Operationsverstärker

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FORMOPTIMIERUNG in der Fahrzeugentwicklung

LEICHTE und geräuschoptimierte Festsattelbremse

GERÄUSCHWAHRNEHMUNG von Elektroautos

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03

ISSN 0001-2785 10810

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GRENZPOTENZIALE der CO2-Emissionen von Ottomotoren

REIBUNG in hochbelasteten Gleitlagern

RUSS- UND ASCHE VERTEILUNG in Dieselpartikelfiltern

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/// INTERVIEW

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04

Gleitlagern

RUSS- UND ASCHE VERTEILUNG RUSS UND ASCHE VERTEILUNG in Dieselpartikelfiltern

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EFFIZIENZ ELEKTRISCHER SYSTEMESTANDARDS UND MASSNAHMEN

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Februar 2012 | 7. Jahrgang

ENTWURFSASPEKTE für hochintegrierte Steuergeräte

ELEKTROMECHANISCHE LENKUNG für ein Premiumfahrzeug

NEUARTIGE BEFÜLLUNG von Lithium-Ionen-Zellen

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Handbuch VerbrennungsmotorGrundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven

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11 | 2012

Optimale Energiebilanz im Lackierprozess

Neue PrüfmethodikHohe Zuluftqualität durch Partikelanalysen

Hohe Qualität und WirtschaftlichkeitPulverbeschichtung von Fassadenelementen

Schmierfrei fördernKettenförderer in Lackieranlagen

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Joachim Federau

Operationsverstärker

Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandtenGrundschaltungen

7., erweiterte und überarbeitete Auflage

Mit 366 Abbildungen, 8 Tabellen, Beispielen,Übungen und Aufgaben mit Lösungen

Joachim FederauBeckdorf-Nindorf, Deutschland

ISBN 978-3-658-16372-3 ISBN 978-3-658-16373-0 (eBook)DOI 10.1007/978-3-658-16373-0

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillier-te bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Springer Vieweg© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1998, 2001, 2004, 2006, 2010, 2013, 2017Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklichvom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesonderefür Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verar-beitung in elektronischen Systemen.Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigtauch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesemWerk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oderdie Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehleroder Äußerungen.

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

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Vorwort zur siebten Auflage

Die überaus positiven Rezensionen zu diesem Buch haben eine Neuauflage sinnvoll er-scheinen lassen. Die Inhalte sind exemplarisch und deshalb wenig geändert worden. Dieaktuelle technische Gegenwärtigkeit dieses Buches zeigt sich in einer angemessenen Be-schreibung von PC-Schaltungssimulations-Programmen, der Anwendung moderner Rail-to-Rail-OPs, einem Lernprojekt zu einem Li-Ion-Akku-Ladeschaltregler und der Auffüh-rung informativer Internetadressen zum Thema.

Zielgruppen für dieses Buch sind insbesondere Autodidakten, Auszubildende in an-spruchsvollen Industrieelektronikerberufen, Meister, Techniker, Ausbilder und Unterrich-tende. Es ist als Einstieg in das Fachhochschulstudium im Bereich Elektronik ebenfallsgut geeignet. Der Leser soll für die qualitative und quantitative Abschätzung von Elektro-nikschaltungen sensibilisiert werden. Es ist das Ziel des Autors, den Leser in die Lage zuversetzen, Schaltungen auf Funktion, Berechenbarkeit, Änderungen und Verbesserungenbeurteilen zu können.

Die Konzeption des Buches stützt sich auf folgende Punkte

� Die ersten drei Kapitel eröffnen das Grundverständnis für OP-Schaltungen hinsichtlichFunktion und Berechenbarkeit. Die nächsten Kapitel stellen Vertiefungsübungen dar.Sie können in unabhängiger Reihenfolge erarbeitet werden.

� Zu jedem Abschnitt bestehen durchgerechnete Beispiele. Die nachfolgenden Aufga-benstellungen können ohne Hilfestellungen weiterer Personen nachvollzogen werden.Hierzu ist ein ausführlicher Lösungsteil vorgesehen.

� Für Unterrichtende sind die Lerninhalte und Vertiefungsübungen eine sehr gute Anre-gung für die Erstellung eigener neuer Aufgaben.

� Es sind nur Kenntnisse der fundamentalen Elektrotechnik wie Ohm’sches und Kirch-hoff’sches Gesetz, Potenzialbetrachtungen und ähnliche Grundlagen notwendig.

� Durch den Verständniserwerb soll die Entwicklung eigener Schaltungen erleichtertwerden. Schaltungsprinzipien sollen generalisiert werden können.

� Erworbenes Wissen kann durch Netzwerkanalyseprogramme kontrolliert und verifi-ziert werden. Eine Kurzbeschreibung zu einem attraktiven professionellen Analyse-

V

VI Vorwort zur siebten Auflage

programm liegt vor. Dieses Programm der Firma Linear Technology kann kostenlosaus dem Internet bezogen werden.

� Zum Abschluss des Buches wird ein offen gestaltetes Projekt zu einem Ladegerät fürLi-Ion-Akkus angeboten. Das Ladegerät entspricht dem heutigen Funktionsprinzip ei-nes pulsweitenmodulierten Schaltreglers. Die ausführliche Darstellung zur Funktions-weise ermöglicht eine komplette physikalische Durchdringung der Schaltung. Daraufaufbauend sollten Transferleistungen hinsichtlich Schaltungsänderungen, -berechnun-gen und -erweiterungen kein Problem mehr darstellen.

Damit eignet sich dieses Buch für die Begleitung von Lehrveranstaltungen und auch ganzbesonders für das Selbststudium.

Nindorf, im Mai 2017 Joachim Federau

Wasman noch über dieses Buch wissen sollte

Darstellung der SchaltungenDie Schaltungsdarstellungen variieren innerhalb anerkannter Normenmuster.

So werden in Schaltungen für Bauteile folgende Bezeichnungen verwendet:

2k2 oder 2,2k entspricht 2,2 k�

1M2 oder 1,2M entspricht 1,2M�

4R7 oder 4,7R entspricht 4,7� usw.

Gleiches gilt für die Bezeichnung von Kondensatoren.Die Bezeichnung von 2,2 k� oder 10� ist in Schaltungsdarstellungen nicht üblich,

während in Textseiten die Bezeichnung 2k2 für 2,2 k� grundsätzlich vermieden wordenist. Im Text und insbesondere in Berechnungsaufgaben sind die Größen stets einheitenge-recht mitgeführt.

Stumpf aufeinanderstoßende Leitungen sind immer leitende Verbindungen. Ein zusätz-lich eingetragener Knotenpunkt erhöht möglicherweise die Lesbarkeit einer Schaltung. Erist aber nicht notwendig. Kreuzende Leitungen ohne Knotenpunkte sind nie miteinanderverbunden.

VII

VIII Was man noch über dieses Buch wissen sollte

Die Leitungsführung und die entsprechenden Verbindungen

Einige fachdienliche HinweiseDer Autor verwendet für den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers dasWort „+Input“ und für den invertierenden Eingang den Begriff „�Input“.

Grundsätzlich sind alle Spannungen und Ströme mit richtungsorientierten Spannungs-und Strompfeilen versehen. Potenziale besitzen üblicherweise keine Spannungspfeile. Essind Spannungsangaben, die sich auf das Bezugspotenzial von 0V beziehen.

Spannungs- und Strombezeichnungen entsprechen der üblichen Norm. Großbuchsta-ben sind für Gleichspannungs- und Effektivwerte verwendet worden. Sinusgrößen sind inder komplexen Rechnung entsprechend der Norm mit einem Unterstrich versehen. Klein-buchstaben werden für Augenblickswerte verwendet.

Die Bezeichnung Uss bedeutet Spitze-zu-Spitze-Wert einer Spannung.Folgende Schreibweisen werden angewendet: Uss = 5V oder U= 5Vss.Die EinheitenbezeichnungenVss für den Spitze-zu-Spitze-Wert oder Veff für den Effek-

tivwert werden aus Übersichtsgründen ebenfalls benutzt, auch wenn sie nicht unbedingtnormgerecht sind.

Das Multiplikationszeichen wird als „ד und die Parallelschaltung von Widerständenmit „||“ dargestellt. Wert und Einheit einer physikalischen Größe werden nach den Recht-schreibregeln getrennt geschrieben wie z. B. 1,2mA. In komplexeren Formeln wird hieraber auch noch der Übersicht wegen die tradierte zusammengeführte Schreibweise wie1,2mA, 230V, 25mH u. a. verwendet.

Inhaltsverzeichnis

1 Operationsverstärker: Kenndaten und Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Schaltsymbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Kenndaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3.1 Kenndaten des idealen Operationsverstärkers . . . . . . . . . . . . . 21.3.2 Kenndaten typischer Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.4 Funktionsbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.5 Übertragungskennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.6 Schaltsymbol, Aufbau und Kenndaten des 4fach-OPs LM324 . . . . . . . 41.7 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.8 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 OP-Grundschaltungen mit Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1 Der invertierende Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.2 Eigenschaften von beschalteten Operationsverstärkern . . . . . . . 92.1.3 Die Funktionsweise des invertierenden Verstärkers . . . . . . . . . 102.1.4 Beispiele zum invertierenden Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.5 Übung und Vertiefung zum invertierenden Verstärker . . . . . . . . 17

2.2 Die Addierschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 Die Funktionsweise der Addierschaltung . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.3 Beispiele zum Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.4 Übungen und Vertiefung zum invertierenden Verstärker

und Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3 Die Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.2 Die Funktionsweise der Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . 272.3.3 Beispiele zur Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3.4 Übungen und Vertiefung zur Konstantstromquelle . . . . . . . . . . 32

IX

X Inhaltsverzeichnis

2.4 Der Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.2 Die Funktionsweise des Differenzverstärkers . . . . . . . . . . . . . 352.4.3 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.4.4 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.5 Der integrierende Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.5.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.5.2 Grundschaltung des integrierenden Verstärkers . . . . . . . . . . . . 442.5.3 Strom- und Spannungsverläufe am Kondensator . . . . . . . . . . . 452.5.4 Rechteckförmige Spannung am Integrator . . . . . . . . . . . . . . . 462.5.5 Beispiel zum Integrator mit Konstantstromeinspeisung . . . . . . . 482.5.6 Übungen und Vertiefung zum Integrator

mit Konstantstromaufladung des Kondensators . . . . . . . . . . . . 492.5.7 Sinusförmige Spannung am Integrator . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.5.8 Darstellung des Frequenzgangs im Bode-Diagramm . . . . . . . . 532.5.9 Beispiel zum Integrator an Sinusspannung . . . . . . . . . . . . . . 552.5.10 Übungen und Vertiefung zum Integrierer . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.6 Der Differenzierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.6.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.6.2 Die Funktionsweise des Differenzierers . . . . . . . . . . . . . . . . 582.6.3 Dreieckförmige Spannung am Differenzierer . . . . . . . . . . . . . 602.6.4 Sinusförmige Spannung am Differenzierer . . . . . . . . . . . . . . 612.6.5 Beispiel zum Differenzierer an Sinusspannung . . . . . . . . . . . . 622.6.6 Übung und Vertiefung zum Differenzierer . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.7 Der nichtinvertierende Verstärker und der Impedanzwandler . . . . . . . . 652.7.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.7.2 Das Prinzip der Gegenkopplung beim nichtinvertierenden

Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.7.3 Funktionsweise und Berechnungsgrundlagen

zum nichtinvertierenden Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.7.4 Beispiele zum nichtinvertierenden Verstärker . . . . . . . . . . . . . 702.7.5 Übungen und Vertiefung zum nichtinvertierenden Verstärker . . . 74

3 Mitgekoppelte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.1 Komparator ohne Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.1.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.1.2 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.1.3 Beispiel zum Komparator ohne Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . 813.1.4 Übungen und Vertiefung zum Komparator ohne Hysterese . . . . . 81

3.2 Nichtinvertierender Komparator mit Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . 833.2.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.2.2 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Inhaltsverzeichnis XI

3.2.3 Beispiele zum nichtinvertierenden Komparator . . . . . . . . . . . . 873.2.4 Übung und Vertiefung zum nichtinvertierenden Komparator . . . . 90

3.3 Invertierender Komparator mit Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.3.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.3.2 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.3.3 Beispiel zum invertierenden Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . 973.3.4 Übung und Vertiefung zum invertierenden Komparator . . . . . . . 98

4 Vertiefungsübungen zu OP-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014.1 OP-Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4.1.1 Mit- und gegengekoppelte Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . 1014.1.2 Zuordnung der Ausgangsspannung

bei vorgegebenem Eingangssignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1034.2 Messschaltung zur Temperatur- und Helligkeitsanzeige . . . . . . . . . . . 105

4.2.1 Funktionsbeschreibung zur Temperaturmessschaltung . . . . . . . 1054.2.2 Dimensionierungsgesichtspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.2.3 Funktionsbeschreibung zur Helligkeitsmessschaltung . . . . . . . . 1074.2.4 Dimensionierungsgesichtspunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.2.5 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.2.6 Übungen und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.3 TTL-Logik-Tester mit Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.3.1 Signalzustände von Logikgattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.3.2 Hinweise zum TTL-Logik-Tester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.3.3 Funktionsweise des Logiktesters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.3.4 Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.3.5 Umrechnung auf eine andere Betriebsspannung . . . . . . . . . . . 1184.3.6 Der Überspannungsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.3.7 Übungen und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

4.4 Universelle Messschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.4.1 Umwandlung des Logiktesters zur universellen Messschaltung . . 1214.4.2 Übungen und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.5 Analogverstärker-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.5.1 Die Konzeption von Rechenverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.5.2 Der Eingangswiderstand eines Rechenverstärkers . . . . . . . . . . 1244.5.3 Die Beeinflussung des Ausgangssignales durch eine Last . . . . . 1264.5.4 Beispiele zu Rechenverstärkerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . 1294.5.5 Übungen und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

4.6 Digital-Analog-Umsetzer und Analog-Digital-Umsetzer . . . . . . . . . . 1424.6.1 DA-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1424.6.2 Beispiel zum DA-Summierverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1454.6.3 Übung und Vertiefung zum Summierverstärker als DA-Wandler . 1464.6.4 DA-Wandler-Prinzip mit R-2R-Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . 148

XII Inhaltsverzeichnis

4.6.5 Beispiel zum R-2R-Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1494.6.6 Übungen und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.6.7 AD-Prinzip im Flash-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514.6.8 Beispiel zum Flash-AD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1544.6.9 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

4.7 Funktionsgeneratoren mit Anwendungsbeispielen . . . . . . . . . . . . . . 1554.7.1 Rechteck-Dreieck-Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1554.7.2 Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1604.7.3 Leistungs-PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1654.7.4 PWM mit standardisiertem astabilen Multivibrator . . . . . . . . . 170

4.8 Triggerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1824.8.1 Netzsynchroner Sägezahngenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1824.8.2 Komparator-Schaltung: Einstellbarer Trigger . . . . . . . . . . . . . 189

5 OP-Anwendungen in Stromversorgungsgeräten . . . . . . . . . . . . . . . . . 1915.1 Konventionelle Netzgeräte mit Serienstabilisierung . . . . . . . . . . . . . 191

5.1.1 Die Funktionsweise der Serienstabilisierungnach regelungstechnischen Gesichtspunkten . . . . . . . . . . . . . 191

5.1.2 Aufbau und Wirkungsweise eines serienstabilisierten Netzgerätes 1925.1.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1935.1.4 Vor- und Nachteile der analogen Serienstabilisierung . . . . . . . . 1945.1.5 Beispiel zu einem Stromversorgungsgerät mit Serienstabilisierung 1945.1.6 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

5.2 Stromversorgungsgerät mit symmetrisch-bipolarer Ausgangsspannung . 1975.2.1 Funktionsweise und Dimensionierungsgesichtspunkte . . . . . . . 1975.2.2 Übung und Vertiefung zum Netzteil

mit bipolarer Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2015.3 Standard-Stromversorgungsgeräte mit Operationsverstärkern . . . . . . . 202

5.3.1 Aufbau der Standard-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2025.3.2 Die dynamischen Eigenschaften des Standard-Netzteiles . . . . . . 2045.3.3 Übungen und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

5.4 Sekundär getaktete Netzgeräte mit freilaufender Schaltfrequenz . . . . . . 2175.4.1 Die Funktionsweise sekundär getakteter Netzgeräte mit freilau-

fender Taktfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2175.4.2 Funktionsweise und Realisierung eines Sekundär-Schaltnetzteiles

mit freilaufender Schaltfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2195.4.3 Übung und Vertiefung zum freilaufenden Schaltnetzteil . . . . . . 224

5.5 Sekundär-Schaltnetzteil mit fester Schaltfrequenz . . . . . . . . . . . . . . 2255.5.1 Sekundär getaktetes Stromversorgungsgerät

mit fester Schaltfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2255.5.2 Der Schaltregler L4960 und seine Beschaltung . . . . . . . . . . . . 2265.5.3 Beispiele zum Sekundär-Schaltregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

Inhaltsverzeichnis XIII

5.5.4 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2335.6 Primär getaktete Stromversorgungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

5.6.1 Die Funktionsweise eines primär geschaltetenStromversorgungsgerätes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

5.6.2 Beispiel zum primär getakteten Schaltnetzteil . . . . . . . . . . . . 2355.6.3 Übung und Vertiefung zu primär getakteten Netzteilen . . . . . . . 239

6 Übertragungsverfahren nach dem Frequency-Shift-Keying-Prinzip . . . . 2436.1 Allgemeines zum Frequency-Shift-Keying-Verfahren . . . . . . . . . . . . 2436.2 Blockschaltbild und Funktionsprinzip des FSK-Empfängers . . . . . . . . 2446.3 Funktionsbeschreibung zur Frequenzauswerteschaltung . . . . . . . . . . . 244

6.3.1 Operationsverstärker V1 – Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . 2446.3.2 Operationsverstärker V2 und V3 – Aktive Bandfilter . . . . . . . . 2466.3.3 Berechnungsbeispiel für ein aktives Bandfilter . . . . . . . . . . . . 2506.3.4 Die Demodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2536.3.5 Signalaufbereitung des demodulierten Signales . . . . . . . . . . . 255

6.4 Aktive Filter mit Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2596.4.1 Das Tiefpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2606.4.2 Das Bandfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

6.5 Übung und Vertiefung zur Frequenzauswerteschaltung . . . . . . . . . . . 2656.6 Frequenzumtastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2696.7 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2706.8 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

7 Kenndaten und Anwendungshinweise zum realen OP . . . . . . . . . . . . . 2777.1 Kenndaten zum Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

7.1.1 Die wichtigen Kenngrößen des Operationsverstärkers . . . . . . . 2777.1.2 Tabellarische Übersicht über die wichtigen Kenngrößen . . . . . . 2787.1.3 Kenndaten des Operationsverstärkers µA741 . . . . . . . . . . . . . 280

7.2 Verstärkung und Zeitverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2917.2.1 Frequenzgang des Operationsverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . 2917.2.2 Die Slewrate oder Anstiegsflanke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2967.2.3 Beeinflussung des Frequenzgangs

durch Gegenkopplungsbeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2997.2.4 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

7.3 Stabilitätskriterien von beschalteten Operationsverstärkern . . . . . . . . . 3067.3.1 Stabilitätskriterien nach dem Bode-Diagramm . . . . . . . . . . . . 3067.3.2 Stabilitätskriterien zum Phasen- und Amplitudengang . . . . . . . 3097.3.3 Stabilisierungskriterien zum invertierenden Verstärker

und Differenzierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3117.3.4 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

7.4 Eingangsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

XIV Inhaltsverzeichnis

7.4.1 Eingangsgrößen und ihre Offsets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3187.4.2 Übliche Maßnahmen zur Offsetspannungskompensation . . . . . . 3247.4.3 Die Offsetkompensation am integrierenden Verstärker . . . . . . . 324

7.5 Rail-to-Rail-Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3307.5.1 Die Rail-to-Rail-Konzeption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3307.5.2 Ausgangsstufen von Standard-Operationsverstärkern . . . . . . . . 3307.5.3 Ausgangsstufenkonzeption von Rail-to-Rail-

Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3327.5.4 Anwendungsbeispiele zu einem Rail-to-Rail-OP . . . . . . . . . . . 3337.5.5 Übung und Vertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

8 Die Austauschbarkeit von Komparator- und OP-ICs untereinander . . . . 3558.1 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3558.2 Der Standard-Komparator LM339 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3568.3 Standard-Komparatorschaltung mit Komparator-ICs und OP-ICs . . . . . 3578.4 Komparatoren mit Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

8.4.1 Nichtinvertierender Komparator mit Hysterese . . . . . . . . . . . . 3598.4.2 Invertierender Komparator mit Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . 362

8.5 Typische Komparator-Anwendungen mit Komparatoren und OPs . . . . . 3648.5.1 Vorteile des Open-Collector-Ausgangs bei Komparatoren . . . . . 3648.5.2 Signalzustandsanzeigen von Komparatoren-Schaltungen . . . . . . 365

8.6 Komparatoren als analoge Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3688.6.1 Der nichtinvertierende Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3688.6.2 Der invertierende Analogverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

8.7 Grundsätzliches zur Austauschbarkeit von OPs und Komparatoren . . . . 3758.8 Übung und Vertiefung zum Komparator LM339 . . . . . . . . . . . . . . . 377

9 Schaltungssimulation mit dem PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3819.1 Die Vorteile in der Anwendung von Simulationsprogrammen . . . . . . . 3819.2 Der preiswerte Zugang zu Simulationsprogrammen . . . . . . . . . . . . . 3819.3 Kurzbeschreibung zum Programm LTspiceIV/SWCADIII . . . . . . . . . 382

9.3.1 Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3829.3.2 Kurzanleitung zum Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

9.4 Umfangreichere und komplexere Schaltungen in LTspice IV/SWCADIII 3909.4.1 Die Frequenzauswerteschaltung aus Kap. 6 chapter . . . . . . . . 3909.4.2 Grundsätzliches zur Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

9.5 Empfehlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

10 Projektierung eines Lade-Schaltreglers für Li-Ion-Akkus . . . . . . . . . . . 39710.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39710.2 Die Ladetechnik eines Li-Ion-Akkus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39810.3 Das Funktionsschaltbild des Lade-Schaltreglers für Li-Ion-Akkus . . . . 400

Inhaltsverzeichnis XV

10.4 Die Funktionsbeschreibung zum Lade-Schaltregler . . . . . . . . . . . . . . 40210.4.1 Die Referenzspannungsgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40310.4.2 Der Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40610.4.3 Der PWM-Komparator mit Leistungsteil . . . . . . . . . . . . . . . . 40810.4.4 Die Strombegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41910.4.5 Messumformer mit I-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

10.5 Die Funktionsbeschreibung zum Anzeigeteil . . . . . . . . . . . . . . . . . 42210.5.1 Die LED-Kaskade für die Strombereichsanzeige . . . . . . . . . . . 42410.5.2 Temperaturüberwachung und Versorgungsspannungskontrolle . . 428

10.6 Bauteile-Empfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43010.6.1 Operationsverstärker und Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 43010.6.2 Die Bedingungen zur Verwendung eines Tasters im Leistungsteil 431

10.7 Anhänge zum Projekt Li-Ion-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43410.7.1 Die Verwendung des Leistungsteils als Li-Ion-Laderegler

ohne Anzeigeteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43410.7.2 Die Verwendung des Leistungsteils zur Aufladung

von Smartphones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43410.7.3 Die Gesamtschaltung des Anzeigenteiles . . . . . . . . . . . . . . . 43710.7.4 Ein Beispiel für die Gesamtschaltung

auf einer Euro-Lochstreifenplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43910.7.5 Die praktische Ausführung des Li-Ion-Ladereglers . . . . . . . . . 44110.7.6 Das Schlusswort zum Projekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

Lösungsanhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

Informative Internetadressen zum Themenbereich des Operationsverstärkers . 569

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571