Hallo zusammen,
ich befinde mich momentan in meinem Elektrotechnikstudium und probiere
mein Wissen gerade praxisorientierter zu festigen.
Bis jetzt hatten wir in der Hochschule alle Schaltungen (OpAmps,
Transistoren usw.) immer nur mathematisch hergeleitet.
Wenn ich das alles durchrechne, ist das auch immer schön und gut, aber
wirklich verstehen, was die Schaltung jetzt macht oder was passiert wenn
ich an Position X einen Widerstand einfüge oder an Position Y einen
erhöhe, das bleibt irgendwie auf der Strecke.
Leider tue ich mich immer noch recht schwer damit Schaltungen nach zu
vollziehen. Selbst bei simplen Schaltungen renne ich öfter in Denkfehler
und bleibe nur verwirrt zurück (Simulationen helfen manchmal aber oft
kann ich mir das auch nicht recht erklären und tüftel mir eine Erklärung
zusammen die zum Ergebnis passen könnte (ich aber nit richtig
nachvollziehen kann)).
Ein kleines exemplarisches Beispiel meines Vorgehens bei mir neuen
Schaltungen (Schaltung siehe Anhang (quelle:
http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp34.gif?x98918))
Ohne Widerstand im Feedbackzweig hab ich es soweit hinbekommen, ich lege
Bspw. 10V DC am invertierenden Eingang an und Strom beginnt zu fließen
in höhe von Vin/Rin. Der Kondensator lädt sich auf und der OpAmp
versucht die Spannung auszugleichen, die am Kondensator abfällt, um den
virtuellen Massepunkt am invertierenden Eingang halten zu können.
Der Kondensator lädt weiter und der Strom wird aufgrund der wachsenden
Impedanz (Xc) immer weniger bis der Kondensator voll geladen ist und
kein Strom mehr fließt (wirkt wie Leerlauf in DC Kreis).
Fließt kein Strom mehr, fällt keine Spannung am Eingangswiderstand mehr
ab und Vin liegt am invertierenden Eingang.
Dies sorgt dafür, dass der OpAmp in die Sättigung geht.
Soweit sollte es stimmen?
Jetzt kommt der Widerstand dazu, nehmen wir an R1 = R2 = 1k.
Ist der Kondensator voll geladen, kann jetzt ein Strom durch R2 fließen
was dem OpAmp ermöglicht die virtuelle Masse zu erhalten.
Doch genau hier fängt mein Denkproblem an:
Wenn der Kondensator bspw. voll geladen einen Spannungsdrop von 7V
hätte, müsste diese Spannung auch an R2 abfallen (da sie parallel
zueinander liegen).
Da allerdings der selbe Strom durch R1 & R2 fließt müssen die beiden
Spannungsabfälle ebenfalls identisch sein. Wenn ich also 10V anlege,
müssten über beide Widerstände (ganz nach dem normalen invertierenden
Verstärker) doch jeweils 5V abfallen.
Regelt der OpAmp jetzt nach, dank der 7V an R2, verändert sich der Strom
durch die Widerstände, dieser kann sich aber eigentlich nicht verändern
ohne dass der Kondensator seine Ladung verändert da ja sonst die 7V/R2
als Strom erhalten werden müssten. So kann allerdings das Verhältnis von
R1 zu R2 nicht hergestellt werden.
In solche Denkfehler (irgendwas muss ich ja falsch verstanden haben) und
Teufelskreise laufe ich ständig rein wenn ich probiere mir herzuleiten,
wie Schaltungen funktionieren, oder was passiert wenn ich Parameter der
Schaltung ändern möchte.
Es würde mich also unglaublich freuen, wenn mir jemand ein paar Tipps
geben könnte wie man am besten an sowas ran geht oder vielleicht
Faustregeln bereit hat? Auch würde es mich freuen wenn meinen obigen
Denkfehler jemand für mich auflösen könnte :/
Ich weiß, dass wahrscheinlich viel Einsicht mit Erfahrung im
Schaltungsentwurf kommt, aber ich bin momentan in einer Position wo ich
mir nicht mal eine simplere Schaltung für den 1. Entwurf zusammen
stellen könnte, ohne fremde Hilfe in der Dimensionierung...
Ich bin dankbar für jeden Tipp :)
Viele Grüße
Bobba
Bobba schrieb:> oder vielleicht Faustregeln bereit hat?
1. Solange der OP im linearen Arbeitsbereich ist, ist am + und am -
Eingang die selbe Spannung. Das ist der eigentliche Knackpunkt.
Und 2. in die Eingänge (oder aus ihnen heraus) fließt kein Strom.
Und für Schaltungen mit Kondensatoren lohnt sich eine Betrachtung als ob
die Kondensatoren nicht da wären. Das ergibt dann den statischen
Zustand.
Dazu kommen jetzt natürlich Betrachtungen, ob die Schaltung überhaupt
stabil ist, oder über eine Mitkopplung schwingt.
Moin,
Bobba schrieb:> Ich weiß, dass wahrscheinlich viel Einsicht mit Erfahrung im> Schaltungsentwurf kommt, aber ich bin momentan in einer Position wo ich> mir nicht mal eine simplere Schaltung für den 1. Entwurf zusammen> stellen könnte, ohne fremde Hilfe in der Dimensionierung...
Ja, das ist halt mal so. Schaltungsentwicklung lernt man nicht wirklich
an der Hochschule. Das macht man idealerweise schon vorher, sogar auch
ohne, dass man das alles berechnen kann.
Allgemein: Bei der Analyse einer unbekannten Schaltung alles auf
irgendwelche kleinen Schaltungsteile runterbrechen, die man dann
irgendwie erkennt und bei der Synthese genauso: Erstmal alles aus
kleinen, bekannten Teilschaltungen zusammensetzen. Danach kann man dann
gucken, ob man irgendwas zusammenlegen oder sonstwie vereinfachen
kann...
Gruss
WK
Bobba schrieb:> Der Kondensator lädt weiter und der Strom wird aufgrund der wachsenden> Impedanz (Xc)
Vergiss an dieser Stelle Impedanzen und Xc. Die sind in der
Wechselstromrechnung sehr hilfreich, wenn du es mit sinusförmigen
Signalen bestimmter Frequenz zu tun hast. Da du das hier nicht hast, ist
so etwas wie die Impedanz des Kondensators gar nicht definiert. Hier
gelten stattdessen Differentialgleichungen:
i_c = C * du_c/dt
(bei einem sinusförmigen Signal wird aus der Ableitung dann einfach die
Multiplikation mit j*omega und du hast wieder deine Impedanz).
Bobba schrieb:> Da allerdings der selbe Strom durch R1 & R2 fließt müssen die beiden> Spannungsabfälle ebenfalls identisch sein. Wenn ich also 10V anlege,> müssten über beide Widerstände (ganz nach dem normalen invertierenden> Verstärker) doch jeweils 5V abfallen.
Dein Integrator kann - je nach Vorgeschichte - unterschiedliche
Spannungen am Ausgang haben. Fang der Einfachkeit halber mal mit
folgender Startbedingung an:
Anfangs sollen alle Spannungen (Vin und Vout) auf Null liegen, und es
fließt idealerweise kein Strom durch das Rückkoppelnetzwerk.
Jetzt springt Vin auf 10V und über R1 fließen 10mA zum OPV. Der hält den
Eingang weiter auf 0V, indem er den Ausgang so ansteuert, dass die
vollen 10mA über R2//C zum Ausgang fließen. Das erreicht er, indem die
Ausgangsspannung mit der Geschwindigkeit du/dt=10mA / C nach unten geht
(d.h. zuerst fließt der gesamte Strom über C, über R2 fällt ja anfangs
noch fast keine Spannung ab).
Je länger die Eingangsspannung auf 10V bleibt, desto negativer wird die
Ausgangsspannung. Je negativer die Ausgangsspannung wird, desto mehr
Spannungsabfall sieht R2 und desto mehr Strom fließt über R2 - und
dementsprechend wird der Strom über C immer geringer (und du/dt wirk
betragsmäßig immer kleiner).
Wenn du sehr lange wartest, dann fließt der volle Strom über R2 und am
Ausgang liegen stabil -10V (und weil die -10V konstant sind fließt kein
Strom mehr über C)
Hallo zusammen
Vielen Dank für die schnellen Antworten :)
Wenn ich es richtig verstehe meinen die Antworten von Lothar und Achim
das gleiche.
Also kann der von mir beschriebene Zustand gar nicht in diesem Falle
eintreten da, bevor der Kondensator die 7V erreicht hätte, vorher R2
schon den ganzen Strom ziehen würde und sich demnach ein
Spannungsverhältnis wie ohne Kondensator einstellen würde?
Oder wie kann ich verstehen, dass der Strom über die Zeit eher über den
Widerstand fließt als in den Kondensator?
Ist der Kondensator also quasi eine Art Verzögerung für den Vorgang in
einem invertierenden Verstärker.
Könnte man das so sagen?
Wie sähe es denn aus, wenn mein Kondensator recht klein ist und nur
wenig Spannung annehmen kann. Würde der Integrator dann normal
funktionieren und ab dem Moment wo der voll ist steil gegen den
Gleichgewichtszustand gehen?
@Derguteweka
So ähnlich probiere ich es meist, aber die Beispielschaltung lässt sich
bis auf den normalen invertierenden Verstärker nicht wirklich runter
brechen...
Weiterhin Dankbar für Hilfe :)
Vg
Bobba
Besorge dir ein Steckbrett und einen Sack voll Bauelemente, ein paar
Messgeräte. Bastle alle möglichen kleinen Schaltungen nach, probiere
probiere probiere -learning by doing- ist die Lösung!
Moin,
Bobba schrieb:> So ähnlich probiere ich es meist, aber die Beispielschaltung lässt sich> bis auf den normalen invertierenden Verstärker nicht wirklich runter> brechen...
Naja, der "normale" invertierende Verstaerker ist ja schonmal ein guter
Anfang. Aber der hat ja nur ohm'sche Widerstaende um sich rum. Das
Dingens hier kannst du dir auch als invertierenden Verstaerker mit 2
Impedanzen in der Rueckkopplung angucken. Und dann kann einem schon
schwanen, dass das sowas aehnliches ist, wie ein RC-Tiefpass.
Also "normal":
v=H(jw)=-R2/R1
und speziell hier:
H(jw)=-Z2/Z1 oder auch, weil Z eher immer doof ist, wenn die einzelnen
Teile parallel sind:
H(jw)=-1/(Z1*Y2) mit Z1=R1 und Y2=(1/R2)+jwC
und bei sowas von dem Kaliber:
A
-------
B + jwC
ist's hilfreich, wenn einem daemmert, dass das ein Tiefpass ist. Und
wenn man dann auch noch weiss, wie dessen Frequenz und Phasengang,
Impuls- und Sprungantwort aussehen, kann nicht mehr so ganz viel
schiefgehen ;-)
Gruss
WK
Hallo
Ich glaube ich habe einen meiner Denkfehler gefunden.
Hatte aus irgend einem Grund angenommen, dass der Strom immer gleich
stark in den Kondensator reinfließt.
Natürlich sinkt die Stromaufnahme mit steigender Spannung und teilt sich
daher mehr auf den Widerstand auf.
Was mich allerdings noch wundert ist, dass bei der Schaltung stand, dass
sie sich bei niedrigen Frequenzen durch den Widerstand wie ein
Integrator verhält.
Wenn ich es mit ltspice simuliere und auf 10Hz laufen lassen
funktioniert die Schaltung aber eher wie ein invertierender Verstärker
(wie ich es dank der Tipps auch vermuten würde), da wird nichts
integriert (Integral vom Sinus müsste ja nen -cos ergeben ich krieg aber
nen -sin raus).
Hab ich noch etwas übersehen oder ist das so korrekt?
(Simulation siehe Anhang)
Falls ich das so richtig verstanden habe, hat mir der Tipp mit den
Kondensatoren weglassen auch recht gut geholfen :)
Viele Grüße und Danke für die nette Hilfe,
Bobba
Bobba schrieb:> Hab ich noch etwas übersehen oder ist das so korrekt?
Die Frau Werwolf sagt: Des g'hoert so.
Das Ding verhaelt sich bei hohen Frequenzen wie ein Integrator.
Gruss
WK
Einfach mal mit dem LTSpice ein bißchen rumspielen.
Werte verändern, Frequenzen verändern, Ströme anzeigen lassen usw.
Das Tolle am Simulator ist ja, daß die Bauteile nicht kaputt zu kriegen
sind.
;-)
Dergute W. schrieb:> Das Ding verhaelt sich bei hohen Frequenzen wie ein Integrator.
so ist es.
@Bobba: wenn du mit deiner Simu das Integratorverhalten bei hochen
Frequenzen (deutlich über den 16kHz Grenzfrequenz des
Rückkoppelnetzwerks) beobachten willst, dann ist der LT1369 keine
besonders gute Wahl. Der hat nur eine Slewrate von ~0,1V/µs, die in der
momentanen Simu dein Ausgangssignal schon ab 10kHz limitieren würde
(also noch bevor das Integratorverhalten dominiert).
Wenn du also das "echte" Integratorverhalten sehen willst (und nicht die
Limitierungen des OPVs), dann solltest du bei diesem Rückkoppelnetzwerk
einen schnelleren OPV simulieren (oder das Rückkoppelnetzwerk ändern,
oder zumindest die Amplitude der Eingangsquelle reduzieren, damit die
Slewrate nicht zuschlägt).
Ohne den ganzen Thread gelesen zu haben:
Elektronik ist ein schönes Hobby. Kauf dir ein billiges Oszi, ein
Multimeter, ein Steckbrett und ein Grundsortiment Widerstände, LEDs,
Transistoren und Kondensatoren und bau Schaltungen auf. Guck dir auf dem
Oszi an, was passiert.
Bei uns gabs im IT Studium noch son Elektronik Labor mit
Emitterschaltung, Kennlinien von Bauteilen, OPV-Schaltungen und
Schaltzeiten von BJT.
Das ist aber nur interessant gewesen wegen der sündhaft teuren
Messausstattung. Die Versuche hätte ich auch alle mit meinem alten EO213
und einem 20€ Multimeter durchführen können.
Hallo,
genau wie mein Vorredner schon meinte: baue das auf und probiere aus,
was passiert. Somit bekommt man das Gefühl fürs Praktische.
Mit freundlichem Gruß
Hallo zusammen :)
Erneut vielen Dank für die Hilfe.
Ich glaube so langsam komme ich dahinter.
Und die Tipps wie ich den Kondensator betrachtetn muss auch bei
verschiedenen Frequenzen haben sehr geholfen :)
Ich plane auf jedenfall mich endlich mal hinzusetzen und Schaltungen zu
bauen.
Hab mir auch schon das Lernpaket Elektronik vom Franzis Verlag geholt.
Leider fehlt mir aufgrund von Arbeit + Studium momentan ein wenig die
Zeit mich hinzusetzen. Ich sitze so schon öfter bis 10 Uhr abends noch
dran :/
Aber das sollte sich demnächst wieder etwas entspannen...dann wird das
Set endlich mal angegangen.
@Der Andere
Das Buch hab ich schon angefangen, wirklich schön geschrieben aber an
ein paar ecken gehen sie mir doch zu schnell drüber^^
Falls noch wer Tipps und Faustregeln hat bin ich weiterhin froh darüber
und werde zwischendurch immer mal wieder vorbei gucken.
Und falls ich irgendwo gar nicht weiterkommen sollte seht ihr mich
bestimmt auch wieder :P
Viele Grüße und Danke,
Bobba
Hallo ich bins nochmal,
es hat sich doch noch ein Gebiet ergeben wo ich mich recht schwer tue.
Und zwar bin ich noch den nächsten Schritt weiter gegangen und hab mich
auch mal in die Filter eingelesen (wenn ich schon mal bei den OpAmps und
dem Integrator war).
Wie die aktiven Tiefpassfilter (auch in höheren Ordnungen) funktionieren
hab ich größtenteils verstanden.
Allerdings verwirrt mich die praktische Dimensionierung der Filter
etwas.
Ich hab mich mal auf die Sallen Key Architektur beschränkt.
Eine Recherche im Internet bezüglich der Dimensionierung ergab eine
ganze Fülle von Varianten. Leider unterscheiden diese sich recht häufig
in Formeln, Vorgehen und Parametern.
Einige (augenscheinlich besonders nicht deutsche Quellen) legen die
Filter entweder mit Polynom-Tabellen oder mit den Parametern K (Gain)
und Q (Qualitätsfaktor) aus.
Hier wäre ein Beispiel von TI:
http://www.ti.com/lit/an/sloa049b/sloa049b.pdf
Andere nutzen meist die Parameter ai & bi (manchmal auch a1 & a2) für
die typischen Filter (Bessel, Tschebycheff usw.).
Doch auch hier gibt es anscheinend recht verschiedene Wege die
Dimensionierung vorzunehmen.
Da der Aufbau vom Sallen Key Filter ja eigentlich immer identisch ist
(Spannungsteiler am Ausgang falls Verstärkung gewünscht ist, sonst kann
der weg bleiben), hätte ich erwartet, dass auch das Vorgehen zur
Bauteildimensionierung und die damit verbundenen Formeln gleich sein
müssten...
Die Version die ich am besten nachvollziehen konnte, war die von der HIT
Karlsruhe ("Filterschaltungen Tiefpass - HIT HS Karlsruhe" bei google
eingeben -> 1. Link)
Die nehmen die Koeffizienten ai & bi und berechnen daraus alpha und
beta.
alpha = ai/(2*pi*fg) und Beta = bi/(2*pi*fg)²
Mit diesen gehen sie in die Übertragungsfunktion vom Filter und holen
sich die Werte für Alpha und Beta:
Alpha = (R1+R2)*C2 und Beta = R1*R2*C1*C2. (Anhang die
Übertragungsfunktion bei Bild Ansatz3)
Dann werden R1 & R2 festgelegt um grobe Werte für die Kondensatoren zu
bestimmen. Falls einer der Werte nicht realisierbar ist, wird der nächst
nähere realisierbare genommen und dann nochmal die Widerstände bestimmt.
Hier konnte ich die Rechnung nachvollziehen.
Die Frage ist jetzt ob das alles so korrekt und allgemein gültig ist?
Hole ich nämlich ein 3. Dokument dazu ("realisierung aktiver filter" bei
google -> 1. Link) kommt ein weiterer Ansatz mit dem Koeffizienten ai
und bi. Leider konnte ich Ansatz 2 nicht mit Ansatz 3 nachbilden bei
gleichen Koeffizienten und Kondensatorwerten.
Im Anhang hab ich mal den betreffenden Abschnitt eingefügt.
Die Übertragungsfunktion ist wie zu erwarten die gleiche wie aus Ansatz
2.
Allerdings sind die Formeln komplizierter. Auch der Term für R1 bereitet
mir Rätsel da ja 2 Werte rauskommen werden.
Generell steht in vielen Ansätzen, dass man einige Bauteile festlegen
soll und den Rest auszurechnen. Aber nur wenige geben Angaben welche am
günstigsten sind und in welchem Bereich man sie grob festlegen sollte.
Ansatz 3 liefert eine Idee mit Größenverhältnissen aber da habe ich in
wieder anderen Dokumenten auch wieder andere Verhältnissgleichungen
gesehen.
Daher meine Frage:
Gibt es einen "besten" weg um die Dimensionierung vorzunehmen?
Sind die Ansätze von oben alle richtig, falls ja, wieso kommen andere
Werte raus?
Das es jede Quelle leicht anders erklärt macht das Verständnis nicht
gerade einfach, und auch wenn es die Filter Tools gibt mit denen man das
alles ganz einfach machen kann, würd ich doch gerne wissen wie man
seinen Filter auch ohne Tool auslegen kann wenn man z.B. einen
Bessel-Filter 3. Ordnung haben möchte.
Sorry für den langen Post aber es würde mich sehr freuen wenn mir
nochmal jemand beim Verständnis helfen könnte :)
Viele Grüße
Bobba
opampintegrator.gif
(8,6 KB)
