Hi zusammen,
und zwar arbeite ich mich gerade in das Thema Operationsverstärker ein
(ich habe leider noch nicht so den Durchblick).
Kann mir eventuell jemand erklären, woher man weiß, in welche Richtung
der Strom fließt bei einem Opamp? Ich weiß, dass er bei einem idealen
Opamp nicht in die Eingänge fließt. Dann wollte ich mit den
Kirchhoffschen Regeln die Knoten anschauen aber ich bin mir bei den
Vorzeichen für den Strom nicht sicher, da ich immer noch nicht ganz
verstehe wohin der Strom bei einem Opamp überhaupt genau fließt :(
Kann mir jemand anhand der 2 Beispiele erklären wie ich die Knoten und
Maschen aufstelle?
Jonaaaas schrieb:> Ich weiß, dass er bei einem idealen> Opamp nicht in die Eingänge fließt.
Richtig, denn man vernachlässigt die tatsächlich fließenden
Eingangsstöme, die sich irgendwo bei pA oder nA aufhalten, gegenüber den
Strömen, die sich durch die äußere Widerstandsbeschaltung ergeben.
mfg
Das ist schwierig, die Eingangsströme können positiv oder negativ sein.
Das kommt auf die äußere Beschaltung sowie auf die Eingangsstufe selbst
an, sowie auf zeitliche Änderungen von Aus- und Eingangsspannung.
Es gibt OPVs, deren Eingänge einfach nur FET-Gates sind. Da sind die
Eingangsströme nichts anderes als Gate-Leckströme.
Jonaaaas schrieb:> und zwar arbeite ich mich gerade in das Thema Operationsverstärker ein> (ich habe leider noch nicht so den Durchblick).
Vielleicht hilft dir der Hiweis, daß fast jede OPV-Schaltung darauf
basiert, beide Eingänge auf das gleiche Potential zu bringen.
Jonaaaas schrieb:> Dann wollte ich mit den> Kirchhoffschen Regeln die Knoten anschauen aber ich bin mir bei den> Vorzeichen für den Strom nicht sicher, da ich immer noch nicht ganz> verstehe wohin der Strom bei einem Opamp überhaupt genau fließt :(
Bsp. 1:
Unbekannt sind Uo und U=Un=Up (gleiches Potential an den Eingängen des
OPV). Es werden 2 unabhängige Gleichungen benötigt. Die zwei Knoten [N]
und [P] (Kirchoff) bieten sich dafür an.
[N] (Uo-U)/1k = 1mA + U/3k
[P] (Uo-U)/4k + 1mA = U/2k
Daraus lässt sich Uo (5V) und U=Un=Up (3V) ermitteln. Ströme lassen sich
danach über das ohmsche Gesetz berechnen.
Bsp. 2:
Hier treibt die Stromquelle 1mA durch einen 3k Widerstand Richtung
OPV-Ausgang. D.h. U=Un=Up muss positiver als Uo sein und beide Spannung
werden < 0V d.h. negativ sein. Es werden 2 Gleichungen benötigt:
[1] U-Uo = (1mA*3k) (Maschengleichung)
[2] (0V-U)/2k = (U-Uo)/4k (vom Spannungsteiler 2k + 4k)
Mit bekannten U=Un=Up (-1,5V) bzw. Uo (-4,5V) lassen sich danach alle
Ströme ermitteln.
Wenn Du Dich in die Arbeitsweise von Operationsverstärkern einarbeiten
willst, dann würde ich dringend dazu raten, zunächst den OPV als ideal
anzusehen mit unendlich großen Eingangs- und vernachlässigbarem
Ausgangswiderstand (Null).
Das ist es auch, was man bei den allermeisten Anwendungen macht -
besser: Man sucht sich je nach Anwendungsfall die Typen aus, für die
dann die externe Beschaltung so ausgelegt werden kann, dass diese
Annahme (OPV ideal) mit ausreichender Genauigkeit zutrifft.
Es macht ja wenig Sinn, mit endlichen Eingangs- und Ausgangswiderständen
zu rechnen (sehr komplizierte Formeln), wenn der dadurch vermiedene
Fehler geringer ist als die unvermeidbare Toleranz der externen
Beschaltung.
Viel wichtiger ist es - meiner Meinung nach, sich klar zu machen, warum
der OPV als Signalverstärker immer mit Gegenkopplung betrieben wird und
warum dadurch der Rechen-Ansatz "OPV-Eingangs-Differenzspannung=0"
gerechtfertigt ist. Das Ganze am besten anhand einer einfachen
Verstärker-Anordnung mit nur 2 Widerständen im Gegenkopplungszweig.
(Deine eingangs gezeigten Beispiele mit gleichzeitiger Gegen- und
Mitkopplung sind viel zu kompliziert für den Anfänger).
In dem Zusammenhang ist es dann auch interessant und wichtig, sich
generell über die Vor- und Nachteile der Gegenkopplung zu informieren.
Das gilt besonders für die Stabilitätseigenschaften (Sicherheit gegen
Schwingneigung), die durch die Gegenkopplung leider immer verschlechtert
werden.
Maßnahme dagegen: Formung des Frequenzgangs der "offenen" Verstärkung
des OPV (Stichwort: interne Frequenzkompensation des OPV-Chips mit
überraschend kleiner Grenzfrequenz von z.B nur 100 Hz.).
Diese oben aufgelisteten Punkte halte ich für sehr viel bedeutsamer als
die Untersuchung der Eingangsströme, wenn es um das Verständnis von
OPV-Anwendungen geht.
Jonaaaas schrieb:> Kann mir jemand anhand der 2 Beispiele erklären wie ich> die Knoten und Maschen aufstelle?
Nein.
Es ist nämlich üblich, in den Prinzipschaltungen - so wie
Du sie gezeichnet hast -- die Versorgungsanschlüsse der
OPVs wegzulassen (=nicht zu zeichnen), genau wie Du das
auch gemacht hast.
In der Realität müssen diese Anschlüsse aber passend
beschaltet sein, sonst macht der OPV überhaupt nix.
Die Knoten- und Maschengleichungen lassen sich nur dann
sinnvoll aufstellen, wenn man die Versorgungsanschlüsse
mit in die Betrachtung einbezieht.
Dass aus einem Bauteil mit DREI Anschlüssen an KEINEM
der beiden Eingäng Strom hineinfließt , aber trotzdem
am Ausgang Strom herauskommt , das ist schließlich
physikalisch unmöglich...
Ich habe mich ja gestern geoutet dass ich den Sinn von Stromquellen noch
nicht verstehe. Wenn aber hier (Bsp. 1) beide Anschlüsse der
Stromquelle auf demselben Potential liegen sollen - wer liefert dann die
Spannungsunterschiede an den anderen Knoten?
Und wer betreibt wozu Opamps mit Konstantstromquellen? Ist nicht so,
dass ich keine hätte, Opamps...
Josef L. schrieb:> Ich habe mich ja gestern geoutet dass ich den Sinn> von Stromquellen noch nicht verstehe.
???
Die ideale Stromquelle ist eine Abstraktion, mit der man
(sinnvollerweise) im ersten Studienjahr im Fach "Grund-
lagen der Elektrotechnik" gequält wird.
Sie ist für vielerlei theoretische Überlegungen wie auch
für zahlreiche praxisbezogene Näherungsbetrachtungen
nützlich.
> Wenn aber hier (Bsp. 1) beide Anschlüsse der Stromquelle> auf demselben Potential liegen sollen -
Nein, sie sollen NICHT a priori auf demselben Potenzial
liegen.
Der erfahrende Schaltungsentwickler sieht aber, dass ganz
am Ende der Rechnung herauskommen muss, dass die Stromquelle
im Kurzschluss arbeitet, wenn der OPV korrekt funktioniert.
Das Rechenbeispiel ist übrigens ziemlich gemein; woher
stammt das?
> wer liefert dann die Spannungsunterschiede an den anderen> Knoten?
Du hast nicht wirklich verstanden, was ich im vorigen
Beitrag geschriebe habe, oder?
Die Operationsvertärker brauchen eine Versorgung !
Diese Versorgung liefert die Spannungsunterschiede für die
anderen Knoten!
> Und wer betreibt wozu Opamps mit Konstantstromquellen?
Zum Beispiel jemand, der mit einer Photodiode mich
nachgeschaltetem Verstärker eine Helligkeit messen will...
Grummler schrieb:> Die Operationsvertärker brauchen eine Versorgung !
Schon - aber die Ströme und Potentialunterschiede kommen dann nicht aus
der Stromquelle, sondern aus den Spannungsquellen der positiven und
negativen Versorgungsspannung. Das schreibst du ja.
Dass es funktioniert sieht man ja, egal ob man es aufbaut oder
simuliert. Ohne Versorgungsspannungen kommt nur relativ undefinierter
Mist raus, abhängig vom jeweiligen Opamp.
Ah ich sehe: im oberen Zweig fließen links 1mA, rechts 2mA, im unteren
links 1,5mA, rechts 0,5mA. Unten werden also 1mA abgezweigt, die durch
den Querzweig (die Stromquelle) nachoben fließen und oben dazukommen.
Die Stromquelle ist also lediglich eine Rechenbedingung, die die anderen
Parameter so setzt, dass an dieser Stelle ein Strom bestimmter Stärke in
die vorgegebene Richtung fließt?
Josef L. schrieb:> Grummler schrieb:>> Die Operationsvertärker brauchen eine Versorgung !>> Schon - aber die Ströme und Potentialunterschiede kommen> dann nicht aus der Stromquelle,
Hmmja... die Potenzialunterschiede kommen (in diesem
Beispiel) nicht aus der Stromquelle, das stimmt -- ein
Teil der Ströme aber sehr wohl.
> sondern aus den Spannungsquellen der positiven und> negativen Versorgungsspannung. Das schreibst du ja.
Ja, natürlich.
Der OPV kann auch nicht zaubern; eine Versorgung braucht
er schon, um irgendwie sinnvoll zu arbeiten.
> Dass es funktioniert sieht man ja, egal ob man es aufbaut> oder simuliert. Ohne Versorgungsspannungen kommt nur> relativ undefinierter Mist raus, abhängig vom jeweiligen> Opamp.
Natürlich.
> Ah ich sehe: im oberen Zweig fließen links 1mA, rechts 2mA,> im unteren links 1,5mA, rechts 0,5mA. Unten werden also 1mA> abgezweigt, die durch den Querzweig (die Stromquelle)> nachoben fließen und oben dazukommen.
Richtig; gut beobachtet.
Alternativ kann man auch in Bild 1 aus dem allerersten
Beitrag eine Quellenumformung vornehmen; das ist zwar
prinzipiell einfach, die längliche Erklärung dazu spare
ich mir aber hier.
> Die Stromquelle ist also lediglich eine Rechenbedingung,> die die anderen Parameter so setzt, dass an dieser> Stelle ein Strom bestimmter Stärke in die vorgegebene> Richtung fließt?
Ja, klar... genauso ist ja die ideale Stromquelle in der
Theorie der Zweipol-Netzwerke definiert...
Abgesehen davon: Hat jemand schon mal eine reale Schaltung/ein reales
Bauteil gesehen, das bei einer Potentialdifferenz von ∆U=0V einen Strom
von 1mA bewirken könnte? Die Aufgabe ist so praxisfremd wie sinnlos! Wie
ein Leben ohne Mops (Loriot)!
Josef L. schrieb:> reales Bauteil, das bei Potentialdifferenz ∆U=0V> einen Strom von 1mA bewirken könnte
Wird in REALEN Schaltungen aber auch nicht zwingend benötigt.
Alfred B. schrieb:> REALEN Schaltungen
Warum sind dann Übungsaufgaben derart praxisfremd dass man erst 50 Jahre
nach dem Studium auf eine Lösung kommt ohne ein Forum konsultieren zu
müssen?
Josef L. schrieb:> Abgesehen davon: Hat jemand schon mal eine reale Schaltung/ein> reales Bauteil gesehen, das bei einer Potentialdifferenz von> ∆U=0V einen Strom von 1mA bewirken könnte? Die Aufgabe ist so> praxisfremd wie sinnlos! Wie ein Leben ohne Mops (Loriot)!
Genausogut könntest Du fragen, ob Dir jemand einen schwarzen
Schimmel zeigen kann.
Soll heißen: Auf eine in sich widersprüchliche Suggestivfrage
kann kein Mensch der Welt eine sinnvolle Antwort geben.
Ansonsten: In supraleitenden Magneten fließen DEUTLICH höhere
Ströme als 1mA ohne jeden Spannungsabfall -- aber der Strom
wird nicht durch eine "Potenzialdifferenz" von 0V VERURSACHT.
Jeder Netztransformator beweist, dass nicht nur Potenzial-
differenzen einen Stromfluss hervorrufen können -- veränderliche
Magnetfelder eignen sich auch.
Grummler schrieb:> veränderliche Magnetfelder
In einer anderen Beitragsfolge geht's u.a. um Elektretmikrofone - wie
ist das eigentlich: Fließt da Strom? Oder wird durch die Schallwellen
die Membran bewegt, also mechanische Energie hinzugefügt, die das
elektrische Feld zusammendrückt und auseinanderzieht und damit die
Spannung erhöht und dann wieder verringert? Oder bedingt das eine das
andere, also den Stromfluss?
Ich verstehe Spannungsquelle - und daraus resultierenden
(veränderlichen) Stromfluss durch die angeschlossene Schaltung. Aber
Stromquelle? Bewegliche Ladungen, die sich das elektrische Feld bzw. die
Potentialdifferenz erst suchen müssen?
Josef L. schrieb:> Alfred B. schrieb:>> REALEN Schaltungen>> Warum sind dann Übungsaufgaben derart praxisfremd
???
Übungsaufgaben, die ideale Stromquellen enthalten, entstammen
in der Regel dem Dunstkreis der Theorie elektrischer Netz-
werke. Das wird normalerweise unter der großen Überschrift
"Grundlagen der Elektrotechnik" abgehandelt.
Was erwartest Du denn da als Übungsaufgaben? Einen Kerzen-
halter drechseln? Ein Omlette braten?
> dass man erst 50 Jahre nach dem Studium auf eine Lösung> kommt ohne ein Forum konsultieren zu müssen?
Es gibt ziemlich viele schlechte Lehrbücher.
Es gibt immer wieder schlechte Lehrer und Dozenten.
Es gibt zu viele äußere Umstände, die Bulimielernen
fördern und tiefes Verständnis behindern.
Such Dir etwas aus...
Josef L. schrieb:> Grummler schrieb:>> veränderliche Magnetfelder>> In einer anderen Beitragsfolge geht's u.a. um> Elektretmikrofone - wie ist das eigentlich: Fließt> da Strom?
Es ist zwar eine etwas gewagte Modulation, von veränderlichen
Magnetfeldern auf Elektretmikrofone zu kommen, aber gut :)
WO soll der Strom fließen? Im Mikrofon?
> Oder wird durch die Schallwellen die Membran bewegt, also> mechanische Energie hinzugefügt,
Das auf jeden Fall, ja.
> die das elektrische Feld zusammendrückt und auseinanderzieht> und damit die Spannung erhöht und dann wieder verringert?
Ja, richtig.
Elektrete sind meines Wissens polarisierte Kunststoffe, bei
denen die elektrischen Dipole in einer bestimmten Orientierung
"eingefroren" wurden.
> Oder bedingt das eine das andere, also den Stromfluss?
Jein -- das ist Stromfluss: "Elektrischer Strom ist die
gerichtete Bewegung von Ladungsträgern."
Wenn die eine Seite der Folie positiv und die andere
negativ geladen ist, und man drückt die Folie zusammen,
dann bewegen sich die Ladungsträger aufeinaner zu. Es
findet eine "gerichtete Bewegung von Ladungsträgern" statt,
also fließt für einen kurzen Moment elektrischer Strom.
Du könntest jetzt argumentieren, dass ein Dachziegel, der
vom Dach fällt, dann auch einen elektrischen Stromfluss
repräsentiert -- schließlich bestehen alle Atome dieses
Dachziegels aus positiv geladenen Protonen und negativ
geladenen Elektronen, und eine gerichtete Bewegung dieser
Ladungsträger hat ja zweifellos stattgefunden.
Mikroskopisch betrachtet stimmt das auch.
Auf der makroskopischen Ebene hatte dieser Dachziegel aber
keinen (nennenswerte) Netto-Ladung, weil die Atome in sehr
guter Näherung genausoviele Elektronen wie Protonen ent-
halten. Deswegen gibt es auch praktisch keinen relevanten
Stromfluss, weil sich die beiden Teilströme genau aufheben.
> Ich verstehe Spannungsquelle - und daraus resultierenden> (veränderlichen) Stromfluss durch die angeschlossene> Schaltung.
Das entspricht in der Mechanik der potenziellen Energie.
Was aber ist mit der kinetischen Energie?
> Aber Stromquelle? Bewegliche Ladungen, die sich das> elektrische Feld bzw. die Potentialdifferenz erst> suchen müssen?
Nein: Bewegliche Ladungen, die durch eine unbekannte
oder irrelevante Ursache bereits in gerichtete Bewegung
versetzt wurden.
Einfachstes Beispiel: Elektronenkanone.
Beheizte Kathode emittiert Elektronen; Anode liefert Feld
zur Beschleunigung. Fieserweise ist in der Anode ein Loch --
die meisten Elekronen fliegen durch das Loch, also an der
Anode vorbei.
Und nun?
Kinetische Energie ist im Überfluss vorhanden. Was machen
die Elektronen -- außer, immer weiter geradeaus zu fliegen?
Jonaaaas schrieb:> Hi zusammen,>> und zwar arbeite ich mich gerade in das Thema Operationsverstärker ein> (ich habe leider noch nicht so den Durchblick).>
Nur zur Erinnerung: Der TO ist dabei, sich in das Thema "OPV"
einzuarbeiten (und hat dabei - meiner Meinung nach - mit den gezeigten
Schaltungen und der angedeuteten Vorgehensweise den völlig falschen
Ansatz als Neuling).
Bisher hat Robert M. als einziger auf die Frage geantwortet.
Alle anderen haben nur ihr Ego gestreichelt, ohne jeden Bezug auf die
Frage. Daher hat sich Jonaaaas auch nicht mehr gemeldet, völlig zu
Recht.
Daß ihm die Grundlagen des OPVs bekannt sein müßten, geht doch aus der
Frage hervor.
Und daß an den Stromquellen rumgemeckert wird, ist auch unverständlich.
Es gibt massig Schaltungen zu Aufbau einer Stromquelle und auch ICs,
z.B. LT3092. Man kann also diese OPV-Schaltungen auch real aufbauen.
Wie man ein Gleichungssystem bestimmt, ist doch egal, ob über Spannung
oder Strom.
Die Versorgung des OPV ist für die Berechnung auch völlig nebensächlich.
Peter D. schrieb:> Daß ihm die Grundlagen des OPVs bekannt sein müßten, geht doch aus der> Frage hervor.
Ich zitiere: "....und zwar arbeite ich mich gerade in das Thema
Operationsverstärker ein
(ich habe leider noch nicht so den Durchblick)...."
> Die Versorgung des OPV ist für die Berechnung auch völlig nebensächlich.
Ja, das sehe ich auch so, sofern man sich zunächst in Prinzip und
Arbeitsweise einarbeiten will. Man nimmt eben (wenn nichts anderes
gesagt ist) eine sinnvolle symmetrische Versorgung an.
Ausgangspunkt der Schaltungsberechnung ist dann der Ansatz
"Diff-spannung=0" (bzw. virtueller Nullpunkt). Und genau an dieser
Stelle muss man m.E. mit der Erklärung ansetzen, weil hier das Prinzip
der (Notwendigkeit einer) Gegenkopplung ins Spiel kommt.
(Die ganzen "Stromfluss-Überlegungen" helfen dem TO m.E. überhaupt nicht
weiter).
Lutz V. schrieb:> und hat dabei - meiner Meinung nach - mit den gezeigten> Schaltungen und der angedeuteten Vorgehensweise den völlig falschen> Ansatz als Neuling
Das sehe ich genauso. Eine solche Schaltung wird man im praktischen
Leben nie aufbauen müssen. Als Übungsaufgabe ist in Bezug auf den OPV
lediglich zu wissen, dass die Eingänge auf gleichem Potential liegen,
ansonsten hat er keine Funktion, der Rest ist Knoten/Maschenregel. Über
OPV und deren Verwendung lernt man nichts.
Peter D. schrieb:> Bisher hat Robert M. als einziger auf die Frage geantwortet.> Alle anderen haben nur ihr Ego gestreichelt, ohne jeden> Bezug auf die Frage.
Ahh. Vielen herzlichen Dank für das unaufgeforderte Verteilen
schlechter Zensuren, Herr Oberlehrer.
> Daß ihm die Grundlagen des OPVs bekannt sein müßten, geht> doch aus der Frage hervor.
Na klar.
Die Floskel "habe leider noch nicht so den Durchblick" aus
dem Ursprungsbeitrag zeigt unmissverständlich an, dass er
die Grundlagen verstanden hat.
Alles klar. Viel Spaß weiterhin.
Lutz V. schrieb:> Peter D. schrieb:>>> Die Versorgung des OPV ist für die Berechnung auch>> völlig nebensächlich.>> Ja, das sehe ich auch so,
Das ist natürlich Unsinn -- denn nur durch die (nicht
gezeichnete) Versorgung bekommt der Ausgang des OPV
seinen Massebezug, der es seinerseits möglich macht,
den OPV-Ausgang als einseitig geerdete gesteuerte
Spannungsquelle aufzufassen.
Ist aber auch wurscht. Ich weiss fast alles, und ihr
wisst alles besser. So ist allen geholfen...
Josef L. schrieb:> Eine solche Schaltung wird man im praktischen> Leben nie aufbauen müssen.
Falls du damit die üblichen OPV-Grundschaltungen meinst: Doch, das kommt
gelegentlich mal vor daß man das auch praktisch braucht und dann
tatsächlich diskret aufbaut (und nicht nur wegen Teileknappheit).
Wühlhase schrieb:> Falls du damit die üblichen OPV-Grundschaltungen meinst
Nein, ich meine die Schaltungen aus der Eingangsfrage, die mit der
Stromquelle!
