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Verstärker ICs

Ein Video zu Verstärker ICs gibt's noch nicht

Hinterlasst einen Kommentar, wenn ihr Ideen habt, was in diesem Video gezeigt werden sollte (außer den schon in diesem Kapitel erwähnten Themen).

Übersicht

In diesem Kapitel ist nachzulesen:


Operationsverstärker

Verschiedene Operationsverstärker ICs
Abbildung 1:
Der Operationsverstärker ist ein sehr verbreiteter Schaltkreis, der als Integrated Circuit-Baustein in vielen Varianten erhältlich ist. Operationsverstärker werden eher selten direkt zum Schalten hoher Ströme, sondern meinst in irgendeiner Form als Vorverstärkerstufe, Pegelwandler oder invertierender Puffer eingesetzt. Die Funktionsweise dieser Schaltkreise ist im Kapitel zu Operationsverstärkern nachzulesen. Auf dieser Seite geht es nur um die Wandlung digitaler Signale.
Auf dem Foto zu sehen sind ICs mit zwei beziehungsweise vier Operationsverstärkern pro Chip.

Operationsverstärker mit N-Kanal MOSFET
Abbildung 2:
In diesem Schaltplan wird ein Operationsverstärker als Vorverstärker bzw. Pegelwandler verwendet. Der Spannungsteiler am Eingang bestehend aus R1 und Zenerdiode 1 bestimmt dabei die "Schwellspannung". Ein Operationsverstärker - wie hier - ohne Rückkopplung arbeitet als Komparator, was bedeutet, dass dessen Ausgangsspannung (nahezu) 0V beträgt, wann immer die Spannung am nicht invertierenden Eingang (erkennbar an dem "+") niedriger ausfällt als die Spannung am invertierenden Eingang (erkennbar an dem "-"). Die Ausgangsspannung gleicht (nahezu) der Versorgungsspannung (VSupply), wann immer die Spannung am nicht invertierenden Eingang höher als die Spannung am invertierenden Eingang ausfällt. Genau gleich sind diese beiden Spannungen in realen Schaltkreisen nie. Ist die Differenz der Spannungen zwischen den beiden Eingängen gering, so sorgen schon kleinste Störungen (Rauschen) dafür, dass die Ausgangsspannung ständig unkontrolliert zwischen 0V und VSupply hin und her springt. Da wir hier lediglich die Verstärkung digitaler Signale betrachten, ist das am Eingang nur sehr kurzfristig beim Übergang von LOW auf HIGH oder umgekehrt von HIGH auf LOW der Fall und kann vernachlässigt werden.
Der klare Vorteil ist, dass die Schwellspannung, die vom Wert der Diode Z1 bestimmt wird, sehr klein gewählt werden kann, so dass auch die 3.3V des Raspberry Pi problemlos geeignet sind, die Verstärkerschaltung zu betreiben. Wird die Schaltung nur mit einer konstanten Versorgungsspannung betrieben so kann anstelle der Zenerdiode auch ein zweiter ohmscher Widerstand verwendet werden. Bei einer Versorgungsspannung von 12V ist die resultierende Schwellspannung von 1.6V mit Widerständen von 10kΩ (R1) und 1.5kΩ zu erreichen.
Zenerdiode Nummer 2 und Freilaufdiode D1 dienen dem Schutz des N-Kanal MOSFET vor Überspannungen, wie im Kapitel zum Schalten von N-Kanal MOSFETs genauer beschrieben.


Mögliche Bauteile für eine Versorgungsspannung von 10V bis 24V bei bis zu 30A (bei sehr guter Kühlung des MOSFETs):
Operationsverstärker: LM324N
MOSFET: z.B. IRLZ34N
Z1: 2V, 500mW
Z2: 10V, 500mW
D1: z.B. SR5100, 5A Dauerstrom, 150A Spitzenstrom
R1 und R2: 10kΩ, 0.25W

Operationsverstärker mit P-Kanal MOSFET
Abbildung 3:
In dieser Schaltung wird der Operationsverstärker als invertierender Vorverstärker und Pegelwandler verwendet. Ist der GPIO auf LOW-Signal (0V), so liegt die Spannung am nicht invertierenden Eingang ("+") über der am invertierenden Eingang ("-"), womit die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (fast) auf dem Wert der Versorgungsspannung liegt. Somit ist der P-Kanal MOSFET ausgeschaltet, wenn auch der GPIO ausgeschaltet (auf LOW-Signal) ist. Bei HIGH-Signal am GPIO liegt die Spannung am nicht invertierenden Eingang unterhalb derer am invertierenden Eingang, womit der Operationsverstärker am Ausgang auf (nahezu) 0V geht. Wie im Kapitel zum Schalten von P-Kanal MOSFETs nachzulesen, ist dieses Bauteil bei negativer Gate-Source Spannung eingeschaltet. HIGH-Signal am GPIO schaltet den Verbraucher ein.

Mögliche Bauteile für eine Versorgungsspannung von 10V bis 24V bei bis zu 19A (bei sehr guter Kühlung des MOSFETs):
Operationsverstärker: LM324N
MOSFET: z.B. IRF9540
Z1: 2V, 500mW
Z2: 10V, 500mW
D1: z.B. SR5100, 5A Dauerstrom, 150A Spitzenstrom
R1 und R2: 10kΩ, 0.25W

Operationsverstärker mit hohem Ausgangsstrom
Abbildung 4:
Operationsverstärker können auch direkt zum Schalten von Lasten verwendet werden. Das ist aber ein eher exotischer Einsatzzweck, weshalb die maximalen Ausgangsströme der verbreitetsten Modelle eher niedrig ausfallen und bisweilen im Datenblatt nicht einmal vermerkt sind. Der sehr günstige LM324N kann nur etwa 30mA schalten. Ströme von bis zu 3A an bis zu 60V verkraftet z.B. der OPA548, der allerdings deutlich teurer als ein LM324N inklusive N-Kanal MOSFET ist.

Mögliche Bauteile für eine Versorgungsspannung von 10V bis 48V bei bis zu 3A (bei sehr guter Kühlung des Operationsverstärkers):
Operationsverstärker: OPA548
Z1: 2V, 500mW
D1: z.B. SR5100, 5A Dauerstrom, 150A Spitzenstrom
R1: 10kΩ, 0.25W

Schaltsymbole Operationsverstärker
Abbildung 5:
In den Zeichnungen der internen Schaltkreise von ICs tauchen oftmals vereinfachte Darstellungen des Operationsverstärkers auf, der als invertierendes Bauteil oder als Pegelwandler verbaut ist.

Sink Current Treiber ICs

Sink Current Treiber ULN2803 und ULN2003
Abbildung 6:
Sollen mehrere Verbraucher im eher kleinen Leistungsbereich angesteuert werden, so ist der Einsatz von Treiber ICs mit mehreren Ein- und Ausgängen oft günstiger in der Anschaffung und schneller im Aufbau als viele Kleinsignaltransistoren zu verlöten. Ein gutes Beispiel hierfür ist der ULN2803A, der insgesamt 8 Kanäle mit je bis zu 500mA an einer Versorgungsspannung von bis zu 50V schalten kann. Über 7 Kanäle pro Chip verfügt der ULN2003.

ULN2803A Verstärkerstufe mit Darlington-Transistor
Abbildung 7:
Ein einzelner Kanal besteht dabei aus einem Paar von NPN Transistoren, die in der sogenannten Darlington Konfiguration verschaltet sind. Intern verbaut sind ebenfalls ein 2.7kΩ Reihenwiderstand zur Begrenzung des Basisstromes, Pull-Down Widerstände an den Eingängen und eine Schutzdiode (D1) an den Ausgängen. D2 - D4 sind sogenannte parasitäre Dioden, also P/N-Übergänge innerhalb der Transistoren, die wie Dioden wirken.

ULN2803A interne Logik und Pinbelegung
Abbildung 8:
Die zu schaltenden Verbraucher werden zwischen die positive Versorgungsspannung (VSupply) und die Ausgänge des Chips geschaltet. Der (technische) Strom fließt also von der Spannungsquelle über den Verbraucher in den IC. Dieser wirkt als Stromsenke (engl.: current sink), daher die Bezeichnung Sink Current Treiber. Der IC ist für 5V Logikspannung ausgelegt, wobei ein Strom von etwa 2mA bei Anliegen des HIGH-Pegels in die Eingänge fließt. Außer dem IC werden keine weiteren Bauteile benötigt, um bis zu 8 Verbraucher zu schalten.
In dem Ersatzschaltbild des Chips sind invertierende Operationsverstärker abgebildet. Bei Anliegen eines LOW-Signals am Eingang, liegt also die Versorgungsspannung am entsprechenden Ausgang an. Da der Verbraucher zwischen positiver Versorgungsspannung und dem Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, liegt dann an beiden Punkten die positive Versorgungsspannung an und es fließt kein Strom. Bei anliegen von HIGH am Eingang liegt am Ausgang des Operationsverstärkers 0V und somit zwischen den Anschlüssen des Verbrauchers die gesamte Versorgungsspannung an. Bei Anliegen des HIGH-Signals am Eingang ist der betreffende Ausgang des ICs auf 0V geschaltet, was den Verbraucher einschaltet.

Source Current Treiber ICs

Interne Verschaltung Source Current Treiber UDN2981A
Abbildung 9:
Der UDN2981A ist ein 8-Kanal Source Current Treiber IC. Dabei besteht ein einzelner Kanal im Kern ebenfalls aus einem Paar NPN-Transistoren in Darlington-Schaltung, die durch einen PNP-Transistor geschaltet werden. Diode D1 ist als Freilaufdiode integriert, der IC ist also zum Schalten induktiver Lasten geeignet. Diode D2 ist eine "parasitäre Diode".

Interne Logik und Pinbelegung Source Current Treiber UDN2981A
Abbildung 10:
Die zu schaltenden Verbraucher werden zwischen Masse (Ground, GND) und die Ausgänge des Chips geschaltet. Der (technische) Strom fließt also aus dem IC über die Verbraucher hin zur Masse. Der IC wirkt als Stromquelle (engl.: current source), daher die Bezeichnung Source Current Treiber. Wie beim P-Kanal MOSFET wird der aus dem Chip fließende Strom mit negativem Vorzeichen im Datenblatt vermerkt. Der IC ist für 5V Logikspannung ausgelegt, wobei ein Strom von unter einem Milliampere bei Anliegen des HIGH-Pegels in die Eingänge fließt. Außer dem IC werden keine weiteren Bauteile benötigt, um bis zu 8 Verbraucher zu schalten.
In dem Ersatzschaltbild des Chips sind nicht invertierende Operationsverstärker abgebildet. Bei Anliegen eines LOW-Signals am Eingang liegen auch am entsprechenden Ausgang 0V an. Da der Verbraucher zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und Masse angeschlossen ist, liegt an diesem keine Spannung an und es fließt kein Strom. Bei Anliegen von HIGH am Eingang liegt am Ausgang des Operationsverstärkers die Versorgungsspannung an, womit der Verbraucher eingeschaltet wird.

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Wenn ihr weitere MOSFETs, die sich gut zur Verstärkung von 5V oder 3.3V GPIOs eignen oder günstige Leistungsdioden kennt, hinterlasst bitte einen Kommentar auf dieser Seite.

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Zum Schutz vor Überspannungen am Gate. 500mW sind ausreichend.




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