstand die selbe Spannung liegt, wie am nichtinvertierenden Eingang des Opamps OA.

Der Strommess-Widerstand erzeugt die Spannung in Funktion des Stromes. Man misst die Spannung und berechnet den Strom. Alternativ mit einem Multimeter direkt in der +Ub-Leitung kann man ebenfalls den Strom messen. Warum das Kurzschliessen (S2) des Multimeters den konstanten Strom nicht verändert, liest man in diesem Elektronik-Minikurs:

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Operationsverstärker I

Der Text ist vollständig überarbeitet. Dabei überlegte ich mir, worüber im ELKO-Forum oft zum Thema Operationsverstärker (Opamp) diskutiert wird. Davon fokussiere ich hier ein wenig in Text und Bild. Als Bild dient wie üblich das Titelbild. Der folgende hier reduzierte Inhalt ist in diesem Elektronik-Minikurs genau beschrieben.

Teilbild 1 zeigt eine invertierende Verstärkerschaltung mit einer Verstärkung von -2. Eigentlich etwas ganz einfaches. Es gilt zu verstehen, was genau passiert, wenn der Opamp an Ue eine steile Spannungsflanke von z.B. +1 V bekommt. Im Augenblick dieser Spannungsflanke geschieht am Ausgang Ua noch gar nichts. Dies ganz einfach deshalb, weil die IC-interne Verstärkerschaltung, mit der notwendigen Frequenzgangkompensation, die Übertragung zum Ausgang verzögert. Ua bleibt zunächst auf dem GND-Pegel. Die Differenzspannung Ud am Eingang des Opamps steigt praktisch zeitsynchron mit Ue auf +0.67 V. Diese Spannung existiert während eines sehr kurzen Momentes, weil R1 und R2 als Spannungsteiler zwischen Ue mit +1 V und Ua mit GND-Pegel wirken. Deshalb diese +0.67 V. Sobald Ue mit +1 V stationär ist, beginnt die Schaltung zu regeln. Diese erreicht dann den stabilen Endzustand wenn Ud = 0 V (so wie es sein muss!) und folglich Ua = -2 V. Man kann solches zum besseren Verständnis simulieren oder experimentieren. Das Experimentieren bietet mehr Gewissheit und ein Erleben des Inhaltes.

Nach dieser dynamischen die statische Betrachtung mit dem Strom I im Zustand Ue = +1 V. Die selbe Spannung liegt über R1 und dies erzeugt einen Strom von 10 µA. Dieser fliesst via Knotenpunkt des virtuellen GND durch R2 zur Endstufe des Opamps. Da R2 doppelt so gross ist wie R1, liegt Ua auf -2 V. An dieser Spannung liegt der Lastwiderstand RL. Es entsteht ein Strom Ir von 2 mA, der ebenfalls zur Endstufe des Opamps fliesst. Dies ergibt den Summenstrom It (t=total) von 2.01 mA. Die Endstufe ist als NPN-PNP-Schaltung angedeutet. Es kann z.b. die Endstufe eines LM358- (Dual) oder LM324-Opamp (Quad) sein. Wenn Ua Strom zieht, dann leitet der PNP- und im umgekehrten Fall der NPN-Transistor. Die selbe Erklärung gilt, wenn ein N-Kanal- und P-Kanal-MOSFET die Endstufe bilden.

Teilbild 2 stellt ein anderes Thema vor. Hier geht es darum, wenn ein Opamp als invertierender Verstärker mehrere Eingänge hat, dann reduziert sich die Unitygain-Bandbreite in dem Masse wie klein der Parallelwiderstand von R1, R3 und noch weiteren Widerständen mit weiteren Eingängen ist. Das gilt stets dann wenn ein Eingang an einer Quelle angeschlossen ist. Ob diese ein Signal liefert, spielt keine Rolle. Es gilt der Ausgangswiderstand der externen Quelle.

Dieser Opamp-Elektronik-Minikurs bietet noch weitere Themen:

  • Leerlaufverstärkung, Differenzspannung und Frequenz
  • Grenzfrequenz, Slewrate und Leistungsverbrauch
  • Anstelle GND eine variable Referenzspannung
  • Der unbenutzte Opamp und die richtige Beschaltung
  • UGBW: Experimentieren mit höheren Frequenzen – Probleme
  • Was ist der Piezoeffekt? (mit zusätzlichem Link)

Gruss Euer
ELKO-Thomas


2. Auflage von Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker

Seite Mitte August gibt es die 2. Auflage des Buches „Elektronik-Workshop: Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker“. Dazu hat Thomas Schaerer seine Sammlung von Minikursen rund um Operationsverstärker vollständig überarbeitet und erweitert.

Dieses Buch ist nicht einfach nur ein Buch, sondern ein Elektronik-Workshop. Denn es gibt was zu tun. Dieser Elektronik-Workshop ist eine Sammlung von Minikursen zum Thema Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker, die auf der Webseite von Elektronik-Kompendium.de von Thomas Schaerer veröffentlicht sind.

In praxisbezogenen Minikursen wird der Vielseitigkeit des Operationsverstärkers Ausdruck verliehen. Mit einer Einführung in das Thema Operationsverstärker und zusätzlich vertiefenden und erweiterten Erklärungsansätzen.

Die neue 2. Auflage dieses Buches ist bis zum 30.9.2014 zum Einführungspreis von nur 19,90 Euro erhältlich.

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