Invertierender Verstärker
Invertierende und nicht invertierende Verstärker
Es gibt invertierende Verstärker und nicht invertierende Verstärker.
Die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung des Verstärkers werden betrachtet.
- Ein invertierender Verstärker hat eine negative Verstärkung, k<0.
Er liefert bei negativer Eingangsspannung eine positive Ausgangsspannung und natürlich bei positiver Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung.
- Ein nicht invertierender Verstärker hat eine positive Verstärkung, k>0.
Er liefert bei positiver Eingangsspannung eine positive Ausgangsspannung und natürlich bei negativer Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung.
LM358 unbenutzt
Die Eingänge unbenutzter Verstärker im LM358 oder LM324 dürfen nicht mit offenen sein, die Versorgungsspannung U+, U- oder Masse angeschlossen werden.
Invertierender Verstärker
Ein invertierender Verstärker benötigt eine negative Versorgungsspannung, um positive Eingangsspannungen verarbeiten zu können.
Mit den beiden Widerstände R1 und R2 kann der Verstärkungsfaktor k des invertierenden Verstärkers eingestellt werden. Er ist allerdings negativ.
k = Ua / Ue k = - R2 / R1 Ua = Ue * k Ua = - Ue * ( R2 / R1 )
Nehmen wir einfach R1 = R2 = 10kΩ. Die Verstärkung ist dann k=-1. Wir messen an einem LM358 nach:
| Ue | Ua |
| 0,00V | 0,00V |
| 0,25V | -0,25V |
| 0,48V | -0,48V |
| 1,0V | -1,0V |
| 1,5V | -1,5V |
| -1,72V | 1,72V |
Tabelle 1: Messung der Eingangs- und Ausgangsspannung bei k=-1
Eingangswiderstand
Der Eingangswiderstand des nicht invertierenden Verstärkers war sehr hoch. Er entsprach dem Eingangswiderstand des Operationsverstärkers.
Der Eingangswiderstand des invertierenden Verstärkers ist R1.
Negative Spannungen messen
Mit dem invertierenden Verstärker können wir negative Spannungen in positive Spannungen umwandeln: ( k ist negativ ):
Uout = k * Uin
Mit R1 = R2 ist k=-1 und
Uout = -Uin
Wenn nur negative Spannungen vorkommen, liegen am Ausgang nur positive Spannungen. Eine negative Spannungsversorgung wird nicht unbedingt benötigt.
Negative Eingangsspannungen müssen (eigentlich) nicht vom Operationsverstärker verarbeitet werden.
Am - Eingang eines realen Operationsverstärkers treten jedoch sehr kleine negative Spannungen von wenigen mV auf. Der LM358 kann mit Eingangsspannungen arbeiten, die um bis zu 0,3V unter der negativen Versorgungsspannung am Anschluss 4 liegen.
Ströme mit dem Operationsverstärker messen
Was passiert, wenn wir R1=0 setzen?
k = - R2 / R1 k = - R2 / 0
- durch 0 teilen?
Wir können die Verstärkung nicht berechnen.
Betrachten wir die Schaltung einmal anders.
In Bild 3 sind die Ströme im Eingangskreis des invertierenden Verstärkers eingetragen. Es gilt:
I1 = I2 + I-
Bei einem invertierenden Verstärker sollten die Ströme I1 und I2 sehr viel größer sein als der Eingangsstrom des Operationsverstärkers I-, sodass wir I- vernachlässigen können. Wir haben dann:
I1 = I2
Die Ströme durch die Widerstände R1 und R2 sind gleich groß.
- Tatsächlich messen wir mit dem invertierenden Verstärker immer den Eingangsstrom. Der Widerstand R1 wandelt lediglich die Eingangsspannung in einen Strom um:
I1 = Uein / R1
Der Widerstand R2 wandelt diesen Strom wieder in eine Spannung um:
Uaus = I2 * R2 I2 = -I1 Uaus = -I1 * R2
Wir können also den Strom in den Eingang eines invertierenden Verstärkers messen:
Uaus = -I1 * R2
Dazu brauchen wir R1 nicht, wir können R1 = 0 setzen.
Die Schaltung in Bild 1 ist mit R1=0 ein sehr empfindliches Amperemeter. Für eine reale Schaltung sollten wir noch einen Schutz vorsehen.
Die beiden Dioden am Eingang sollen die Schaltung vor zu hohen Strömen schützen. Zur Not brennt die Sicherung durch. Der Widerstand Rs sollte dennoch verwendet werden, um den Operationsverstärker vor fehlerhaften Eingangsspannungen zu schützen.
Es gilt:
Uaus = -I1 * R2
LM358
Beim LM358 darf der Widerstand R1 nicht zu groß sein:
- Beim LM358 sollte R1 nicht größer als 100kΩ sein.
- Bei R1 = 0 sollte R2 nicht größer als 100kΩ sein.
- Mit R1 = 0 und R2 = 100kΩ, können Ströme um 10µA gemessen werden.
- Der LM358 kann mit negativen Eingangsspannungen unter 0,1V betrieben werden.
- Die Spannung am invertierenden Eingang beträgt normalerweise nur wenige mV.
- Wenn der Strom negativ ist, dann ist Uaus positiv.
- Die negative Spannungsquelle kann weggelassen und der Anschluss 4 des LM358 mit 0V verbunden werden.
Invertierend und nicht invertierend
Abschließend stellen wir noch einmal die beiden prinzipiellen Varianten von Verstärkern einander gegenüber.
Invertierend
Beim invertierenden Verstärker liegt die Eingangsspannung am - Eingang des Operationsverstärkers.
Nicht invertierend
Beim nicht invertierenden Verstärker liegt die Eingangsspannung am + Eingang des Operationsverstärkers.