Frequenz für Komparatorschaltung mit einem TL081

[Luca (luca_b97)]

Guten Tag,
ich bin dabei ein Laborversuch für die Hochschule durchzuführen.
Dabei soll ich für die Komparatorschaltung die Frequenz bestimmen, mit 
der die Diode blinkt.
Ich habe die Schaltung wie in der Abbildung aufgebaut und mit einem 
Oszilloskop die Kondensatorkurve, sowie die Spannung am Eingang IN+ des 
TL081 gemessen.

Dabei sind UB+= 10V und UB-= -10V.
Der Wert am Poti (Rpot=10 KΩ) war auf R2 = 3,76 kΩ gestellt.
Das Oszilloskop hat mir für UCmax= 6,8V und für UCmin= -4,8V ausgegeben.

Dann habe ich versucht eine Formel aufzustellen, mit der ich die 
Frequenz, bzw die Zeit zum Laden und Entladen des Kondensators, erstmal 
für diese eine Messung, ausrechnen kann.
Dabei habe ich versucht für die Ladezeit 84ms und die Entladezeit 82 ms 
zu errechnen,um dann für das Beispiel f=6,1 Hz raus zu bekommen.

Da ich ja aber mal die Uout= +10V am Ausgang des TL081 anliegen habe und 
mal die Uout= -10V, und damit auch an C eine negative Spannung anliegt, 
finde ich keine passende Berechnung mit bekannten Formeln.

Aber Allgemein suche ich dann eine Formel um die Frequenz in 
Abhängigkeit von Poti zu errechnen.

Falls jemand von euch helfen kann würde ich mich sehr freuen.
Danke und viele Grüße,
Luca

[m.n. (Gast)]

Luca schrieb:
> Aber Allgemein suche ich dann eine Formel um die Frequenz in
> Abhängigkeit von Poti zu errechnen.

Das schaffst Du sicher selbst, solltest aber Folgendes dabei beachten, 
damit Berechnung und praktische Anwendung möglichst gut übereinstimmen:
Der TL081 liefert an seinem Ausgang keine definierten Pegel, wie Du 
selber schon gemessen hast. Geschickter wäre es, die Ausgangsspannung 
auf konstante, definierte Werte zu begrenzen. Zwei Zenerdioden + 
Vorwiderstand dazu mit beispielsweise 2,7V würden reichen. Einflüsse wie 
äußere Belastung des Ausgangs, Veränderungen von Temperatur und 
Versorgungsspannungen führen dann nicht mehr zu "unberechenbaren" 
Frequenzänderungen.

Als Alternative wäre auch ein OPV denkbar, der volle Versorgungsspannung 
(+/- 50 mV) an seinem Ausgang liefern und an seinen Eingängen vertragen 
kann (Gleichtakteingangsspannungsbereich beachten).

[H. H. (Gast)]

TL081 ist als Komparator schlecht geeignet.

[Peter D. (peda)]

Wenn der Kondensator ein X7R ist, dann kannst Du die Berechnung eh in 
die Tonne kloppen. Der Kondensator ist stark spannungs- und 
temperaturabhängig.

[Luca (luca_b97)]

m.n. schrieb:

> Als Alternative wäre auch ein OPV denkbar, der volle Versorgungsspannung
> (+/- 50 mV) an seinem Ausgang liefern und an seinen Eingängen vertragen
> kann (Gleichtakteingangsspannungsbereich beachten).

Der TL081 gibt mir doch immer zwischen -10V und 10V aus, je nachdem wie 
die Eingänge beschaltet sind. Nur dadurch, dass am Kondensator z.B. nach 
einer Zeit 6,8 V anliegen und das Poti so eingestellt ist, dass an IN+ 
auch 6,8 V anliegen, schaltet der TL081 seinen Ausgang ja auf -10 V, 
wenn der Kondensator die Spannung an IN+ überschritten hat.
Also die Ausgangsspannung hat ja eigentlich immer feste Werte, je nach 
Zeitpunkt mal -10V und mal +10V.

Was mir allgemein nicht verständlich ist, ist wie ich eine Ladezeit für 
einen Kondensator berechnen kann, wenn vorher eine negative Spannung 
UC(t=0) anliegt und ich am Ende eine positive anliegen habe. Als 
Beispiel wenn der Kondensator -5V bei t=0 anliegen hat, dann der Ausgang 
des TL081 auf 10V schaltet und der Kondensator sich auf 5V auflädt. 
Diese Berechnung der Zeit ist mir unverständlich. Wenn ich von 0V starte 
ist die Ladezeit ja ganz gut zu berechnen. Aber das fällt mir schwer.

Aber erstmal danke für Ihre schnelle Antwort!
VG Luca

[Falk B. (falk)]

H. H. schrieb:
> TL081 ist als Komparator schlecht geeignet.

Für einen pissigen LED-Blinker reicht er allemal.

[Falk B. (falk)]

Peter D. schrieb:
> Wenn der Kondensator ein X7R ist, dann kannst Du die Berechnung eh in
> die Tonne kloppen. Der Kondensator ist stark spannungs- und
> temperaturabhängig.

Schon wieder so ein Unfug! Das stimmt so allgemein keine Sekunde! Gerade 
X7R ist relativ temperaturstabil, wenn gleich nicht sooo toll wie NP0! 
Und spannungsabhänig ist es per se auch nicht! X7R sagt nur was über den 
Temperaturgang aus, NICHT über die Spannungsabhängigkeit! X7R beschreibt 
eine Klasse von Materialien, kein bestimmtes Material! Die hohe 
Spannungsabhängigkeit haben nur sehr hochkapazitive Kondensatoren mit 
Keramikdielektrikum.

https://de.wikipedia.org/wiki/Keramikkondensator#Klasse-2-Keramikkondensatoren

https://de.wikipedia.org/wiki/Keramikkondensator#Spannungsabh%C3%A4ngigkeit_der_Kapazit%C3%A4t

Und auch diese Diagramme sind recht allgemein, teilweise zu allgemein!

[Harald W. (wilhelms)]

H. H. schrieb:

> TL081 ist als Komparator schlecht geeignet.

An den TE: Wegen der sehr niedrigen Frequenzen funktioniert es zwar
noch, aber eine berechenbare Frequenz bekommst Du damit nicht. Wenn
man einen Komparator braucht, nimmt man dafür auch ein Komparator-IC!

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Luca schrieb:
> Der TL081 gibt mir doch immer zwischen -10V und 10V aus

Ja.

> Also die Ausgangsspannung hat ja eigentlich immer feste Werte, je nach
> Zeitpunkt mal -10V und mal +10V.

Nein.

Ein TL081 gibt eben nicht +10V aus, wenn er positiv übersteuert wird. 
Und auch nicht -10V, wenn er negativ übersteuert wird (bei Versorgung 
mit ±10V). Genau das ist der Punkt.

Laut Datenblatt (Maximum Peak Output Voltage Swing) bleibt er dabei 
typisch 1.5V von den jeweiligen Versorgungsspannungen (rails) weg. Bei 
Belastung des Ausgangs mit einem Widerstand bis minimal 10kΩ. Bis 2kΩ 
sind es sogar 3V (er käme also auf ±7V). Darunter ist es gar nicht 
spezifiziert.

Das ist der Unterschied zwischen einem realen und einem idealen OPV.

Es gibt OPV, die in dieser Beziehung näher am Ideal liegen. Die nennt 
man dann "rail to rail output" OPV. Da sind es dann nur noch einige 10mV 
Abstand zu den rails. Die haben dann dafür woanders Schwächen.

[Falk B. (falk)]

Luca schrieb:
>> Als Alternative wäre auch ein OPV denkbar, der volle Versorgungsspannung
>> (+/- 50 mV) an seinem Ausgang liefern und an seinen Eingängen vertragen
>> kann (Gleichtakteingangsspannungsbereich beachten).
>
> Der TL081 gibt mir doch immer zwischen -10V und 10V aus, je nachdem wie
> die Eingänge beschaltet sind. Nur dadurch, dass am Kondensator z.B. nach
> einer Zeit 6,8 V anliegen und das Poti so eingestellt ist, dass an IN+
> auch 6,8 V anliegen, schaltet der TL081 seinen Ausgang ja auf -10 V,
> wenn der Kondensator die Spannung an IN+ überschritten hat.
> Also die Ausgangsspannung hat ja eigentlich immer feste Werte, je nach
> Zeitpunkt mal -10V und mal +10V.

Nein. Der TL081 hat keinen Rail to Rail Ausgang, sprich, bei +/-10V 
Versorgung kommt am Ausgang NICHT +/-10V raus. 6,8V klingt aber auch 
irgendwie zu wenig, ich hätte eher auf 8-9V getippt. Die -4,8V sind das 
Ergebnis deiner eher schlechten Schaltuung, denn bei negativer 
Ausgangsspannung wird deine LED verpolt und verhält sich dann wie eine 
5V Z-Diode, sie bricht durch.

> Was mir allgemein nicht verständlich ist, ist wie ich eine Ladezeit für
> einen Kondensator berechnen kann, wenn vorher eine negative Spannung
> UC(t=0) anliegt und ich am Ende eine positive anliegen habe.

Über die normale Ladegleichung. Die negative Spannung ist nur ein 
Offset. Entscheidend ist die Differenzspannung am OPV-Ausgang.

Schmitt-Trigger

> Als
> Beispiel wenn der Kondensator -5V bei t=0 anliegen hat, dann der Ausgang
> des TL081 auf 10V schaltet und der Kondensator sich auf 5V auflädt.
> Diese Berechnung der Zeit ist mir unverständlich. Wenn ich von 0V starte
> ist die Ladezeit ja ganz gut zu berechnen. Aber das fällt mir schwer.

Betrachte die -5V als 0V und nimm die Differenzspannung am OPV-Ausgang 
als Zielspannung.

Deine Schaltung ist ein klassischer RC-Oszillator mit 
Schmitt-Trigger, wenn gleich mit einer unsinngen Dimensionierung. 
die 100R in der Rückkopplung sind viel zu klein. Du brauchst keine 
negative Versorgung. Durch den Poti kann man zwar die Schaltschwelle 
verstellen, es ändert sich dadurch aber auch die Hysterese. Alles in 
Allem nicht gescheit.

[Falk B. (falk)]

Harald W. schrieb:
> An den TE: Wegen der sehr niedrigen Frequenzen funktioniert es zwar
> noch, aber eine berechenbare Frequenz bekommst Du damit nicht. Wenn
> man einen Komparator braucht, nimmt man dafür auch ein Komparator-IC!

Erzähl keinen Unsinn, du Papagei! Bei niedrigen Frequenzen von ein paar 
kHz reicht ein OPV aus!

[m.n. (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Erzähl keinen Unsinn, du Papagei! Bei niedrigen Frequenzen von ein paar
> kHz reicht ein OPV aus!

Dicke Backe und null Ahnung. Umschaltzeiten im µs-Bereich gehen durchaus 
in die Frequenzberechnung mit ein.
Troll Dich Du Psycho!

[Falk B. (falk)]

Siehe Anhang.

[Georg M. (g_m)]

Luca schrieb:
> Da ich ja aber mal die Uout= +10V am Ausgang des TL081 anliegen habe und
> mal die Uout= -10V, und damit auch an C eine negative Spannung anliegt,
> finde ich keine passende Berechnung mit bekannten Formeln.

Bekannte Formeln:

https://de.wikipedia.org/wiki/Kondensator_(Elektrotechnik)#Lade-_und_Entladevorgang


Und ja, das Vorzeichen muss man berücksichtigen, was die Sache etwas 
komplizierter macht.

[Luca (luca_b97)]

Falk B. schrieb:

> Betrachte die -5V als 0V und nimm die Differenzspannung am OPV-Ausgang
> als Zielspannung.

Vielen Dank, habe jetzt erstmal durch verschieben um 4,8 V nach oben die 
Ladekurve bestimmt, wie lange er von 0V auf 4,8 V benötigt. Die Zeit von 
22ms stimmt mit der gemessenen überein. Dann habe ich noch die Zeit von 
0V auf 6,8V ohne verschieben berechnet, und erhalte 64 ms, die Zusammen 
ergeben nahezu meine gesuchten 84 ms.
Beim verschieben für die Entladekurve komme ich allerdings nur auf 66ms. 
Da werde ich nochmal ein bisschen was probieren müssen.

Aber danke für die Info. Hat mir schon mal geholfen.
VG Luca

[Luca (luca_b97)]

m.n. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Erzähl keinen Unsinn, du Papagei! Bei niedrigen Frequenzen von ein paar
>> kHz reicht ein OPV aus!
>
> Dicke Backe und null Ahnung. Umschaltzeiten im µs-Bereich gehen durchaus
> in die Frequenzberechnung mit ein.
> Troll Dich Du Psycho!

Bitte respektvoll bleiben ihr beiden :)

[Luca (luca_b97)]

Falk B. schrieb:
> Siehe Anhang.

Danke für die Mühe, ich muss jetzt leider erstmal weg und schaue es mir 
Sonntag genauer an.

[Peter D. (peda)]

Luca schrieb:
> Dabei sind UB+= 10V und UB-= -10V.
> Der Wert am Poti (Rpot=10 KΩ) war auf R2 = 3,76 kΩ gestellt.
> Das Oszilloskop hat mir für UCmax= 6,8V und für UCmin= -4,8V ausgegeben.

Da stimmt was nicht.
Bei R2 = 3,76 kΩ und UCmax= 6,8V müßten am OPV-Ausgang 11V anliegen.