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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Was macht ein Oprationsverstärker


Autor: Valentin Buck (nitnelav) Benutzerseite
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Was hat ein Operationsverstärker eigentlich für einje Funktion? Macht er 
die Flanken steiler, erhöht er die Amplitude oder wirkt er nur wie ein 
Tansistor?
Kann es sein, dass er wirkt wie zwei Transistoren, die jeweils eine 
Halbwelle schalten? Und kann man mit einem TL 072 einen Verstärker 
bauen?
Ich hoffe auf euch.
Nitnelav

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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Wikipedia kaputt? ;)

Autor: aha (Gast)
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Bei National Semiconduchtor gibt es eine gute Abhandlung ueber den 
OpAmp. Mit Geschichte, Herleitung, usw.

Autor: Ich (Gast)
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Er versucht mit aller Kraft (und wenn man ihn läßt) die Differenz 
zwischen seinen Eingängen auf 0 zu halten.

Autor: M. Köhler (sylaina)
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Ein Operationsverstärker verstärkt operativ, sagt doch schon der Name ;)

Autor: Allu (Gast)
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Die Erklärung von Ich ist kurz und zutreffend !

Autor: Jens G. (jensig)
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@Ich (Gast)

>Er versucht mit aller Kraft (und wenn man ihn läßt) die Differenz
>zwischen seinen Eingängen auf 0 zu halten.

nur, wenn er gegengekoppelt ist, muß man dazu sagen

Autor: Ich (Gast)
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Deshalb: (und wenn man ihn läßt)  :)

Autor: HildeK (Gast)
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>Was hat ein Operationsverstärker eigentlich für einje Funktion? Macht er
>die Flanken steiler, erhöht er die Amplitude oder wirkt er nur wie ein
>Tansistor?
>Kann es sein, dass er wirkt wie zwei Transistoren, die jeweils eine
>Halbwelle schalten? Und kann man mit einem TL 072 einen Verstärker
>bauen?
Nichts von deinen Vermutungen sind so wirklich zutreffend.

Es ist ein Bauelement, im Inneren bestehend aus vielen Transistoren. Das 
interessiert aber selten jemanden.
Die Funktion ist, dass er die die Differenz der Eingangssignale linear 
verstärkt. Die Verstärkung ist sehr hoch, real so zwischen 10000 und 
100000. Rechnen tut man der Einfachheit halber häufig mit einer 
Verstärkung von unendlich und betrachtet ihn als ideal. In sehr vielen 
Fällen ist das ausreichend zutreffend.
Auf Grund der hohen Verstärkung kann man ihn sinnvoll (als Verstärker) 
nur gegengekoppelt betreiben, d.h. man reduziert die Verstärkung auf 
einen sinnvollen, endlichen Wert. Und genau diese Beschaltung führt im 
Zusammenhang mit der unendlich angesetzten Verstärkung dann zu der 
obigen Aussage:
>Er versucht mit aller Kraft (und wenn man ihn läßt) die Differenz
>zwischen seinen Eingängen auf 0 zu halten.

Und damit kommt auch seine Nützlichkeit ins Spiel. Man baut damit 
Verstärker mit z.B. 1 ... 100-facher Verstärkung und kann so kleine 
Signale (Audio, Mikrofon, Sensor o.ä.) auf entsprechend große 
Signalamplituden bringen. Einiges davon geht auch mit Transistoren, aber 
nicht mit der hohen Verstärkung, mit der Linearität und der Einfachheit.
Für Verstärkungsbetrieb hat man zwei wichtige Grundschaltung aus einem 
OPA und zwei Widerständen und könnte diesen Block einfach mit einem 
Eingang, einem Ausgang und dem Parameter v=Verstärkung charakterisieren.
Abgeleitet davon gibt es noch viele weitere Einsatzmöglichkeiten, z.B. 
als Addierer (denke an ein Mischpult) oder Subtrahierer.

Da andere darüber größere Abhandlungen geschrieben haben ("Bei National 
Semiconduchtor gibt es...), solltest du einfach mal damit anfangen. Oder 
auch mit den Operationsverstärker-Grundschaltungen hier im Forum.

Für den allerersten Anstoß sollte das mal reichen.

Autor: Anselm (Gast)
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Und kann man mit einem TL 072 einen Verstärker
bauen?
Ich hoffe auf euch.
Nitnelav


Japp, nur ohne nennenswerte Ausgangsleistung.
Denn dieser OP-Amp kann dir nur wenig Strom liefern.
Zum Betrieb von Lautsprecherboxen braucht man schon ein paar Ampere.
(Beispielrechnung: 1A an 8Ohm sind 8V und entsprechen 8Watt)
Gruß Anselm

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

ich vermittle Dir eine stark vereinfachte Theorie, damit Du einen 
Einstieg bekommst. Alles andere kannst Du dann in den Büchern nachlesen.

Anschlüsse:
Ein Operationsverstärker hat zwei Eingänge (+) und (-) und einen Ausgang 
(UA). Außerdem verfügt er über eine positive und eine negative 
Spannungsversorgung (V+) und (V-).

Spannungsversorgungen:
Die Spannungsversorgungen sollen uns zunächst nicht interessieren. Sie 
werden in Schaltungen oft nicht eingezeichnet. In der Praxis ist es 
wichtig zu wissen, daß die Ausgangsspannung immer zwischen (V+) und (V-) 
liegt. Wenn Du also am Ausgang +5V erzeugen willst, muß die positive 
Versorgungsspannung mindestens 5V betragen. Wenn die Ausgangsspannung 
eines OPV bis an die Versorgungsspannungen heranreichen kann, nennt man 
ihn Rail-to-Rail OPV.
Viele Operationsverstärker sind nicht Rail-to-Rail. Die maximale 
Ausgangsspannung bei einer Versorgung mit +5V beträgt dann 
beispielsweise +4V.

    | \
    |  \
 -- | - \
    |    \_______
    |    /
 -- | + /
    |  /
    | /


Ausgang:
Der Ausgang ist eine ideale Spannungsquelle. Das bedeutet, daß die 
Ausgangsspannung unabhängig davon ist, was ausgangsseitig an den OPV 
angeschlossen wird.

Eingänge:
Die Eingänge sind hochohmig (d. h. nur "Meßfühler", die kein Strom 
wegleiten).

Funktionsweise:
Der OPV mißt zu jeder Zeit die Differenz Ud = U(+) - U(-) der 
Eingangsspannungen.

Ist die Spannung an (+) größer als an (-), so erhöht der OPV die 
Ausgangsspannung.
Ist die Spannung an (+) niedriger als an (-), so vermindert der OPV die 
Ausgangsspannung.


Beispiel:
                   R2
             *----#####---*
             |            |
             |   | \      |
U1 I1  R1    |   |  \     |
o->- ##### --o-- | - \    |
                 |    \___o____
                 |    /
          GND -- | + /
                 |  /
                 | /


Die Spannung an (+) ist gleich Null. Die Spannung an (-) wird durch die 
Spannungsquelle U1 und durch den Ausgang des Operationsverstärkers 
manipuliert.

- Ist die Spannung an (-) negativ, so erhöht der Operationsverstärker 
die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die Spannung an (-) positiver. 
Und zwar so lange, bis die Spannung an (-) gleich groß ist, wie die 
Spannung an (+), also U(-)=0V.

- Ist die Spannung an (-) positiv, so vermindert der 
Operationsverstärker die Ausgangsspannung. Dadurch wird auch die 
Spannung an (-) negativer. Und zwar so lange, bis die Spannung an (-) 
gleich groß ist, wie die Spannung an (+), also U(-)=0V.

Der Operationsverstärker wird also die Spannungen an (+) und (-) 
angleichen. Das passiert immer dann, wenn der Ausgang mit dem (-)Eingang 
verbunden ist. Man nennt das Prinzip "Gegenkopplung". Auf diese Art und 
Weise funktionieren alle analogen OPV-Schaltungen.

Zur Berechnung:
Da an (-) Massepotential anliegt, liegt an R1 die Spannung U1 an, und es 
gilt: I1=U1/R.

Da der (-)Eingang hochohmig ist, fließt I1 über R2 weiter zum 
OPV-Ausgang.

Ua ist die Spannung vom Ausgang zur (virtuellen) Masse
(--> Pfeil einzeichnen und klarmachen, daß es egal ist, ob der Pfeil vom 
Ausgang zur Masse geht oder vom Ausgang "entgegen der Stromrichtung" zur 
virtuellen Masse an (-)).
Mithilfe von I1=U1/R kann man rechnen:

Ua = -R2*I1 = -R2/R1*Ue.


Die Energie für den Stromtransport über R2 kommt übrigens vom OPV! 
Sobald die Ladungen die virtuelle Masse an (-) erreicht haben, hat U1 
schon seine gesamte Energie abgegeben.


Die gezeigte Schaltung ist ein Verstärker. Er kann allerdings nicht viel 
Strom (d. h. nur geringe Ausgangsleistungen) liefern.
Du kannst mit einer Operationsverstärkerschaltung normalerweise nur 
"Signale" erzeugen, aber keine Leistung. Wenn Du große Leistungen 
brauchst wie bei einer Audio-Endstufe, so brauchst Du zusätzlich noch 
große Transistoren.

Für einen TL072 gilt:
- Kopfhörerverstärker: Ja
- Boxenverstärker: Nein bzw. nur in Kombination mit einer Endstufe, die
                   die eigentliche Leistung liefert.


Gruß,
  Michael



PS: Du kannst Dir ja mal zur Übung überlegen, was bei Mitkopplung 
passiert, das heißt: wenn Du die (+) und (-)Eingänge miteinander 
vertauschst.
Mach Dir klar, weshalb sich U(+) und U(-) dann nicht angleichen, und 
weshalb die Ausgangsspannungen extreme große bzw. kleine Werte annehmen.
Die Lösung kannst Du unter dem Begriff "Schmitttrigger" nachlesen.

Autor: EGS (Gast)
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Hm ich kann mich daran erinnern, da wurde nur der Link vom Wiki 
reingeschissen und mehr nicht. Sind hier neue Zeiten angebrochen?

Autor: Moritz (Gast)
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Also die Frage ist wirklich nicht so toll.
Wenn das jetzt eine detailierte Frage zum OP gewesen wäre, wäre alles in 
Ordnung.
Aber zu Fragen, wie das ding grundsätzlich funktioniert, kann man mit 
einem Satz sowieso nicht erklären. Und den Artikel von Wikipedia kann 
jeder selbst lesen.

@Valentin Buck: Kauf dir ein Fachbuch, lese dies durch, wenn du dann 
noch Fragen hast, melde dich wieder. Dann helfen wir dir gern!

Autor: Analog dummy (Gast)
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@ HildeK,
du solltest noch erwähnen, dass sich die Linearität in der
Gegenkopplung hauptsächlich durch die hohe Leerlaufverstärkung
einstellt. Das wird oftmals vergessen ...

Autor: HildeK (Gast)
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@Analog dummy
Danke für deinen Nachtrag - er hätte aber auch seitenlang sein können 
und wäre trotzdem noch nicht vollständig umfassend gewesen. Wie sagte 
Moritz doch so schön:
>Aber zu Fragen, wie das ding grundsätzlich funktioniert, kann man mit
>einem Satz sowieso nicht erklären.

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