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Operationsverstärker


Der Operationsverstärker, kurz auch OpAmp (operational amplifier) oder OP genannt, ist ebenfalls ein wichtiges Bauteil.



Eigenschaften und Verwendung

opamp1.gif Operationsverstärker werden in verschiedenen Gehäuseformen gebaut, z. B. in einem runden TO-5 Gehäuse oder als IC. Heute überwiegt jedoch die IC-Form. Sie werden vielfach eingesetzt z. B. in der Steuerungs- und Meßtechnik als Regler, Vergleicher oder Verstärker. Sie bestehen immer aus mehreren Verstärkerstufen, die miteinander gekoppelt sind: Differenzverstärker, Spannungsverstärker und eine Gegentaktstufe.

opamp2.gif Meist werden beim Schaltsymbol die Anschlüsse der Versorgungsspannung nicht mit eingezeichnet, so wie es bei dem Symbol oben der Fall ist. Manchmal wird aber auch das untere Symbol benutzt, welches die Anschlüsse der Versorgungsspannung enthält.

Jeder Operationsverstärker hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Der Eingang mit der Bezeichnung "-" ist ein invertierender Eingang, d. h. die Spannung am Ausgang ist um 180 Grad phasenverschoben. Der Eingang mit der Bezeichnung "+" ist ein nichtinventierender Eingang; Ein- und Ausgangsspannung haben hier die gleiche Phasenlage. Operationsverstärker verstärken Gleich- als auch Wechselspannungen. Die Differenz der beiden Eingangsspannungen wird sehr hoch verstärkt.


lm358.gif

Die interne Schaltung des Operationsverstärkers LM 358


Wie schon erwähnt haben Operationsverstärker bedingt durch ihren Aufbau einen sehr hohen Verstärkungsfaktor, der bei 1.000 bis 1.000.000 liegt. Sie haben einen extrem hohen Eingangswiderstand von 1 Megaohm bis einigen Gigaohm! Der Ausgangswiderstand ist mit 10 bis 300 Ohm recht klein. Also wirklich ideale Eigenschaften! Durch den extrem hohen Eingangswiderstand wird z. B. die Vorstufe so gut wie gar nicht mehr belastet.

Operationsverstärker werden heute meist in IC-Form hergestellt. Nur noch wenige gibt es im TO-5 Gehäuse.


op1.jpg

Ein Operationsverstärker im TO-5 Gehäuse,
was man heute nur noch selten sieht.



Positive und negative Spannung

Viele Operationsverstärker benötigen zum Betrieb eine positive und eine negative Spannung. Was das heißt, macht folgendes Schaltbild klar:


negative.gif

Positive und negative Gleichspannung


Der gemeinsame Bezugspunkt der Spannung sind die 9 V. Er dient hier als "Masse", auch Bezugsmasse genannt. Zwischen dem Anschluß der 18 V und der Bezugsmasse wären dann die positive Spannung (zwischen 9 V und 18 V liegt ja eine Spannung von 9 V!) und zwischen der Bezugsmasse und den 0 V die negative Spannung (zwischen 9 V und 0 V liegt auch eine Spannung von 9 V!). Man braucht also zwei Spannungen. Ein Trafo müßte in diesem Fall die Spannungen 9 V und 18 V liefern können. Man braucht also einen Trafo mit Mittenanzapfung. Oder man nimmt einen Trafo der zweimal 9 Volt ausgibt und schaltet die beiden Ausgänge in Reihe.

Moderne Operationsverstärker wie z. B. der LM 324 oder der LM 358 kommen aber auch mit einer einzigen Betriebsspannung aus. Allerdings ist bei ihnen meist kein Offsetabgleich möglich.



Offset-Spannung

Wichtig ist auch der sogenannte Offset- oder Nullspannungsabgleich. Legt man an den normalen Eingang des Operationsverstärkers eine Eingangsspannung und an den invertierenden Eingang eine negative Spannung gleicher Größe, so ist die Differenz dieser beiden Spannung 0 V, die dann eigentlich am Ausgang erscheinen müßte. Durch Unsymmetrien der Verstärkungsfaktoren in den Transistoren beträgt diese Ausgangsspannung aber oft nicht genau 0 V. Diese Abweichung bezeichnet man als Offset-Spannung. Man kann diese Offset-Spannung mit einem Poti, für das der Operationsverstärker meist einen eigenen Anschluß hat, auf genau 0 V abgleichen.


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