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Sensor mit Operationsverstärker 741

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Sensor mit Operationsverstärker 741

Die Bauteile

Der Operationsverstärker 741
Die IC-Fassung
Der 100nF-Kondensator
Die Widerstände
Die Bauteilliste

Aufbau der Schaltung
Wie es funktioniert

Interner Aufbau des 741
Alle Anschlüsse des 741
Der 741 als Verstärker

Optosensor mit Operationsverstärker
Temperatursensor mit Operationsverstärker
Noch mehr über Operationsverstärker

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

Die Schaltung

Operationsverstärker messen die Spannungsdifferenz an zwei Eingängen, verstärken diese Differenz viel-tausendfach und geben das Ergebnis als Spannung an ihrem Ausgangspin aus.

Der Operationsverstärker wird in dieser Schaltung als simpler 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. Wer Operationsverstärker noch näher kennenlernen und für weniger simple Experimente verwenden will, findet hier noch mehr Schaltungen.

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. Weil die LED mit der Anode auch an Plus liegt, kriegt sie keinen Strom und die Leuchtdiode leuchtet nicht.

Solche Ausgänge wie beim Operationsverstärker können Strom ziehen, wenn ihr Ausgang auf Null oder niedriger Spannung liegt und ein Verbraucher, wie die LED, an Plus liegt (engl.: Pull). Fast genauso gut können sie aber auch Strom liefern, wenn ihr Ausgang hohe Spannung hat und der Verbraucher auf Minus liegt (engl.: Push). Man nennt das einen Push-Pull-Ausgang oder auch einen bipolaren Ausgang. Er wird innerhalb des ICs dadurch gebaut, indem ein Transistor den Ausgang bei Bedarf hochzieht und ein anderer diesen herunterzieht, je nachdem was außen angeschlossen ist. Man muss intern nur dafür sorgen, dass der Herunterzieher-Transistor nicht das herunterzieht, was der Heraufzieher gerade heraufzieht, aber das macht schon der IC-Entwickler. 99% aller ICs haben so einen Push-Pull-Ausgang.

Die beiden Sensoren werden nun 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

Leitungswasser,
dem destillierten Wasser, das zum Befüllen von Dampfbügeleisen verwendet wird,
Orangensaft,
Münzen,
Schlüssel,
Stoff.

Noch ein Effekt kann passieren: berührt man nur den Sensor- Eingang des Operationsverstärkers und nicht auch noch das Gegenstück, das auf Minus liegt, dann kann es sein, dass die LED anfängt zu zittern oder auch ganz angeht. Das liegt dann nicht am Fingerwiderstand sondern daran, dass wir wegen unseres Wassergehalts eine gehörige Menge an Netzbrumm eingefangen haben und der Operationsverstärker diese Millivolte an Wechselstrom hoch verstärkt. Den Netzbrumm aus dem 230-Volt-Netz kann man noch verstärken, wenn man sich mit der anderen Hand erdet, also die Wasserleitung oder den Heizkörper anfasst.

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.

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.

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.

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.

Die Bauteilliste

Die Bauteile sind vom Versandhandel Reichelt oder beim Versandhandel Conrad erhätlich.

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.

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. Ganz rechts im Bild sind die beiden Herauf- (NPN) und Herunterzieher-Transistoren (PNP) zu sehen.

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.

Alle Anschlüsse des 741

Die Pins machen Folgendes:

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

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.

Optosensor mit Operationsverstärker

Das mit dem Finger und seinem Feuchtwiderstand geht natürlich auch mit noch ganz anderen messbaren Größen wie mit der Helligkeit oder der Temperatur. Und es funktioniert ganz genauso wie mit dem Finger.

Beginnen wir mit der Helligkeit: Licht misst man mit Fototransistoren. Das sind Transistoren, deren NPN- oder PNP-Strecke dem äußeren Licht ausgesetzt sind. Sie funktionieren genauso wie normale Transistoren, nur löst die Bestrahlung der NPN-Strecke schon einen Basisstrom aus. Je mehr Licht, desto mehr Basisstrom. Und der wird wie bei einem normalen Transistor verstärkt und steuert die Emitter-Kollektor-Strecke aus. Schließen wir an den Kollektor eines solchen NPN-Fototransistors einen Widerstand gegen Plus an, geht dessen Kollektorspannung bei steigender Lichteinstrahlung abwärts. Ganz so wie beim Fingersensor kann man einen Operationsverstärker anschließen und den beim Erreichen einer voreingestellten Spannung seinen Ausgang schalten lassen.

An Fototransistoren zu kaufen gibt es Hunderte verschiedener Typen. Manche reagieren auf normales Licht, manche auch nur auf Infrarot- oder Untraviolett- Licht. Manche haben nur zwei Anschlüsse (Emitter und Kollektor), bei anderen ist auch noch die Basis an einem dritten Pin zugänglich. Manche haben Linsen, um das einfallende Licht auf die Basisstrecke zu bündeln, andere nicht und die sehen eher aus wie Leuchtdioden. Man kann sich also aus dem breiten Angebot was heraussuchen, was man so gerne zum Schalten nehmen möchte. Die meisten Typen kosten um die 30 Cent, man kann also ohne Gefahr für den Geldbeutel alles ausprobieren.

Falls Fototransistoren zu teuer sein sollten, kann man auch die billigeren Infrarot-Fototransistoren ausprobieren. Die sind oft noch bis in den roten und gelben Lichtbereich empfindlich, aber dazu muss man in die Datenblätter des Infrarot-Transistors gucken.

Optosensor mit Fototransistor und 741

Fast alles ist gleich wie beim Fingerwiderstandssensor, nur

sind die beiden Festwiderstände am Vergleichseingang jetzt durch einen Einstelltrimmer ersetzt, damit wir die Helligkeitsschwelle, bei der die Mimik schaltet, bequem einstellen können,
der Ausgang des 741 treibt jetzt die LED gegen Minus, und
der Fototransistor (es geht auch jeder andere Typ als der hier genannte) ersetzt den Finger.

Zieht jetzt der Lichtstrahl die Kollektorspannung nach unten und unterschreitet diese die mit dem Trimmer eingestellte Spannung, dann schaltet der Operationsverstärker seinen Ausgang auf niedrige Spannung und die LED erlischt. Wer es umgekehrt lieber hat, kann entweder

die LED gegen Plus schalten, oder
die beiden Operationsverstärker-Eingänge vertauschen.

Wer die Schaltung ärgern will, richtet den Strahl der LED auf den Fototransistor aus. Dann fängt das Ganze an, wild zu schwingen (alles was der 741 so kann, und das viele Megahertze), und wir sehen nicht sehr viel Spektakuläres.

Wer solche bösen Dinge nicht machen will und lieber eine Lichtschranke braucht, der lässt eine LED den Fototransistor aus einem gewissen Abstand beleuchten. Unterbricht ein dazwischen gehaltener Gegenstand den Lichtstrom, geht die LED an. Wer das Schalten lieber geheimhalten will, der nimmt eine Infrarot-LED, deren Licht man nicht sieht, und einen Fototransistor, der auch noch Licht mit 420 nm Wellenlänge sieht (z. B. der schon eingezeichnete BPY62).

Wer das Ganze in einer sehr hellen Umgebung betreiben will, der muss nur den 47 kΩ-Widerstand verkleinern. Um beim Trimmen genug Feingefühl zu haben, kann man sogenannte 10-Gang-Trimmer benutzen. Oder man schränkt die Einstellspannung des Trimmers ein wenig ein, indem man den Trimmer über einen Widerstand nach Minus und einen anderen nach Plus in seiner Spannungs-Spannbreite ein wenig einschränkt.

Temperatursensor mit Operationsverstärker

Spätestens beim Temperatursensor wird es langweilig: wieder nur diesselbe Schaltung, nur statt des Fingers oder des Fototransistors einen temperaturabhängigen Widerstand. Die nennt man NTC (für "Negative Temperature Coefficient", bei denen geht der Widerstand mit zunehmender Temperatur abwärts. Und auch die gibt es in verschiedensten Ausführungen für ein paar Cent in jedem Elektronikladen oder -Versandhandel. Wir nehmen einen, der bei 25°C einen Widerstand von ca. 47 kΩ hat.

Die Schaltung kann man dann so wie sie ist zum Schalten verwenden: ist es zu heiß, dann ist der Widerstand zu niedrig und die Spannung am Plus-Eingang des 741 niedriger als die eingestellte Spannung am Minus-Eingang. Der Ausgang des 741 ist dann niedrig. Wird es kälter als eingestellt, dann geht der Ausgang des 741 auf hohe Spannung. Wer jetzt einen Heizkörper einschalten will, kann das aber mit einem 741 vergessen, der liefert nur ein paar mA Strom und kann auch nur Gleichspannung. Da braucht es dann schon einen Schaltverstärker oder ein Relais, das den nötigen Strom und die nötige (Wechsel-)Spannung abkann, um einen 2 kW-Heizkörper damit einzuschalten, damit es wieder wärmer wird.

Noch mehr über Operationsverstärker

In unserem Beispiel haben wir den Operationsverstärker 741 mit einer einzigen Spannungsquelle betrieben. Er kann aber auch zwei: nämlich eine positive und einen negative. Hier sind mal +9V und -9V gezeigt. Können täte er sogar bis zu +20V und -20V.

In diesem Fall hier kann der Ausgang zwischen +8V und -8V liegen, je nachdem ob die Spannung am positiven Eingang größer oder kleiner ist als am negativen.

Wozu braucht man das? Nun, wenn man eine Bass-Lautsprecher-Membran ohne einen riesigen Elektrolytkondensator mal vorwärts drücken und mal rückwärts ziehen will, braucht man zwei Transistoren: einer der drückt und einer, der zieht. Das nennt der Elektroniker dann Push-Pull. Und die muss man mit positiven und negativen Spannungen ansteuern, wozu man solche Operationsverstärker mit zwei Betriebsspannungen verwenden kann.

Spannungsfolger

Das ist das Einfachste, um einen Operationsverstärker einzusetzen: er verstärkt ein Signal am positiven Eingang um den Faktor 1. Das hört sich erst mal nach nicht viel an, hat es aber in sich. Der positive Eingang ist nämlich sehr hochohmig und braucht nicht viel Strom. Beim 741 hat der einen Eingangswiderstand von 2 MΩ, das sind 2.000.000 Ω, oder fast gar nix. Am Ausgang kann der 741 dann aber bis zu 25 mA liefern oder ziehen. Das ist um mehr als eine Million mal so viel wie am Eingang verbraucht wird. So macht man aus der Mücke Eingangsstrom den Elefanten Ausgangsstrom.

Das Gebilde heißt Spannungsfolger und es funktioniert sowohl mit positiven als auch mit negativen Eingangsspannungen.

11-fach-Verstaerker

Teilt man die Ausgangsspannung in einem Spannungsteiler und koppelt nur einen Teil der Ausgangsspannung in den negativen Eingang zurück, dann wird das Signal um den Faktor (R1 + R2 ) / R2 verstärkt.

Die Spannungen in der Schaltung bei +0,1V positiver Eingangsspannung sind in rot eingezeichnet. Dadurch, dass nur ein Teil der Ausgangsspannung an den negativen Eingang zurückgelangt, wird die Ausgangsspannung um so höher sein um die positive Eingangsspannung durch die negative Eingangsspannung zu kompensieren. Mit dem Widerstandsverhältnis von R1 und R2 hat man die Verstärkung voll im Griff und kann auf diese Weise nahezu beliebige Verstärkungsfaktoren einstellen.

Auch das funktioniert sowohl mit positiven als auch mit negativen Spannungen am positiven Eingang.

Den Verstärker 1:100 hatten wir schon oben, darf es noch ein bisschen mehr sein?

1001-fach Verstaerker mit Leistungstransistoren

1001-fach Verstaerker mit Leistungstransistoren

Das ist jetzt mal die Variante mit 1001-facher Verstärkung. Da der 741 bis zu 200.000-fach kann, ist er damit noch weit von seiner Grenze weg.

Da bei 1000-facher Verstärkung schon klitzekleine Unterschiede bei den beiden Eingangsstufen-Transistoren des 741 dazu führen würden, dass die Ausgangsspannung bei Null Volt Eingangsspannung nicht bei Null läge sondern irgendwo anders, muss man diesen hohen Verstärkungen einen Mechanismus einbauen, der für gleiche Verhältnisse sorgt. Das macht hier der Trimmer von 10kΩ an den beiden Offset-Null-Eingängen an den Pins 1 und 5. Mit ihm lassen sich diese Unterschiede wegjustieren.

Die Schaltung hat auch gleich noch zwei Leistungstransistoren, die einen niederohmigen Lautsprecher antreiben können. Das Vergleichssignal des invertierenden Eingangs am Operationsverstärker kommt jetzt direkt vom Lautsprecher: Um den Lautsprecher auf +1V zu bringen, muss gleichzeitig auch noch die Durchlassspannung der Basis-Emitterstrecke des oberen Transistors von 0,65V überwunden werden, daher stellt sich der Ausgang des Verstärkers entsprechend höher ein.

Aber Obacht! So ein Operationsverstärker ist extrem schnell. Er würde schon geringe Unterschiede zu 1,0V innerhalb von wenigen Mikrosekunden korrigieren wollen und schwingt entsprechend schnell. Es ist also noch einiges hinzuzufügen, um das zu vermeiden.

Wer jetzt denkt, ich schreibe das halbe Internet ab, um alle Schaltungsvarianten mit Operationsverstärkern hier wiederzugeben, der hat sich geschnitten: einmal muss Schluss sein und Du musst selber die Suchmaschine anwerfen, wenn Du noch vieles Andere machen möchtest. Viel Erfolg beim Suchen und Finden.

Noch viel mehr über Operationsverstärker gibt es hier.