LM358 Schaltungen » Aufbau & Funktionsweise des Dual Operationsverstärkers einfach erklärt
Der integrierte Schaltkreis LM358 ist ein sehr gerne benutztes Bauteil, das zur Kategorie der Operationsverstärker zählt. Operationsverstärker wurden vor Jahren in analogen Rechnern für unterschiedliche Rechenoperationen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division genutzt. Aber die Einsatzmöglichkeiten sind weit vielfältiger. Wir zeigen Ihnen wie der Schaltkreis LM358 aufgebaut ist und welche Möglichkeiten in diesem vielseitig nutzbaren Bauteil stecken.
Beim LM358 handelt es sich um einen integrierten Schaltkreis, der auch einfach nur als IC (Intergrated Circuit) bezeichnet wird.
Bei einem IC sind mehrere elektronische Bauteile wie z.B. Transistoren und Dioden in einem Gehäuse untergebracht.
Aufgrund dieser Kompakt-Bauweise können ICs trotz kleinster Abmessungen umfangreiche und komplexe Aufgaben erfüllen.
Das Innenleben des LM358
Genau betrachtet ist das Innenleben eines LM358 recht überschaubar. Denn es befinden sich lediglich zwei Operationsverstärker in einem gemeinsamen Gehäuse. Darum wird das Bauteil im englischen Sprachgebrauch auch als Dual Operational Amplifier bezeichnet.
Abgesehen von der Betriebsspannung, die intern an beiden Operationsverstärkern anliegt, arbeiten die beiden Verstärker vollkommen unabhängig voneinander.
Das bedeutet: Die jeweils beiden Eingänge und der Ausgang der beiden Verstärker sind nicht verbunden und einzeln herausgeführt.
Demzufolge ist es auch möglich, nur einen der beiden Verstärker zu nutzen. Die Anschlüsse des zweiten Operationsverstärkers werden in diesem Fall nicht belegt. Um aber unkontrollierte Schwingungen zu vermeiden, lassen Schaltungsentwickler die Pins nicht offen. Sie legen die freien Anschlüsse auf ein Potential (z.B. Masse). Sollten beide Operationsverstärker des ICs für eine Schaltung eingesetzt werden, muss die äußere Beschaltung entsprechend aufgebaut werden.
Anschlussbelegung des LM358 laut Datenblatt
| Pin 1 = Ausgang des 1. Operationsverstärkers (Output 1) |
| Pin 2 = Invertierter Eingang des 1. Operationsverstärkers (Inv. Input 1) |
| Pin 3 = Nicht invertierter Eingang des 1. Operationsverstärkers (Input 1) |
| Pin 4 = Negatives Potential der Versorgungsspannung (V-) |
| Pin 5 = Nicht invertierter Eingang des 2. Operationsverstärkers (Input 2) |
| Pin 6 = Invertierter Eingang des 2. Operationsverstärkers (Inv. Input 2) |
| Pin 7 = Ausgang des 2. Operationsverstärkers (Output 2) |
| Pin 8 = Positives Potential der Versorgungsspannung (V+) |
Ein klassischer Signalverstärker, der z.B. mit einem Transistor aufgebaut ist, hat einen Eingang und einen Ausgang. Das Eingangssignal bezieht sich in den meisten Fällen auf das Minus-Potential der Versorgungsspannung, das im Regelfall als Masse bezeichnet wird.
Aufgrund seiner Außenbeschaltung ist der Transistor so ausgelegt, dass eine geringe Spannungsänderung am Eingang eine hohe Spannungsänderung am Ausgang hervorruft.
Steigt die Spannung am Eingang (UE) bzw. an der Basis der Transistors (B) an, wird der interne Widerstand zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) geringer. Die Spannung am Kollektor wird demzufolge kleiner.
Wird die Spannung am Eingang niedriger, wird der Widerstand zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) wieder größer. Die Spannung am Kollektor steigt wieder an.
Transistor in Emitterschaltung zur Signalverstärkung.
Hinweis:
Dadurch wird ein schwaches Eingangssignal mit einer geringen Amplitude um das Vielfache seines Wertes verstärkt. Allerdings wird bei der gezeigten Transistorschaltung das Eingangssignal umgedreht (invertiert). Eine Spannungserhöhung am Eingang verursacht einen Spannungsrückgang am Ausgang. Das Ausgangssignal ist phasengedreht bzw. um 180° phasenverschoben.
Das alte Schaltzeichen (li) und das neue Schaltzeichen nach DIN (re) für Operationsverstärker.
Ein Operationsverstärker (OPV) oder auch Operation Amplifier (OP AMP) besitzt zwei Eingänge, wobei lediglich die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen verstärkt wird.
Die beiden Eingänge sind mit Plus (+) und Minus (-) gekennzeichnet. Ein Signal am Plus-Eingang wird phasengleich am Ausgang wiedergegeben. Ein Signal am Minus-Eingang wird, wie bei der oben aufgeführten Transistorschaltung, umgekehrt (invertiert) ausgegeben. Deshalb spricht man auch vom invertierten und nicht invertierten Eingang.
Wenn sich das Potential beider Eingänge gleichzeitig und in die gleiche Richtung ändert, wirkt sich das auf den Ausgang nicht aus.
Aufbau
Die Funktion eines Operationsverstärkers kann man leicht an einem vereinfachten Nachbau mit Transistoren erkennen.
Die beiden NPN-Transistoren T1 und T2 sind die Eingangstransistoren.
Die beiden Eingänge des Operationsverstärkers sind identisch, da sie jeweils mit der Basis (B) der Transistoren T1 und T2 verbunden sind. Der Eingang, bei dem das Ausgangssignal phasengleich ausgegeben wird, ist mit einem Plus (+) gekennzeichnet.
Der Eingang, bei dem das Ausgangssignal gedreht bzw. um 180° phasenverschoben ausgegeben wird, ist mit einem Minus (-) gekennzeichnet.
Der Transistor T3 fungiert zusammen mit den Dioden D1 und D2 als Konstantstromquelle bzw. Strombegrenzung für die Transistoren T1 und T2.
Der Transistor T4 dient zur Signalverstärkung. Das Ausgangssignal (UA) wird am Lastwiderstand (RL) von T4 abgegriffen.
Vereinfachter Nachbau eines Operationsverstärkers.
Funktionsweise
Wenn am nicht invertierten Eingang (+) die Spannung steigt, wird die Kollektor- /Emitter-Strecke (C/E) vom Transistor T2 niederohmiger.
Dadurch sinkt die Spannung am Kollektor (C) von T2 und die Spannung am Emitter steigt.
Da die Basis vom Transistor T4 direkt mit dem Kollektor von T2 verbunden ist, sinkt auch dort die Spannung.
Die Folge: Die Kollektor- /Emitter-Strecke (C/E) vom PNP-Transistor T4 wird niederohmiger und es fließt mehr Strom über den Lastwiderstand RL.
Der Spannungsabfall über den Lastwiderstand steigt entsprechend an und kann am Ausgang (UA) abgegriffen werden.
Signalverlauf bei der Ansteuerung des nicht invertierten Eingangs.
Fazit:
Ein positiver Spannungsanstieg am nicht invertierten Eingang (+) hat also einen positiven Spannungsanstieg am Ausgang zu folge.
Wenn am invertierten Eingang (-) die Spannung steigt, wird die Kollektor- /Emitter-Strecke (C/E) vom Transistor T1 niederohmiger.
Dadurch sinkt die Spannung am Kollektor (C) vom Transistor T1.
Gleichzeitig steigt die Spannung am Emitter vom Transistor T1. Da die Emitter vom Transistor T1 und T2 verbunden sind, steigt auch die Spannung am Emitter vom Transistor T2.
Dadurch wird der Spannungsunterschied zwischen Basis und Emitter am Transistor T2 geringer. Das hat zur Folge, dass die Kollektor- /Emitter-Strecke (C/E) vom Transistor T2 hochohmiger wird. Die Spannung am Kollektor T2 steigt.
Gleichzeitig steigt die Spannung an der Basis von T4. Der Transistor wird nun hochohmiger und es fließt weniger Strom über den Widerstand RL. Demzufolge wird auch die Spannung am RL geringer.
Signalverlauf bei der Ansteuerung des invertierten Eingangs.
Fazit:
Ein positiver Spannungsanstieg am invertierten Eingang (-) hat also einen Spannungsrückgang bzw. eine negative Spannungsänderung am Ausgang zu folge. Das Ausgangssignal verhält sich umgekehrt (invertiert) zum Eingangssignal.
Verstärkungsfaktor
Aufgrund seines internen Aufbaus hat ein OPV einen sehr hohen Verstärkungsfaktor. Bei einem Verstärkungsfaktor von 100.000 und einer Betriebsspannung von ±10 V reicht am Eingang eine Spannungsänderung von ±100 µV aus, damit der Ausgang entweder auf +10 V oder -10 V schaltet.
Aus diesem Grund eignen sich OPVs auch ideal als Signalverstärker für Sensoren. Aber auch als Verstärker für Niederfrequenz- und Hochfrequenzsignale oder als Regler können Operationsverstärker eingesetzt werden. Selbstverständlich setzt die Betriebsspannung bei der Verstärkung Grenzen. Denn die Ausgangsspannung kann nicht höher als die Betriebsspannung sein.
Impedanz
Neben dem hohen Verstärkungsfaktor ist auch die Impedanz von entscheidender Bedeutung. Da die beiden Eingänge extrem hochohmig sind, können OPVs auch bei elektrisch sensiblen Schaltungen eingesetzt werden. Durch den hohen Innenwiderstand wird das Signal am Eingang nicht belastet und dadurch verfälscht.
Auf der anderen Seite ist das Ausgangssignal sehr niederohmig und kann direkt zum Ansteuern von LEDs oder sonstiger Auswerteelektronik genutzt werden.
Der integrierte Schaltkreis LM358 weist im Bereich der Spannungsversorgung eine hohe Bandbreite auf. Er kann laut Datenblatt des Herstellers auf zwei unterschiedliche Weisen versorgt werden:
Einzelversorgung
Bei der Einzelversorgung kann die Versorgungsspannung laut Datenblatt 3 bis 32 V/DC betragen. Der Plusanschluss der Versorgungsspannung wird mit Pin 8 und der Minusanschluss wird mit Pin 4 des ICs verbunden.
Doppelversorgung
Bei der Doppelversorgung muss die Betriebsspannung laut Datenblatt im Bereich von ±1,5 V bis ±16 V/DC (bezogen auf Masse) liegen. Die positive Spannung wird an Pin 8 und die negative Spannung wird mit Pin 4 des ICs verbunden.
Um ein grundsätzliches Verständnis für den Betrieb und die Funktionsweise eines OPVs zu entwickeln, sollten zunächst ein paar Prinzipschaltungen genauer betrachtet werden.
Komparatorschaltungen
Vergleich der Eingangsspannung
Bei einer Schaltung als Komparator werden die Eingangsspannungen verglichen und am Ausgang ein entsprechendes Signal erzeugt.
Je nach Stellung der beiden Einstellregler P1 oder P2 leuchtet die LED1 oder die LED2.
Signalumwandlung
Komparatoren können aber auch genutzt werden, um aus einer beliebigen Kurvenform am Eingang ein Rechtecksignal am Ausgang zu erzeugen. Dies wird erforderlich, wenn z.B. der nachgeschaltete Frequenzzähler nur Rechtecksignale verarbeiten kann.
Verstärkerschaltung / Schmitt-Trigger
Operationsverstärker können auch genutzt werden, um Signale zu verstärken oder um Schaltschwellen genau zu bestimmen. Dazu wird mit einer Rückkopplung gearbeitet. Bei einer Rückkopplung wird ein Teil des Ausgangssignals zurück auf den Eingang geführt. Je nachdem, auf welchen Eingang das Ausgangssignal zurückgeführt wird, spricht man bei einem OPV von einer Gegenkopplung oder einer Mitkopplung.
Gegenkopplung
Bei der Gegenkopplung wird das Ausgangssignal über einen Widerstand zum invertierten Eingang (-) geleitet. Über das Verhältnis zwischen den Widerständen R3 und R4 wird der Verstärkungsfaktor des OPVs definiert.
Mitkopplung
Bei der Mitkopplung wird das Ausgangssignal über einen Widerstand zum nicht invertierten Eingang (+) geleitet. Die Mitkopplung dient nicht der Verstärkung. Vielmehr werden durch die Widerstände R1 und R2 die Schaltschwellen des Schmitt-Triggers definiert.
Spannungsfolger / Impedanzwandler
Die Grundschaltung eines Verstärkers mit Gegenkopplung wird auch als Spannungsfolger bzw. Impedanzwandler genutzt.
Dabei wird der Widerstand R3 als unendlich groß, quasi als nicht vorhanden, betrachtet. Der Widerstand R4 wird als Kurzschluss betrachtet.
In diesem Fall beträgt der Verstärkungsfaktor 1. Die Eingangsspannung wird demzufolge 1:1 am Ausgang ausgegeben. Aber in diesem Fall geht es nicht um die Verstärkung, sondern um den hohen Eingangswiderstand des OPVs.
In dieser Konfiguration kann z.B. die Spannung einer Zenerdiode abgegriffen werden ohne den Stromfluss über den Widerstand RV und die Zenerdiode D1 zu beeinträchtigen.
Die vom Operationsverstärker ausgegebene Spannung entspricht exakt der Spannung über der Zenerdiode und kann durch nachfolgende Auswerte- oder Mess-Schaltungen problemlos belastet werden.
Oszillatoren
Einige wenige Bauteile reichen aus, um mit einem OPV einen Oszillator zu bauen.
Um eine einfache Oszillatorschaltung mit einem Operationsverstärker aufzubauen reichen einige wenige Bauteile. Der Operationsverstärker arbeitet als Komparator, der die Spannungsunterschiede an den beiden Eingängen auswertet. Da bereits minimale Spannungsunterschiede zum Umschalten ausreichen würden, müssen die Schaltschwellen gezielt verändert werden.
Dies geschieht mit Hilfe eines Spannungsteilers, der mit den Widerständen R1 und R2 einen Teil des Ausgangssignales an den nicht invertierten Eingang zurückführt. Dadurch wird der OPV als Schmitt-Trigger konfiguriert, bei dem die Einschalt- und Ausschalt-Schwelle nicht zusammenfällt. Der Versatz der beiden Schaltschwellen wird als Hysterese bezeichnet. Am invertierten Eingang ist ein Kondensator (C) gegen Masse geschaltet. Über einen Widerstand (R), der mit dem Ausgang verbunden ist, wird der Kondensator geladen oder entladen.
Informationen zur Funktionsweise:
Im Einschaltmoment ist der Kondensator (C) entladen und der Ausgang des OPs ist mit dem positiven Spannungspotential verbunden. Über den Widerstand (R) wird der Kondensator nun geladen.
Sobald die Spannung am invertierten Eingang gleichgroß oder größer, als am nicht invertierten Eingang ist, schaltet der OP den Ausgang auf das negative Spannungspotential. Der Kondensator wird nun über den Widerstand entladen.
Unterschreitet die Spannung am Kondensator einen bestimmten Wert, kippt die Schaltung erneut und der Operationsverstärker schaltet wieder das positive Spannungspotential auf den Ausgang. Der Kondensator wird nun wieder geladen und der Kreislauf beginnt erneut.
Oszillator mit Frequenzregelung
Zwischen den Spannungsteiler-Widerständen (R1 und R2) kann bei Bedarf noch ein Potentiometer (P1) eingesetzt werden.
Durch Verändern der Einstellwerte am Potentiometer lässt sich dann die Frequenz des astabilen Multivibrators in einem bestimmten Bereich verändern.
Oszillator mit einstellbarer Frequenz.
Ebenso wie der Timer NE555 ist der integrierte Schaltkreis LM358 aus der Kategorie Operationsverstärker ideal für Bereich Education geeignet. In Verbindung mit einer Steckplatine lassen sich einfach und schnell die tollsten Schaltungen realisieren. Laut Angaben im Datenblatt lässt der Hersteller eine breit gefächerte Stromversorgung zu, sodass eine Stromversorgung über Batterie oder Netzteil problemlos möglich ist.
Trotz umfangreicher Aufgabenstellungen sind oft nur sehr wenige zusätzliche Bauteile für die Außenbeschaltung erforderlich. Dabei kann man sehr schön die Auswirkungen messtechnisch erfassen, wenn Bauteile wie Widerstände oder Kondensatoren verändert werden.
So lassen sich die Schaltungen auf der Steckplatine perfekt optimieren und können dann später für die Anwendung auf Lochraster-Platinen nachgebaut werden.
Übrigens: Je nach Hersteller sind im Datenblatt des ICs noch weitere interessante Beispiel-Schaltungen aufgelistet, die zum Nachbau geradezu einladen.