Booster für Operationsverstärker
Bisher haben wir uns mit einfachen Transistorverstärkern befasst.
In diesem Praktikum geht es um eine Anwendung der betrachteten Schaltungen, um die Ausgangsleistung von Operationsverstärkern zu erhöhen.
Wir können einen Transistor als Booster für Operationsverstärker nutzen.
Die meisten Operationsverstärker liefern einen Ausgangsstrom von bis zu 10 mA.
Mit Transistoren können wir höhere Ströme erreichen.
Eine alternative Sicht auf Transistorverstärker
Bisher haben wir Transistorverstärker mehr aus der klassischen Sicht betrachtet.
- Wir haben uns im Wesentlichen mit Transistorverstärkern für Wechselstrom befasst.
- Wir haben untersucht, wie ein stabiler Arbeitspunkt eingestellt wird und
- welche Schaltungsvarianten von Wechselspannungsverstärkern es gibt.
An dieser Stelle betrachten wir Transistorverstärker, wie sie in modernen Schaltungen mit Operationsverstärkern eingesetzt werden.
Diese Sichtweise kann als alternativer Einstieg benutzt werden.
- Wer die ersten Praktika zu Transistorverstärkern durchgearbeitet hat, wird einiges von dem wiederfinden.
Transistor digital betreiben
In Bild 1 wird ein Transistor als Schalter eingesetzt. Er wird über einen Widerstand Rb an der Basis von einem digitalen Gatter angesteuert. Am Kollektor befindet sich eine Last, die durch den Widerstand Rc dargestellt wird.
- Wenn das Gatter eine logische 1 ausgibt, wird über den Widerstand Rb ein Strom in die Basis gegeben. Der Basisstrom erzeugt einen Kollektorstrom, der durch die Last Rc fließt. Als Faustregel haben wir angenommen, dass der Basisstrom ein Zehntel des Kollektorstroms betragen muss, damit der Transistor gut durchschaltet.
- Wenn das Gatter eine logische 0 ausgibt, gibt das Gatter 0 V aus, und der Basisstrom ist ebenso wie der Kollektorstrom 0.
Betrachten wir den Ausgang des Transistors, so hat dieser zwei Zustände: AUS (Uc=Uv, Ic=0) und EIN (Uc=0, Ic=Uv/Rc).
Im Folgenden betrachten wir eine konkrete Schaltung mit einem Kollektorwiderstand von Rc=125 Ω und einem Basiswiderstand von 1,1 kΩ.
Um zu verstehen, wie sich der Transistor als Schalter verhält, ist es notwendig, die Ausgangskennlinien des Transistors zu betrachten. Diese kennen wir aus dem Praktikum Kennlinien von Transistoren.
- Das Diagramm ist den Daten des BC337 entnommen.
Wie wir aus Arbeiten mit Kennlinien wissen, können wir die Widerstandsgerade für den Kollektorwiderstand in das Kennlinienfeld einzeichnen. Wenn der Transistor eingeschaltet ist, ist die Kollektorspannung 0 V und der Strom ist Ic = Uv/Rc = 5 V /125 Ω = 40 mA. Im Zustand AUS haben wir (5 V und 0 mA).
Diese beiden Punkte tragen wir in das Kennlinienfeld ein. Die Verbindung ist die Widerstandsgerade des 125 Ω-Widerstands.
In Bild 3 ist die Widerstandsgerade für 125 Ω eingetragen. Wenn sich der Transistor im Zustand AUS befindet, ist klar, dass der Kollektorstrom 0 und die Kollektorspannung 5 V beträgt. Das ist unten rechts.
Der EIN-Zustand ist oben links bei (0 V, 40 mA). Die 0 V werden nur erreicht, weil der Basisstrom nach der Faustregel Ib=Ic/10=40 mA/10=4 mA ist. Wäre der Basisstrom z. B. nur 150 µA, so würde sich eine Kollektorspannung von 0,4 V und ein Strom von 37 mA einstellen. An dieser Stelle schneidet die Widerstandsgerade die Kennlinie für 150 µA. Auch ein Strom von 1,6 mA=1600 µA würde noch eine geringe Spannung von etwa 50 mV am Kollektor lassen. Mit einem Basisstrom von 4 mA sind es immer noch 45 mV (siehe Daten des BC337).
Wir sollten noch das Verhältnis zwischen Basisstrom und Kollektorspannung betrachten.
Bei einem Basisstrom von 4 mA beträgt die Kollektorspannung 0 V. Bei einem Basisstrom von 0 mA beträgt die Kollektorspannung 5 V. Wir wissen, dass sich der Transistor wie ein Inverter verhält.
Transistor analog betreiben
Wie ein Transistor analog betrieben wird, haben wir bereits gesehen, als wir oben betrachtet haben, was passiert, wenn der Transistor mit einem Basisstrom von 150 µA angesteuert wird. Am Widerstand stellt sich eine Spannung ein, bei der die Kennlinie für 150 µA die Widerstandsgerade schneidet. Wir brauchen nur eine Schaltung, die den Transistor mit einem analogen Basisstrom ansteuert. Diese kennen wir bereits: einen Operationsverstärker.
Liefert der Operationsverstärker eine Spannung, so fließt über den Basiswiderstand ein Basisstrom in den Transistor.
Betrachten wir das Kennlinienfeld, so erkennen wir, dass die Abstände zwischen zwei Kennlinien auf der Widerstandsgeraden immer gleich groß sind. Steigt der Basisstrom um 20 µA, so sinkt die Kollektorspannung um 0,8 V. Erst bei Kollektorspannungen unter 1 V werden die Abstände kleiner. In diesem Bereich sind die Kennlinien stark gekrümmt. Das bedeutet, dass die Kollektorspannung nur im Bereich von 1 V bis 5 V proportional zum Basisstrom gesteuert werden kann.
Wir sollten noch festhalten, dass die Kollektorspannung sinkt, wenn der Basisstrom steigt, beide also invertiert sind.
Booster für Operationsverstärker
Wir können einen Transistor als Booster für Operationsverstärker nutzen.
Die meisten Operationsverstärker liefern einen Ausgangsstrom von bis zu 10 mA.
Mit Transistoren können wir höhere Ströme erreichen.
Transistor mit einem Operationsverstärker ansteuern
In der Schaltung in Bild 4 kann der Transistor mit mehr als den üblichen 10 mA am Ausgang eines Operationsverstärkers betrieben werden. Meist sollen viel höhere Ströme verarbeitet werden. Wir belassen es bei den 40 mA, weil damit die Wirkung des Transistors gut untersucht werden kann, aber noch keine Erhitzung bei hohen Leistungen auftritt.
Wir betrachten die Schaltung in Bild 4 insgesamt als Operationsverstärker. Der Ausgang ist der Kollektor des Transistors. Die Spannung am Kollektor ist gegenüber dem Basisstrom invertiert. Liefert der Operationsverstärker eine höhere Spannung am Ausgang, steigt der Basisstrom, und die Kollektorspannung sinkt.
- Unser gesamter Operationsverstärker invertiert also.
- Wir müssen die Eingänge + und - des gesamten Operationsverstärkers tauschen.
LM358 unbenutzt
Die Eingänge der nicht verwendeten Verstärker im LM358 oder LM324 dürfen nicht offen sein, sondern müssen mit der Versorgungsspannung U+, U- oder Masse verbunden sein.
- Die beste Lösung ist die obige Schaltung.
Der Lastwiderstand RL liegt an 0 V oder an der Versorgungsspannung (RL').
Der Kollektorwiderstand von 125 Ω wurde aus den parallel geschalteten Widerständen von 150 Ω und 750 Ω gebildet.
Der LM358 bestimmt das Verhalten der Eingänge des gesamten Operationsverstärkers. Die Eingangsspannung sollte Uv -2 V = 5 V -2 V = 3 V nicht überschreiten. Aber auch die Ausgangsspannung des LM358 kann nicht 3 V überschreiten. Um am Ausgang eine Spannung von bis zu 5 V zu erhalten, wird über die Widerstände R2 und R3 eine Verstärkung V = 1 + R2 / R3 = 2 eingestellt.
Der Kondensator an der Basis verhindert unerwünschte Schwingungen.
Der Operationsverstärker mit Transistor wurde als nicht invertierender Verstärker mit Verstärkung 2 beschaltet. Die mit dem Potentiometer R1 eingestellte Spannung sollte am Ausgang doppelt so hoch sein.
Die Schaltung lässt sich leicht auf einem Steckboard aufbauen.
Wir untersuchen, welche Spannungen sich am Ausgang einstellen, wenn eine Eingangsspannung über das Potentiometer vorgegeben wird. Interessant sind Eingangsspannungen nahe 0 V und 5 V.
Den Lastwiderstand am Ausgang lassen wir zunächst weg. Später belasten wir den Ausgang mit 470 Ω und 120 Ω.
Der Lastwiderstand kann sowohl nach +5 V als auch nach Masse (0 V) angeschlossen werden. Wir untersuchen die Ausgangsspannung, wenn RL'=100 Ω an Uv=5 V liegt. Dafür werden ein 470 Ω und ein 120 Ω parallel an +5 V gelegt.
| Uein / V | Uaus / V ohne RL |
Uaus / V RL=470 Ω |
Uaus / V RL=120 Ω |
Uaus / V RL'=100 Ω an Uv=5 V |
| 0.05 | 0.10 | |||
| 0.5 | 0.5 | |||
| 1.0 | ||||
| 2.0 | ||||
| 3.0 | ||||
| 4.0 | ||||
| 4.5 | ||||
| 4.9 | ||||
| 5.0 |
Die in Bild 5 dargestellte Schaltung ist sehr empfindlich gegenüber einer Last. Mit einem Lastwiderstand ist die maximale Ausgangsspannung immer kleiner als die Betriebsspannung. Wenn der Lastwiderstand gleich dem Kollektorwiderstand des Transistors ist, kann maximal die halbe Betriebsspannung erreicht werden.
Auf der anderen Seite kann mit einem Lastwiderstand zwischen dem Ausgang und der Versorgungsspannung eine Ausgangsspannung nahe 0 V erreicht werden (0,1 V bei 100 Ω an 5 V).
Mit einem PNP-Transistor kann auf der anderen Seite eine Ausgangsspannung von fast 5 V erreicht werden.
Emitter des Transistors als Ausgang
In den Schaltungen in Bild 5 und Bild 6 wurde der Kollektor des Transistors als Ausgang verwendet.
Eine alternative Schaltung verwendet den Emitter des Transistors als Ausgang.
Der NPN-Transistor kann über den Emitter den Lastwiderstand an Minus RL ansteuern. Allerdings ist die Ausgangsspannung auf Uv-0,7 V begrenzt, weil dann, wenn der Operationsverstärker Uv (5 V) ausgibt, noch die Basis-Emitter-Spannung von 0,7 V abfällt.
Da die Ausgangsspannung des LM358 3 V nicht überschreitet, kann die Ausgangsspannung nicht höher als 3 V-0,7 V=2,3 V werden.
Der PNP-Transistor kann über den Emitter den Lastwiderstand an Uv (5 V) RL' ansteuern. Die Ausgangsspannung ist jedoch auf 0,7 V begrenzt, weil dann, wenn der Operationsverstärker 0 V ausgibt, noch die Basis-Emitter-Spannung von 0,7 V abfällt.
Da die Ausgangsspannung des LM358 3 V nicht überschreitet, kann die Ausgangsspannung nicht höher als 3 V+0,7 V=3,7 V werden.
Kombinierte Ausgänge
Wir versuchen, die Nachteile der oben vorgestellten Schaltungen zu überwinden, indem wir jeweils die NPN- und die PNP-Varianten miteinander verbinden.
Kombinierte Kollektorausgänge
Die Schaltung in Bild 9 kombiniert die Ausgangsstufen aus Bild 5 und Bild 6. Die Kollektorwiderstände sind überflüssig, da sie parallel zu den Transistoren liegen.
Leider ergibt sich ein Problem, wenn eine mittlere Spannung von z. B. 2,5 V erzeugt werden soll. Dann werden beide Transistoren angesteuert und in beiden Transistoren fließt ein hoher Kollektorstrom.
- Diese Schaltungsvariante wird in Rail-to-Rail-Operationsverstärkern verwendet, allerdings mit MOSFETs und einer komplexen Ansteuerung, die die N- und P-MOSFETs getrennt ansteuert.
Kombinierte Emitterausgänge
Meist wird die Schaltungsvariante mit verbundenen Emittern verwendet.
In der Schaltung in Bild 10 ist immer nur ein Transistor leitend:
- Der NPN-Transistor liefert positive Ströme von Uv und
- der PNP-Transistor ist für Ströme gegen Minus zuständig.
Die Spannung am Ausgang ist nicht mehr von der Last abhängig.
Aber:
- 0 V bzw Uv kann am Ausgang nicht erreicht werden.
- Liefert der Operationsverstärker 0 V, so ist eine Basis-Emitter-Spannung von etwa 0,7 V erforderlich, um den PNP-Transistor durchzusteuern. Am Emitter des PNP-Transistors fallen also 0,7 V ab.
- Das Gleiche gilt für den NPN-Transistor und Uv.
- Mit einem LM358 treten Probleme bei Ausgangsspannungen um 3 V auf.
- Bei einer Ausgangsspannung nahe der halben Betriebsspannung Uv ist keiner der beiden Transistoren leitend.
- Normalerweise kann der Operationsverstärker dies kompensieren.
- Es treten aber dennoch leichte Übernahmeverzerrungen auf.