Operationsverstärker Grundlagen

In diesem Artikel befassen wir uns mit den Grundlagen des Operationsverstärkers. Dabei wird erklärt, was ein Operationsverstärker ist, wozu man diesen benötigt, welche Schaltzeichen man verwendet und wie er grundlegend funktioniert. Dieses Artikel gehört zu unserem Bereich Elektrotechnik.

Ein Operationsverstärker ist ein elektronischer Verstärker. Man setzt ihn als Bauteil in Schaltungen ein, um zum Beispiel ein schwaches Signal zu verstärken. Bevor wir uns den Operationsverstärker genauer ansehen, solltet ihr kurz einen Blick auf die folgende Liste werfen. Sollten euch die entsprechenden Themen noch nicht bekannt sein, dann werft bitte zunächst einen Blick auf diese. Denn das Wissen darin ist Voraussetzung, um die im Anschluss folgenden Inhalte zum Operationsverstärker verstehen zu können. Sinnvolles Vorwissen:

• Strom, Spannung und Widerstand
• Ohmsches Gesetz

Wofür braucht man einen Operationsverstärker?

Also ich kaufe mir jetzt einen Operationsverstärker, um diesen in meiner Elektronik-Schaltung einzusetzen. Nur was soll das? Wofür benötigt man diesen überhaupt? Nun, OPs - so die Kurzform - kann man zum Beispiel in den folgenden Fällen einsetzen:

• Ein Signal verstärken, zum Beispiel aus 1 Volt jetzt 2 Volt machen.
• Zwei Spannungen addieren, zum Beispiel 2 V + 3 V = 5 V.
• Zwei Spannungen subtrahieren, zum Beispiel 3 V - 1 V = 2 V.
• Eine Schwingung erzeugen.
• Ein Signal integrieren.
• Ein Signal schalten.
• Und vieles mehr.

Um die jeweiligen Aufgaben erfüllen zu können, muss man den Operationsverstärker mit weiteren Bauteilen (Widerständen, Kondensatoren etc.) beschalten. Wie dies geht, sehen wir uns in späteren Kapiteln an. Wichtig ist zunächst zu wissen, dass man mit OPs verschiedene Aufgaben erfüllen kann.

Schaltzeichen alt und neu

Wir wissen nun, was ein Operationsverstärker ist und wozu man ihn einsetzen kann. Jetzt braucht man natürlich - wenn man eine Schaltung zeichnet - noch ein entsprechendes Schaltzeichen. In der Elektrotechnik bzw. Elektronik werden meistens zwei Schaltzeichen verwendet. Ein inzwischen veraltetes und ein aktuelles. Das folgende Bild zeigt euch dies:

Damit ein Operationsverstärker funktionieren kann, benötigt dieser eine Versorgungsspannung. Je nach Wunsch des Erstellers der Schaltung, werden die Versorgungsspannungen mit eingezeichnet oder dies wird bleiben gelassen. Das hängt von der Übersicht bzw. von der Software ab. Zum Funktionieren in der Praxis ist die Versorgungsspannung natürlich notwendig.

Eingänge und Ausgänge

Sehen wir uns nun die verschiedenen Eingänge und Ausgänge eines Operationsverstärkers an. Grundsätzlich benötigt ein OP erst einmal eine Versorgungsspannung. Diese ist in aller Regel symmetrisch, also zum Beispiel +15 V und -15V oder +12 V und -12 V). Dann hat ein Operationsverstärker zwei Eingänge. Den Eingang mit dem "+" bezeichnet man als nicht invertierenden Eingang, den Eingang mit dem "-" als invertierenden Eingang. Und natürlich hat ein OP auch noch einen Ausgang. Die folgende Grafik zeigt dies:

Operationsverstärker Funktionsweise

Es gibt ganze Bücher, die sich mit dem Operationsverstärker und dessen Beschaltung befassen. Auch auf eine Unmenge an Eigenschaften wird in solchen Büchern eingegangen. Wir sehen uns hier jedoch erst einmal die grundlegende Arbeitsweise eines OPs an. Und dann landen wir sehr schnell bei den Begriffen Differenzspannung und Differenzverstärkung.

Differenzspannung:

Wir haben einen positiven Eingang (+) und einen negativen Eingang (-). Zwischen diesen beiden Eingängen liegt die Differenzspannung U_D. Es gilt:

• U_D = U_P - U_N

Beispiel: Wir haben am positiven Eingang (+) eine Spannung von 3 mV und am negativen Eingang (-) eine Spannung von 2 mV. Wie hoch ist die Differenzspannung? Lösung: U_P = 3 mV und U_N = 2 mV. Dann ist die Differenzspannung U_D = 3 mV - 2 mV = 1 mV.

Differenzverstärkung:

In dem Begriff Operationsverstärker steckt das Wort "Verstärker" schon drin. Der Operationsverstärker verstärkt die eben behandelte Differenzspannung (U_D). Wie hoch diese Differenzverstärkung (V_D) ist, hängt vom verwendeten Typ von OP ab. Eine Verstärkung von 100.000 oder mehr ist mit sehr vielen OPs möglich. Mit der folgenden Gleichung kann man die Ausgangsspannung (U_A) des Operationsverstärkers berechnen.

• U_A = V_D · U_D

Beispiel 1: Wir haben eine Differenzspannung zwischen den beiden Eingängen von -1 mV. Die Differenzverstärkung des Operationsverstärkers sei 1000. Wie hoch ist die Ausgangsspannung? Lösung: U_A = V_D · U_D = -1 mV · 1000 = -1 V.

Beispiel 2: Wir haben eine Differenzspannung von 0,6 mV. Die Verstärkung beträgt 10⁶. Der OP wird mit +15 V und - 15 V Spannung versorgt. Wie hoch ist die Ausgangsspannung? Lösung: U_A = V_D · U_D = 0,6 mV · 10⁶ = 600 V. Rechnerisch müssten also 600 V am Ausgang anliegen. Dies ist natürlich nicht möglich, denn der OP wird nur mit +15 V und -15 V versorgt. Und selbst diese Versorgungsspannung schafft der Ausgang nicht ganz. Daher wird der Ausgang des OP nicht bei den berechneten 600 V liegen, sondern wird etwas unter den +15 V Versorgungsspannung liegen, also so etwa + 14 V.

Links:

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