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

Verstärker

Zunächst müssen wir klären, was verstärken bedeutet.

Ein Verstärker verarbeitet ein Eingangssignal, eine Spannung oder/und Strom erzeugt ein Ausgangssignal mit höherer Spannung oder/und Strom.

Meistens soll des Ausgangssignal um einen konstanten Faktor, der Verstärkung höher sein.

Das klingt etwas abgehoben, deshalb betrachten wir einen einfachen Verstärker. Dieser Verstärker hat eine Verstärkung von 1. Die Spannung am Ausgang ist genauso groß, wie die am Eingang.

Verstärkung 1

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Bild 1: Verstärker mit Verstärkung 1

Zunächst fragt man sich, was ein solcher Verstärker soll und was er überhaupt verstärkt.

  • Mit Verstärkung 1 ist gemeint, dass die Ausgangsspannung Ua und die Eingangsspannung Ue gleich sind.
   Ua = 1 * Ue

Das sieht nicht nach einer Verstärkung aus.

  • Der Verstärker verstärkt dennoch. Der Eingangsstrom ist bei dem Verstärker sehr gering. Er kann eine höheren Ausgangsstrom liefern.
  • Es ist allerdings kein Stromverstärker, sondern ein Spannungsverstärker (mit der Verstärkung 1).
  • Der Ausgangsstrom ist nicht X mal größer als der Eingangsstrom, sondern kann beliebig sein und hängt nur vom Lastwiderstand ab.
  • Damit haben wir auch den Sinn dieses Verstärkers:
  • an einer Spannungsquelle, die nur geringe Ströme liefern kann, können wir höhere Lasten betreiben.
  • Am Kopfhörerausgang eines Smartphones können wir über einen Verstärker einen Lautsprecher betreiben.

Tatsächlich wird diese einfache Schaltung häufig angewandt, um empfindliche Signalquellen an Elektronikschaltungen anzuschließen. Dieses ist beispielsweise bei dem in Einfacher Analog-Digital-Wandler vorgestellten LM3914 der Fall.

Verstärker mit LM358

Wir bauen die Schaltung in Bild 1 auf und messen.

  • Am Ausgang liegen um 3V.
  • Eingang (Pin 3) liegen 0,3V.

Das passt ganz und gar nicht zusammen. Wenn am Eingang 0,3V liegen sollten auch am Ausgang 0,3V sein. Wo kommen die 0,3V am Eingang her?

  • Der LM358 ist nicht perfekt.
  • Im Eingang fließt ein Strom von 150nA=0,15µA. Siehe: LM358.

Dieser Eingangsstrom erzeugt in unserem Voltmeter eine Spannung.

Wir können diese Spannung verringern, indem wir einen Widerstand Re vom Eingang nach Masse legen.

Nehmen wir verschieden Widerstände Re und messen:

Re Uein Uaus
10kΩ 0V 0V
100kΩ 2mV 2mV
1MΩ 21mV 23mV

Tabelle 1: Ein- und Ausgangsspannung bei Eingangswiderstand

  • Die Werte in Tabelle 1 werden bei eigenen Messungen abweichen. Die Eigenschaften des LM358 streuen sehr stark.

Bei einem Widerstand von 10kΩ sieht es gut aus.

Aber wir wollen diesen Verstärker einsetzen, um empfindliche Quellen nicht zu belasten. Da sind 10kΩ meistens zu gering.

Die 1MΩ wären besser geeignet, aber wir haben (Fehler-) Spannungen über 20mV. Damit können wir leben, wenn wir Spannungen von 2V messen wollen. Die 20mV sind dann nur 1% der 2V. Bei kleinen Eingangsspannungen um 0.1V oder gar unter 0,1V ist der Fehler zu groß.

  • Das Ergebnis:
    Der LM358 ist für Eingangsspannungen unter 0,1V und 1MΩ Eingangswiderstand nicht geeignet.
  • Die Lösung:
    Der MCP6002P hat einen Eingangsstrom um 20pA=0,002nA.
  • Bei 1MΩ sind sowohl die Eingangs- wie auch die Ausgangsspannung 0V.

Messung der Verstärkung

Um zu prüfen, ob der LM358 tatsächlich am Ausgang die gleiche Spannung wie am Eingang liefert, müssen wir auf den Eingang eine Spannung geben. Das geht am einfachsten mit einem Potentiometer, das zwischen 0V und 5V liegt. Wir nehmen 10kΩ. Mit dem Potentiometer stellen wir eine Spannung ein, die wir messen. Dann messen wir die Ausgangsspannung.

Uein Uaus
0,00V 0,00V
0,52V 0,52V
1,10V 1,10V
1,95V 1,95V
4,1V 3,77V

Tabelle 2: Messung der Ein- und Ausgangsspannung

Die eingestellten Werte müssen nicht genau mit denen in Tabelle 2 übereinstimmen. Die Ausgangsspannung sollte der Eingangsspannung entsprechen.

Bei einer Spannung über 3,5V stimmt diese Beziehung nicht mehr.

  • Der LM358 kann keine höhere Spannung am Ausgang liefern als 3,5V - mit Glück etwas mehr.
  • Auch hier ist der MCP6002P besser. Selbst bei 5V Eingangsspannung liefert er am Ausgang 5V.
  • Wir können den LM358 dennoch gut einsetzen, solange die Ausgangsspannung unter 3,5V bleibt.

Verstärkung über 1

Die Schaltung in Bild 1 kann leicht in einen Verstärker mit einer Verstärkung k über 1 geändert werden.

Verstaerker_N.png
Bild 2: Verstärker mit Verstärkung über 1

Durch die beiden Widerstände kann der Verstärkungsfaktor k des Verstärkers eingestellt werden.

k = Ua / Ue
k = 1 + R2 / R1

Ua = Ue * k
Ua = Ue * ( 1 + R2 / R1 )

Nehmen wir einfach R1 = R1 = 10kΩ. Die Verstärkung ist dann k=2. Wir messen nach.

Ue Ua
0,00V 0,00V
0,25V 0,51V
0,47V 0,94V
1,02V 2,04V
1,63V 3,26V

Tabelle 3: Messung der Ein- und Ausgangsspannung bei k=2

Tabelle 3 zeigt gut, dass die Verstärkung 2 ist. Wir haben keine höhere Ausgangsspannung eingestellt, weil der LM358 sie nicht beherrscht.

Eigene Versuche

  • Eine Verstärkung über 10 einstellen.
  • Genau 10 ist mit gängigen Widerständen nicht leicht einzustellen.
  • Die Ein- und Ausgangsspannung messen
  • Stimmt die Verstärkung?
  • Eine Verstärkung um 100 einstellen.
  • Stimmt die Verstärkung?
Verstaerker_100.png
Bild 3: Aufbau eines nicht invertierenden Verstärkers

Regeln

  • Mit einem Operationsverstärker kann ein Verstärker mit der Verstärkung k=1 realisiert werden.
  • Ein Verstärker mit k=1 dient dazu
  • Ein- und Ausgang zu entkoppeln,
  • einen hohen Eingangswiderstand an einen Verbraucher mit niedrigen anzuschließen.
  • Durch zwei Widerstände kann ein Verstärkungsfaktor über 1 eingestellt werden.
  • Die Ausgangsspannung hat die gleiche Polarität wie die am Eingang.
  • Diese Art von Verstärkern wir nicht invertierender Verstärker genannt.
  • Dieses ist der Fall, wenn die Eingangsspannung an den + Eingang des Operationsverstärkers gelegt wird.
  • Die Verstärkung wird über eine Rückkopplung vom Ausgang auf den - Eingang eingestellt.

LM358

  • Der LM358 ist kein perfekter Operationsverstärker (aber ein guter)
  • Der Eingangsstrom ist 150nA
  • Der Eingangswiderstand sollte nicht über 1MΩ sein.
  • Ist der Bereich der Eingangsspannung unter 0,1V sind maximal 100kΩ möglich.
  • Die Ausgangsspannung ist maximal 3,5V.
  • Eine Verstärkung bis k=100 ist möglich.

Negative Spannungen

Wir haben bisher nur positive Spannungen mit den Verstärkern verarbeitet.

Mit einem Verstärker können auch negative Spannungen verarbeitet werden.

Dafür benötigen wir negative Spannungen und vor allem eine negative Spannungsquelle.

Am einfachsten ist eine negative Spannung mit mit einer zweiten 4,5V-Batterie zu erzeugen.

Im Praktikum Spannungswandler wird das IC ICL7660 vorgestellt, mit dem aus +5V eine Spannung von -5V erzeugt werden kann. Der Spannungswandler liefert genügend Strom für unsere Verstärkerschaltungen und schützt den Operationsverstärker gegen Überlastung, weil er maximal 10mA abgibt. Es bietet sich an, das Minus-5V-Modul aufzubauen.

Verstaerker_-5V.png
Bild 4: Verstärker mit positiver und negativer Stromversorgung

In der Schaltung in Bild 4 wurden die Spannungsquellen als zwei 4,5V-Batterien dargestellt. Am besten wind aber eine 5V-Spannungsquelle mit einer elektronischen Sicherung für +5V eingesetzt und die negative Spannung mit einem Spannungswandler mit ICL7660 erzeugt.

Mit der Schaltung in Bild 4 können auch negative Spannungen verstärkt werden. Dieses können wir leicht überprüfen, indem wir ein Potentiometer zwischen +5V und -5V schalten.

Attention idea

Nachmessen

Wir messen nach ob, der LM358 sich so verhält, wie wir erwarten.

  • Der LM358 zeigt sich bei Ua=-5V von seiner besten Seite.

Im nächsten Praktikum beschäftigen wir uns mit einem invertierenden Verstärker, der eine negative Verstärkung hat.