../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir verwenden einen Operationsverstärker, um zwei Spannungen miteinander zu vergleichen.


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Spannungen vergleichen

In der einfachen elektronischen Sicherungen haben wir im Prinzip untersucht, ob eine Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Wenn der Strom in dem Messwiderstand eine Spannung erzeugte, die die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors überschritt, löste dieser die elektronische Sicherung aus.

Wir waren damit auf eine bestimmte Spannung, die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors, festgelegt. Natürlich benötigen wir Schaltungen, mit denen wir etwas freier die Höhe einer Spannung untersuchen können.

Die folgende Schaltung verwendet einen Operationsverstärker, um zwei Spannungen zu vergleichen.

Spannungen-vergleichen.png
Bild 1: Ein Operationsverstärker vergleicht zwei Spannungen

Die Widerstände R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler, der

U- = 5V * R2 / ( R1 + R2 )
U- = 5V * 2,2kΩ / ( 10kΩ + 2,2kΩ )
U- = 5V * 2,2kΩ / 12,2kΩ
U- = 0,9V

erzeugt.

Mit dem Potentiometer können wir die Spannung am + Eingang des Operationsverstärkers zwischen 0V und 5V variieren.

  • Ist die Spannung am Potentiometer hoch (5V), leuchtet die LED.
  • Bei einer bestimmten Stellung des Potentiometers, erlischt die LED.
  • Bei einer noch geringeren Spannung (bis 0V) am Potentiometer, bleibt die LED aus.
  • Die Spannung, bei der die LED umschaltet ist 0,9V.

Vergleichsspannung

Die Spannung, bei der Operationsverstärker umschaltet, entspricht offensichtlich der Spannung an seinem - Eingang. Sie wird durch den Spannungsteiler eingestellt.

Variieren wir diese Spannung. Wenn wir R2=4,7kΩ setzen, wird die Spannung U-=1,6V.

Der Operationsverstärker schaltet jetzt, wie erwartet, bei 1,6V am + Eingang um.

  • Wir können die Vergleichsspannung über einen Spannungsteiler aus einer bekannten Spannung einstellen und sie an den - Eingang des Operationsverstärkers legen.
  • In unserer Schaltung vergleicht der Operationsverstärker, ob die Spannung am + Eingang höher oder geringer ist.
  • Wenn die Spannung + Eingang höher als am - Eingang ist, erzeugt der Operationsverstärker am Ausgang eine hohe Spannung.
  • Die Schaltung gibt ein digitales Signal ab, ob die verglichene Spannung höher als die Vergleichsspannung ist.
  • Sie wird als Komparator bezeichnet.

Invertierender Vergleich

Vertauschen wir die beiden Eingänge des Operationsverstärkers. Am + Eingang liegt Vergleichsspannung, am - Eingang die zu vergleichende Spannung am Potentiometer.

Spannungen-vergleichen_invertierend.png
Bild 2: Ein Operationsverstärker vergleicht zwei Spannungen
  • Wenn die Spannung - Eingang geringer als am + Eingang mit der Vergleichsspannung ist, erzeugt der Operationsverstärker am Ausgang eine hohe Spannung.
  • Die Schaltung erzeugt eine invertierte Spannung am Ausgang.
  • Die Schaltung gibt ein digitales Signal ab, ob die verglichene Spannung nicht höher als die Vergleichsspannung ist.
  • Die Schaltung von Bild 2 verhält sich logisch invertiert zu der von Bild 1.
  • Bild 2 ist ein invertierender Komparator.
  • Die Eingangsspannung liegt am - Eingang.
  • Bild 1 ein nicht invertierender Komparator.
  • Die Eingangsspannung liegt am + Eingang.

Wir messen genauer

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LM358

Die Messungen beziehen sich auf einen Operationsverstärker vom Typ LM358.

Andere Typen können andere Ergebnisse liefern.

Die Ausgangsspannung

  • Wir stellen das Potentiometer so ein, dass die LED erlischt
  • und messen die Ausgangsspannung:
  • Die Ausgangsspannung ist 0V, wenn keine Last an den Ausgang angeschlossen ist.
  • Die Ausgangsspannung ist 0,8V, wenn die LED an +5V angeschlossen wird.
  • Die Ausgangsspannung ist 0,7V, wenn 10kΩ zwischen dem Ausgang und +5V liegen.
  • Die Ausgangsspannung ist 0,15V, wenn 100kΩ zwischen dem Ausgang und +5V liegen.
  • Wir stellen das Potentiometer so ein, dass die LED leuchtet
  • und messen die Ausgangsspannung:
  • Die Ausgangsspannung ist 3,6V (3V bis 4V).
  • Wir messen die Ausgangsspannung, wenn die LED entfernt wurde:
  • Die Ausgangsspannung ist 3,8V (3V bis 4V).
  • Die positive Ausgangsspannung erreicht maximal 3,8V.
  • Bei Belastung liegt die Ausgangsspannung nicht bei 3,8V, sondern ist geringer.
  • Die negative Ausgangsspannung erreicht minimal 0V.
  • Bei Belastung liegt die Ausgangsspannung nicht bei 0V, sondern etwas höher, z.B. 0,7V.
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+ - Eingänge

  • Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers ist positiv, wenn die Spannung am + Eingang höher als am - Eingang ist.

Regeln Komparator

  • Ein Operationsverstärker kann Spannungen vergleichen, als Komparator arbeiten.
  • Ein Komparator liefert als Ergebnis ein digitales Signal.
  • Die Vergleichsspannung wird an einen Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen,
  • die zu vergleichende Spannung an den anderen.
  • Die Vergleichsspannung wird als Referenzspannung bezeichnet.
  • Der andere Eingang des Operationsverstärkers ist der (Gesamt-)Eingang der Komparatorschaltung.
  • Wird die Eingangsspannung an + Eingang angeschlossen,
  • ist der Ausgang High logisch 1, wenn die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung ist.
  • Dieser Komparator wird als nicht invertierend bezeichnet.
  • Wird die Eingangsspannung an - Eingang angeschlossen,
  • ist der Ausgang Low logisch 0, wenn die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung ist.
  • Dieser Komparator wird als invertierend bezeichnet.
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1-Bit-A-D-Wandler

  • Im Prinzip ist ein Komparator ein Analog-Digital-Wandler,
  • allerdings nur für 1 Bit.

Regeln LM358

Der LM358

  • enthält zwei Operationsverstärker in einem DIL-8-Gehäuse
  • liefert eine maximale Ausgangsspannung von 3,8V bei einer 5V-Versorgung,
  • eine minimale Ausgangsspannung nahe 0V und
  • bei Belastung mit 10kΩ ist sie minimal 0,7V.
  • Der in jeden der beiden Eingänge fließende Strom ist maximal 250nA
  • Der Strom im Spannungsteiler für die Vergleichsspannung sollte mindestens 25µA sein.
  • Der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers an 5V sollte maximal 200kΩ sein.
  • Eingangsspannung des LM358 sollte bei 5V Versorgungsspannung maximal 4V betragen.
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Wie LM358

Viele ICs mit zwei Operationsverstärkern im DIL-8-Gehäuse haben die gleiche Anschlussbelegung wie der LM358.

Verbesserter Komparator

Ein Komparator kann, wenn die Eingangsspannung fast genau der Referenzspannung entspricht, wechselnde Zustände am Ausgang erzeugen. Dann können sich flatternde Zustände am Ausgang ergeben.

Betrachten wir den nicht invertierenden Komparator von Bild 1:

  • Der Ausgang ist High logisch 1, wenn die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung ist.
  • Der Ausgang ist Low logisch 0, wenn die Eingangsspannung keiner als die Referenzspannung ist.
  • Es genügen bereits winzige Änderungen der Eingangsspannung, um ein Umschalten des Ausgangs zu bewirken.

Würden wir die Referenzspannung UrefH für High logisch 1 am Ausgang höher legen, als die Referenzspannung UrefL für Low logisch 0, könnten wir dieses Flattern des Ausgangs mindern oder verhindern.

Schmitt-Trigger

Am besten ist es, wenn wir einfach

UrefH = Uref + Uh
UrefL = Uref - Uh

setzen. Die Spannung Uh wird Hysteresis genannt.

Wir benötigen eine Schaltung, die die Referenzspannung umschaltet.

  • Ist die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung, wird UrefL = Uref - Uh verwendet.
  • Ist die Eingangsspannung geringer als die Referenzspannung, wird UrefH = Uref + Uh verwendet.

Diese Schaltung ist ziemlich einfach:

Wir verwenden einen invertierenden Komparator und führen einen Widerstand vom Ausgang auf den + Eingang.

Ein solcher Komparator mit Hysteresis wird Schmitt-Trigger genannt.

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Schmitt-Trigger

Seine Wirkung ist in Schmitt-Trigger-Verhalten näher beschrieben.

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Bild 3: Komparator mit Schmitt-Trigger-Verhalten

Die Schaltung in Bild 3 stellt einen invertierenden Komparator dar.

Durch den Widerstand R5 vom Ausgang auf den + Eingang für die Referenzspannung wird eine Mitkopplung bewirkt.

  • Wenn die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung ist, erzeugt der Komparator Low, d,h. 0V.
  • Dann wird der Widerstand R5 parallel zu R2 gelegt und verringert die Referenzspannung auf UrefL = Uref - Uh.
  • Wenn die Eingangsspannung geringer als die Referenzspannung ist, erzeugt der Komparator High, d,h. auf Uv=5V.
  • Dann wird der Widerstand R5 parallel zu R1 gelegt und erhöht die Referenzspannung auf UrefH = Uref + Uh.

Die Hysteresis Uh beträgt mit den Werten in Bild 3 etwa 13mV, die Referenzspannung Uref = Uv / 2 ~ 2,5V.

Durch die Wahl des Widerstands R5 kann die Hysteresis eingestellt werden.

Wir gehen davon aus, dass die Hysteresis Uh sehr klein im Vergleich zur Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers ist. Wir nehmen weiter an, dass die Ausgangsspannung für High der Versorgungsspannung Uv entspricht.

mit R1 ≠ R2
ist Rr = (R1 * R2) / (R1 + R2)
Uh     = Uv * Rr / R5
R5     = Uv * Rr / Uh

mit R1 = R2
Uh     = Uv * ( R1 / 2 ) / R5
R5     = Uv * ( R1 / 2 ) / Uh

mit R1 = R2 = 10kΩ
Uh     = Uv * 5kΩ / R5
R5     = Uv * 5kΩ / Uh
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Hinweis

Im Projekt Durchgangsprüfer für Elektronikschaltungen wird ein Operationsverstärker als Komparator verwendet.