Bild: LM741

Bild: TLC272                     10 Ω   1 kΩ   1 kΩ   100 kΩ		0.68 µF          10 kΩ         5 nF          5 nF

Versuch 11: Anwendungen des Operationsverstärkers

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Der Schmitt-Trigger wird aufgebaut und gemessen. Die Instabilität des Operationsverstärkers wird gemessen.

Invertierender Komparator mit Hysterese (Schmitt-Trigger)

Der Operationsverstärker wird ohne Gegenkopplung betrieben. Die invertierende Komparatorschaltung zeigt extrem nichtlineares Verhalten:
Wegen der sehr hohen Differenzverstärkung v_D nimmt die Ausgangsspannung des OP schon bei sehr kleinen Unterschieden zwischen den Spannungen am positiven und negativen Eingang ihren Maximal- bzw. Minimalwert an. Bei der Schaltung kann durch Mitkopplung des heruntergeteilten Ausgangssignals u_A(t) eine bestimmte Schalthysterese eingestellt werden.

Berechnen Sie die Eingangsspannungen U_I,ein bzw. U_I,aus , bei denen der Komparator mit Hysterese zwischen max. bzw. min. Ausgangsspannung umschaltet.
Nehmen Sie eine max. Ausgangsspannung U_A,max = 7 V und eine min. Ausgangsspannung U_A,min = -7 V an.

U_I,ein:
U_I,aus:

Versuchsdurchführung:

Bauen Sie die Schaltung des invertierenden Komparators auf.
Verbinden Sie VDD- mit VP- und VDD+ mit VP+. Stellen Sie +-9V Gleichspannung mit dem Gerät 'Voltage' ein. Am Signalgenerator ist ein Dreieckssignal mit der Amplitude U_I = 200 mV und der Frequenz f = 100 Hz einzustellen.
Verbinden Sie den positiven OP-Eingang zunächst mit Masse.
Verwenden Sie den DC Eingang vom Oszilloskop und stellen Sie Eingangs-, Ausgangssignal und Spannung am 1 kΩ Widerstand gleichzeitig dar.

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Messen Sie die maximale Ausgangsspannung UA,max und minimale Ausgangsspannung UA,min.
U_A,max:
U_A,min:
Wählen Sie am Oszilloskop die X-Y-Darstellung der beiden Signalkanäle. Ändern Sie bei Bedarf die Generatoramplitude, die Range der Kanäle und justieren Sie die Position (Offset) auf dem Bildschirm, damit die Hystereschleife richtig dargestellt wird.

Machen Sie einen Screenshot der X-Y-Darstellung.

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Bei welchen Eingangsspannungen U_I,ein bzw. U_I,aus schaltet der Komparator zwischen max. bzw. min. Ausgangsspannung?
U_I,ein:
U_I,aus:
Gibt es einen Hystereseeffekt?

Mitkopplung

Stellen Sie nun die Mitkopplung über den Spannungsteiler aus R₁, R₂ her. Messen Sie wieder die Eingangsspannungen U_I,ein bzw. U_I,aus für das Umschalten der Ausgangsspannung. Eventuell müssen Sie die Eingangsspannungsamplitude U_I etwas erhöhen.

U_I,ein:
U_I,aus:
Warum mussten Sie die Eingangsspannungsamplitude verändern?

Wie groß ist die Hysteresespannung ΔU_I ?
ΔU_I:

Machen Sie einen Screenshot der X-Y-Darstellung.

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Optional: Instabilität des invertierenden Verstärkers

Bauelemente:
C = 5nF, 5nF, 0.68µF; R = 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ; TL741
Vorbereitung:
Es soll untersucht werden, wann ein rückgekoppelter Verstärker selbsterregte Schwingungen ausführt, sich also als Oszillator verhält.
Da der Frequenzgang eines OP für unbedingte Stabilität kompensiert ist, wird der OP-Ausgang mit einer Lastkapazität C_L beschaltet.
Zusätzlich kann der Tiefpaß mit R_P = 10 kΩ und C_P = 5 nF in den Gegenkopplungszweig eingefügt werden.

Aufbau

Bauen Sie die obige Verstärkerschaltung auf.

Entfernen Sie die Verbindung zwischen dem Widerstand R1 und dem Operationsverstärker. Der Signalgenerator ist abgeschaltet (u_I = 0). Messen Sie nun für verschiedene Schaltungskonfigurationen die Amplitude und Frequenz des Ausgangssignals.
1.) Verwenden Sie die Lastkapazität C_L = 5 nF. Messen Sie Amplitude:

Messen Sie die Schwingfrequenz f_O1:


2.) Vergrößern Sie nun die Lastkapazität auf den Wert C_L = 0.68 µF. Welche Amplitude sowie Frequenz f_O2 messen Sie jetzt?
Messen Sie Amplitude:

Messen Sie die Schwingfrequenz f_O2:

Warum haben sich Amplitude von u_A(t) sowie Schwingfrequenz f_O verändert?



3.)Fügen Sie den Tiefpaß mit dem Ausgangssignal u_P(t) in die Rückkopplungsschleife ein. Der Signalgenerator bleibt abgeschaltet (u_I = 0).
Welche Schwingfrequenz f_O3 erhalten Sie für die Lastkapazität C_L = 0.68 µF mit R_P und C_P?
f_O3:
Messen Sie die Amplitude von u_A(t) und u_P(t).
u_A:
u_P:
Fügen Sie hier das Oszilloskopbild ein.
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