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Sensor mit Operationsverstärker 741



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Diese Schaltung benutzt den Widerstand Deines Fingers um eine Lampe einzuschalten. Weil der Widerstand recht hoch ist, braucht man einen ordentlichen Verstörker: einen Operationsverstärker.

Die Schaltung

Der Operationsverstärker wird in dieser Schaltung als Vergleicher verwendet. Ist die Spannung am Eingang IN+ größer, geht der Ausgang OUT (Pin 6) auf hohe Spannung, ist sie kleiner, geht sie auf niedrige Spannung.

Schaltbild Sensor

Der Eingang IN- liegt mit den beiden Widerständen von 100 kΩ auf der halben Betriebsspannung (+4,5 V). Einer der beiden Sensoranschlüsse liegt über einen Widerstand an der positiven Betriebsspannung, der andere direkt an der negativen Betriebsspannung. Ist nichts an den Sensor angeschlossen, ist die Spannung am Eingang IN+ größer als am IN-, der Ausgang liegt hoch und die Leuchtdiode leuchtet nicht.

Die beiden Sensoren werden mit dem Finger überbrückt. Ist der Widerstand des Fingers am Sensor höher als 100 kΩ bleibt die LED aus. Ist sie niedriger (eventuell mit etwas Spucke am Finger nachhelfen), sinkt die Spannung am Eingang IN+ unter die 4,5 V am Eingang IN- und die LED leuchtet.

Der Widerstand von Fingern ist bei unterschiedlichen Menschen unterschiedlich groß und u.a. von der Jahreszeit, der Schweißabsonderung, der Aufregung, usw., abhängig.

Mit der Schaltung lässt sich auch die Leitfähigkeit anderer Objekte feststellen, z. B. von

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Die Bauteile

Der Operationsverstärker 741

So sieht der Operationsverstärker aus.

741

Der 741 hat acht äußere Anschlüsse, vier auf beiden Seiten des Plastikgehäuses (die vier auf der anderen Seite sind hier nicht zu sehen. Diese Art von Gehäuse wird als DIL bezeichnet (DIL=Dual in line, etwa: zweireihig).

Wichtig ist noch die kleine Einbuchtung auf der linken Seite des Gehäuses. Sie zeigt, wie herum der 741 zu legen ist, wenn die Anschlüsse zugeordnet werden müssen. Der linke untere Pin auf der Seite mit der Einbuchtung ist immer der Anschluss mit der Nummer eins. Ist keine Einbuchtung vorhanden, dann hat Pin 1 einen kleinen Klecks.

Die Pins werden von unten links nach rechts und weiter auf der Oberseite von rechts nach links durchgezählt. Das sieht man in der folgenden Darstellung besser.

741-Anschl sse

Links ist die Draufsicht auf den 741 von oben skizziert. Rechts sind die Anschlüsse im Schaltbild gezeigt. Der Kreis vor dem Eingang IN- zeigt an, dass der Anschluss NEGATIV oder INVERTIERT ist. Selbst wenn man keine Bezeichnung sieht, kann man so den nicht-invertierenden und den invertierenden Eingang unterscheiden.

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Die IC-Fassung

Für alle Integrierten Schaltungen (ICs) verwendet man Fassungen, nur in der Großproduktion verzichtet man darauf. Die Fassung sieht so aus:

Fassung

Das IC, hier unser Operationsverstärker, wird in diese Fassung gesteckt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Einbuchtung am IC mit der Einbuchtung in der Fassung (links im Bild) übereinstimmt, damit die Nummerierung stimmt.

Fabrikneue ICs passen aus unerfindlichen Gründen nicht in die Fassung, ihre Pins zeigen weiter nach außen. Beim Eindrücken des IC in die Fassung würden wir die Pins hoffnungslos verbiegen. Damit das klappt, gibt es folgenden Trick. Man fasst das IC links und rechts an und drückt die vier Pins auf einer ebenen Fläche gleichzeitig um einen halben Millimeter nach innen. Das macht man auf beiden Seiten. Aber Vorsicht, die beiden Vierreihen nicht zu weit eindrücken.

Ist ein Pin mal zu arg verbogen, dann wieder vorsichtig mit einer Pinzette zurückbiegen. Das machen die aber nicht oft mit und brechen ab. Das Teil kann dann entsorgt und muss neu beschafft werden.

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Der 100nF-Kondensator

Im Schaltbild ist noch ein Kondensator von 100 nF eingezeichnet. Das Bauteil sieht so aus:

100 nF

Er trägt die Aufschrift "104 K". Die 104 bedeutet soviel wie eine 1, eine 0 und vier Nullen dazu, also 100000. Die Angabe der Kapazität von kleinen Kondensatoren erfolgt in Pico-Farad oder pF. Ein Picofarad sind ein millionstel millionstel Farad. 1000 pF sind ein Nano-Farad (nF). Die 100000 bedeutet also 100 nF.

Das große "K" in der Aufschrift bedeutet nicht "Kilo", sondern "Keramik". Das bedeutet, dass die Isolation zwischen den Platten aus Keramikmaterial ist. Die "100" in der zweiten Zeile der Beschriftung bedeutet, dass der Kondensator 100 V verträgt.

Kondensatoren mit Keramikisolator ist es übrigens egal, wie herum die Spannung angelegt wird. Im Gegensatz zu Elkos macht die Polarität nichts aus.

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Die Widerstände

Den 470Ω-Widerstand in der Schaltung als Strombegrenzer für die LED kennen wir schon.

Die drei Widerstände mit 100kΩ sehen so aus:

100k

Die Ringe von links nach rechts lauten: braun(1), schwarz(0), schwarz(0), orange(3). Den letzten können wir ignorieren, er gibt die Toleranz an (braun, 1%). Also 1-0-0 und drei Nullen, macht 100000 Ohm oder 100 Ω.

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Die Bauteilliste

Die Bauteile sind vom Zimmermann-Elekronikshop Darmstadt oder Versandhandel Reichelt oder beim Versandhandel Conrad erhätlich.

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Aufbau der Schaltung

Der Aufbau der Schaltung ist hier abgebildet:

Aufbau sensor

Wichtig ist es, den IC genau über die Riefe des Experimentierboards zu platzieren (hier die Reihen E und F), da sonst die acht Pins unzulässig miteinander verbunden würden.

Im folgenden Bild sind noch zusätzliche Bezeichnungen enthalten:

Aufbau sensor, Bild 2

Die beiden orangenen Kabel verbinden die oberen Betriebsspannungsschienen mit den beiden unteren, so dass wir von beiden Seiten des IC gut an diese Spannung herankommen.

Die LED und der 470Ω-Widerstand sind oben platziert und an die Betriebsspannung und Pin 6 des 741 angeschlossen. Der längere Anschluss der LED geht über den Widerstand nach +9V, die kürzere an Pin 6.

Als Sensor sind zwei von den Widerständen abgeschnittene Drahtenden in die Löcher C59 und C58 eingesteckt. Das reicht zum Fingertesten. Für Tests mit anderen Objekten muss man an diese beiden Drähte ein Kabel anlöten.

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Wie es funktioniert

Interner Aufbau des 741

Den inneren Aufbau zeigt die Abbildung (©2000 by Texas Instruments). Zu sehen sind 22 Transistoren, 11 Widerstände, eine Diode und ein Kondensator.

741 intern

Wenn wir das alles auf unserem Brett aufbauen müssten, würden wir ziemlich schnell den Spaß am Basteln verlieren. Stattdessen stecken wir ein Plastikgehäuse mit acht Pins in eine Fassung und fertig.


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Alle Anschlüsse des 741

Die Pins machen Folgendes:

Pin #Englische
Bezeichnung
Deutsche
Bezeichnung
Funktion des Anschlusses
1Offset 1Mittenausgleich Abgleich von geringfügig abweichenden Spannungen der beiden Eingangstransistoren
2IN-Invertierender Eingang Eingangsspannung, die von der Spannung am nicht-invertierenden Eingang abgezogen wird
3IN+Nicht-invertierender Eingang Eingangsspannung, von der die Spannung am invertierenden Eingang abgezogen wird
4VCC-Negative Versorgungsspannung Bei symmetrischer Versorgung aus zwei Spannungsquellen die negative Betriebsspannung, max. -18V
5Offset 2Mittenausgleich Abgleich von geringfügig abweichenden Spannungen der beiden Eingangstransistoren
6OUTAusgang, max. 25 mA Signalausgang, ca. 20.000 mal die Differenz der beiden Eingangsspannungen
7VCC+Positive Versorgungsspannung Bei symmetrischer Versorgung aus zwei Spannungsquellen die positive Betriebsspannung, max. +18V
8NC(Nicht angeschlossen) (Intern nicht verdrahtet)


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Der 741 als Verstärker

In der nachfolgenden Schaltung arbeitet der 741 als Spannungsverstärker.

Lin Opamp

Die Versorgungsspannung ist mit +/-15 V symmetrisch, so dass positive wie negative Eingangsspannungen sowie Wechselspannungen verarbeitet werden können. Das Eingangssignal wird 100-fach verstärkt und am Ausgang ausgegeben. Der Verstärker kann z.B. geringe Wechselspannungen aus einem Mikrofon von 10 mV auf 1 V bringen.

An den beiden Offset-Anschlüssen ist ein Trimmer angeschlossen, mit dem geringe Unterschiede zwischen den Eingangstransistoren ausgeglichen werden können, so dass bei 0 V Eingangsspannung der Ausgang auf exakt 0 V gebracht werden kann.

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©2012 by Gerhard Schmidt