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OpAmps als Gleichspannungsverstärker



Steckt man einen Eisennagel und einen Kupfernagel in eine Zitrone, kriegt man eine Zitronenbatterie: die beiden Nägel produzieren eine Spannung. Aber: nun nicht gleich einen Sack Zitronen einkaufen, um die gesamte Hausversorgung an Strom auf Bio-Zitronen umzustellen: schon wenn man ein paar wenige Milliampere aus der Zitrone quetschen will, geht die Spannung an der Zitrone in die Knie.

Um die empfindliche Spannung an der Zitronenbatterie genau zu messen, braucht man ein hochohmiges Messgerät. Und genau das kann so ein Operationsverstärker ganz prima: hoher Eingangswiderstand, niedriger Ausgangswiderstand.

11-fach-Verstärker Und er kann sogar noch mehr: aus den 0,x Volt an Spannung aus der Zitronenbatterie kann er mal eben elf mal so viel machen. Aus den +0,455 V der Zitronenbatterie werden mit dieser Schaltung mal eben 5 V, die sich auch durch ein grobes Schätzeisen (so hießen die analogen Drehspulinstrumente früher) noch bequem messen lassen.

Der Trick mit der Verstärkung des OpAmp funktioniert folgendermaßen: man teilt die Ausgangsspannung mit einem Teiler aus zwei Widerständen, hier mit den 100k und den 10k, und führt nur die geteilte Spannung an den invertierenden Eingang zurück. Um nun wieder Balance in der Eingangsbrücke zu kriegen, muss der OpAmp elf mal so viel Ausgangsspannung produzieren, damit die geteilte Spannung 0,455 V groß wird.

Spannungen beim 11-fach-Verstärker Das hier sind die Spannungen, die die Schaltung produziert:
  1. Die zwei 47k-Widerstände bewirken, dass am Potentiometer mit 5k Spannungen zwischen Plus 0,455 und Minus 0,455 Volte eingestellt werden können. Im Messeinsatz wird an Pin 3 der Kupfernagel angeschlossen, der Eisennagel an den Null-Volt- oder GND-Anschluss.
  2. Die produzierte Ausgangsspannung des Operationsverstärkers wird mit 100k und 10k geteilt, das 10 / (100 + 10) - fache der Ausgangsspannung (entspricht Abschwächung auf das 0,09091-fache) wird an den invertierenden Eingang an Pin 2 zurückgeführt.
Um genau 10 an Verstärkung zu kriegen, müssten wir den 10k-Widerstand etwas anders dimensionieren: (100 + x) / x = 10 kriegt man durch Umformen über 100 + x = 10 * x und 100 = 9 * x zu 100 / 9 = 11,11 kΩ. Da es das rein gar nicht zu kaufen gibt, kommt ein 10kΩ, ein 1kΩ, ein 100Ω und ein 10Ω zum Einsatz.

Und fertig ist ein 10-fach-Instrumentenverstärker, mit dem man +/-0,5V auf +/-5V verstärken kann. Und der die Zitronenbatterie auch praktisch gar nicht belastet. Und bei dem Null wirklich 0,000V ist, weil wir den 10k-Trimmer genau eingestellt haben.

©2021 by Gerhard Schmidt