Projekte für Elektronikeinsteiger, Teil 17

Operationsverstärker für Einsteiger

Auch im Zeitalter der Digitaltechnik sind Operationsverstärker unverzichtbar, weil die reale Welt analog ist. Sensoren wie Mikrofone, Kameras, Temperatur- oder Lichtsensoren liefern analoge Signale. Diese müssen verstärkt, gefiltert oder angepasst werden, bevor ein Digitalchip sie verarbeiten kann. Genau das übernehmen häufig Operationsverstärker. Außerdem steuern sie Ausgänge, z. B. für Lautsprecher, Displays, Motoren oder Ladeelektronik. Selbst in Smartphones, Computern und modernen Mikrocontrollern sitzen daher viele Operationsverstärker – oft von Außen unsichtbar, aber entscheidend dafür, dass digitale Technik zuverlässig mit der analogen Welt zusammenarbeitet.

Was ist ein Operationsverstärker?

Ein Operationsverstärker, oft kurz OpAmp (für englisch „Operational Amplifier“) genannt, ist ein elektronisches Bauteil, das elektrische Spannungen verstärken kann. Das bedeutet: Eine kleine Spannung am Eingang erscheint am Ausgang deutlich größer.

Ein Operationsverstärker hat drei wichtige Anschlüsse:

• den nicht-invertierenden Eingang (+),
• den invertierenden Eingang (−) und
• den Ausgang

Was macht ein Operationsverstärker?

Am Ausgang erscheint das verstärkte Signal. Der OpAmp vergleicht die Spannungen an den beiden Eingängen. Ist die Spannung am Plus-Eingang größer als am Minus-Eingang, wird die Ausgangsspannung positiv. Ist sie kleiner, wird die Ausgangsspannung negativ. Die Verstärkung beschreibt, wie stark der Operationsverstärker das Eingangssignal vergrößert. Eine hohe Verstärkung bedeutet, dass schon eine sehr kleine Spannungsänderung am Eingang eine große Änderung am Ausgang verursacht. In der Praxis wird die Verstärkung mit externen Widerständen eingestellt

Ein weiterer wichtiger Begriff ist die Betriebsspannung. Der Operationsverstärker braucht elektrische Energie, um zu funktionieren. Diese bekommt er über eine positive und oft auch eine zusätzliche negative Versorgungsspannung. Die Ausgangsspannung kann nicht größer sein als diese Betriebsspannungen.

Welche Grundschaltungen gibt es für Operationsverstärker?

Man unterscheidet verschiedene Grundschaltungen von Operationsverstärkern. Bei der nicht-invertierenden Schaltung wird das Signal verstärkt, ohne dass sich das Vorzeichen ändert. Bei der invertierenden Schaltung wird das Signal verstärkt, aber „umgedreht“, aus positiv wird hier also negativ und umgekehrt. Wichtig ist auch der Begriff der „Sättigung“. Wenn der Ausgang die maximale mögliche Spannung erreicht hat, kann er nicht weiter ansteigen. Der Operationsverstärker ist dann „gesättigt“, egal wie sehr sich das Eingangssignal ändert.

Bild 1 zeigt links das alte Schaltzeichen, rechts die neuere Version nach DIN. In professionellen Anwendungen sollte nur noch das DIN-Zeichen verwendet werden. In Hobby-Anwendungen wird allerdings weiterhin fast ausschließlich die alte Variante weiterverwendet.

Die beiden Eingänge sind mit Plus (+) und Minus (−) gekennzeichnet. Ein Signal am Plus-Eingang wird phasengleich am Ausgang wiedergegeben. Ein Signal am Minus-Eingang wird umgekehrt, also „invertiert“, ausgegeben.

Kann ein Operationsverstärker unendlich verstärken?

Ein idealer Operationsverstärker hat eine extrem große Verstärkung – so groß, dass man oft von einer (fast) unendlichen Verstärkung spricht. Das bedeutet: Schon ein winzig kleiner Unterschied zwischen seinen beiden Eingängen kann am Ausgang eine große Spannung erzeugen.

Ist die Spannung am Plus-Eingang nur ein klein wenig größer als am Minus-Eingang, steigt die Ausgangsspannung stark an. Ist es umgekehrt, fällt die Ausgangsspannung stark ab. Wegen der riesigen Verstärkung „übertreibt“ der OpAmp dabei regelrecht.

In der Praxis nutzt man diese fast unendliche Verstärkung aber meist nicht direkt. Stattdessen wird der Operationsverstärker mit Rückkopplung betrieben. Dadurch lässt sich die Verstärkung sehr leicht auf einen genau einstellbaren und sinnvollen Wert begrenzen. Genau das macht Operationsverstärker so vielseitig: Mit wenigen externen Bauelementen können sie nicht nur präzise verstärken, sondern auch rechnen, vergleichen, filtern oder Signale stabilisieren – und das alles mit sehr hoher Genauigkeit.

Komparator: Hochempfindlicher Spannungsvergleich

Um aber zunächst die hohe Verstärkung des Operationsverstärkers zu demonstrieren, kann man die sogenannte Komparator-Schaltung („Vergleicher“) verwenden. Bei einer Schaltung als Komparator werden die Eingangsspannungen verglichen und am Ausgang ein entsprechendes Signal erzeugt. Bild 2 zeigt die Schaltung des Komparators, Bild 3 einen entsprechenden Breadboard-Aufbau dazu.

Je nach Stellung des Potentiometers leuchtet die LED oder sie bleibt dunkel. Zwischenwerte sind selbst bei minimaler Änderung der Potentiometerstellung nicht erreichbar. Dies demonstriert, dass der Operationsverstärker auch kleinste Spannungsänderungen an seinem Eingang in eine große Ausgangsspannung umsetzt. In diesem Fall ist der Ausgang immer entweder in der positiven oder in der negativen Sättigung. Ein analoges Eingangssignal wird hier sozusagen in einen digitalen Spannungswert (0 V oder volle Ausgangsspannung) umgesetzt. Bild 3 zeigt einen entsprechenden Aufbau.

Das Potentiometer P erzeugt dabei eine einstellbare Spannung, die am Plus-Eingang (+) anliegt. Die beiden 1-kΩ-Widerstände bilden eine feste Vergleichsspannung von etwa 4,5 V für den Minus-Eingang (−).

• Ist die Spannung am Plus-Eingang größer als 4,5 V, schaltet der Ausgang auf High → die LED leuchtet.
• Ist sie kleiner, schaltet der Ausgang auf Low → die LED ist aus.

So zeigt die Schaltung, dass ein Operationsverstärker schon bei kleinsten Spannungsunterschieden vollständig umschaltet. Die Schaltung demonstriert also die sehr hohen Verstärkung eines Operationsverstärkers sehr anschaulich. Schon eine sehr kleine Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen reicht aus, um den Ausgang vollständig umzuschalten. Typische Anwendungen des Komparators sind Schwellwertschalter, z. B. für Sensoren, Spannungsüberwachungen oder einfache Analog-Digital-Umsetzung.

Mini-Komparator-Projekt: Elektronisches Tauziehen oder „Liebesbarometer“

Der Komparator kann ganz einfach zu einem „Einer-Gewinnt-Spiel“ mit zwei Berührungssensoren umgebaut werden (siehe Bild 4 und Bild 5). Für dieses Tauziehen braucht man keine harten Muskeln – bei diesem Projekt wird lediglich die elektrische Leitfähigkeit des Körpers ausgenutzt. Die Grundidee des Spiels beruht darauf, dass die menschliche Haut einen gewissen elektrischen Widerstand aufweist. Wenn ein Spieler eine Metallelektrode berührt, fließt über den Körper ein extrem kleiner, völlig ungefährlicher Strom. Die Stärke dieses Stroms bestimmt die Spannung am Plus-Eingang des OpAmps. Diese Spannung wird vom Komparator verglichen. Dabei dienen zwei Metallflächen (z. B. Alufolie, Schrauben, Kupferplatten) als Berührungselektroden:

• Elektroden Spieler 1 → Plus-Eingang (+) des Komparators und +9 V
• Elektroden Spieler 2 → Plus-Eingang (−) des Komparators und 0 V

Jeder Eingang bekommt zusätzlich einen hochohmigen Widerstand (z. B. 1 MΩ) nach Masse und +9 V, damit der Eingang nicht „frei schwebt“. Am Ausgang zeigt eine LED den Gewinner an. Zum Spielen berühren beide Spieler gleichzeitig ihre Elektroden. Durch Hautfeuchte, Druck und Kontaktfläche entstehen leicht unterschiedliche Ströme und damit Spannungen am OpAmp-Eingang. Der Operationsverstärker vergleicht diese Spannungen:

• U+ > U− → Spieler 1 gewinnt (LED an)
• U− > U+ → Spieler 2 gewinnt (LED aus)
  

Aufgrund der extremen Empfindlichkeit des Operationsverstärker reichen schon sehr kleine Unterschiede durch den Anpressdruck aus, um die LED ein oder auszuschalten, d. h. „Einer gewinnt“.

Aus Sicherheitsgründen darf die Schaltung nur mit Batterien betrieben werden (z. B. 9-V-Block). Aufgrund möglicher Isolationsfehler dürfen keinesfalls Netzteile verwendet werden!

Die Ergebnisse des Tauziehens kann man übrigens auch anders interpretieren. Denn nicht nur der Anpressdruck entscheidet über den Kontaktwiderstand, sondern auch Schweißbildung auf der Haut. Man kann die Ergebnisse daher auch als „Liebesbarometer“ deuten: Wer stärker verliebt ist, kommt etwas mehr „ins Schwitzen“ und beeinflusst dadurch das Ergebnis. Für Feste oder Partys kann man das Gerät also auch auf sehr unterhaltsame Weise einsetzen und damit viel Spaß haben.

Ergänzungen und Anregungen

• Ein zusätzlicher Widerstand vom Ausgang zurück zum Eingang verhindert Flackern der LED bei fast gleichen Spannungen.
  Ergebnis: noch saubereres Umschalten. Welche Widerstandswert ist optimal?
• Wie kann man mit zwei LEDs (z. B. grüne LED für Spieler 1 und rote LED für Spieler 2) arbeiten und noch klarer anzeigen, wer gewonnen hat?
• Kann man eine einstellbare Gewinnschwelle realisieren?
  Tipp: Referenzspannung mit Potentiometer! Für wen wird das das Spiel damit leichter oder schwerer?
• Wie könnte man ein akustisches Signal erzeugen (Summer oder Piezo?) um den Gewinner hörbar anzuzeigen?

Ausblick

Nachdem in diesem Beitrag die Grundlagen der Operationsverstärkertechnik anhand der Komparatorschaltung vorgestellt wurden, sollen im nächsten Beitrag weitere interessante Anwendungen behandelt werden. Insbesondere Oszillatoren bieten ein weites Anwendungsfeld der Operationsverstärkertechnik. Neben den einfachen LED-Blinkschaltungen soll im nächsten Beitrag auch ein hochinteressantes, programmierbares Leuchtfeuer entstehen.

Erforderliches Material

Die Operationsverstärkermodule sind im ELV-Bausatz „Prototypenadapter für Steckboards PAD2, linear“ enthalten.

Außerdem benötigen Sie:

• 1x LM358 OpAmp-Modul
• LEDs, Widerstände und Kondensatoren
• 9-V-Batteriehalter mit Batterie

Über den Autor
Dr. Günter Spanner ist als Autor zu den Themen Elektronik, Sensortechnik und Mikrocontroller einem weiten Fachpublikum bekannt. Schwerpunkt seiner hauptberuflichen Tätigkeit für verschiedene Großkonzerne wie Siemens und ABB ist die Projektleitung im Bereich Entwicklung und Technologie-Management. Der Dozent für Physik und Elektrotechnik hat zudem zahlreiche Fachartikel und Bücher veröffentlicht sowie Kurse und Lernpakete erstellt.