Bitte beachte die Copyrighthinweise.

La10-ww3

Komperatoren

1 Aufgabenstellung

· Entwurf, Dimensionierung und Aufbau einer Komperatorschaltung für vorgegebene Schaltschwellen

· Berechnung und Aufbau einer vorgegebenen Komperatorschaltung

· Messung der Schaltschwellen, Einfluss des Innenwiderstands der Signalquelle, der Betriebsspannung, des Lastwiderstands und der Frequenz.

2 Allgemeines

Die Schaltungen wurden auf einer Lötleiste aufgebaut, als Operationsverstärker wurde ein Typ mA741CP verwendet.

Alle Masseverbindungen wurden an einem zentralen Punkt angeschlossen, um Spannungs-abfälle zu vermeiden. Als Dioden wurden 1N4148-Typen eingesetzt (Gleichrichterdioden wie 1N400x wären zu langsam).

Die Aussteuerungsgrenzen betrugen bei allen Messungen (ausg. mit Last): U_Alim+ = 14,25V
U_Alim = -12,5V.

Sie wurden mit dem Multimeter P2 gemessen (Eingangssignal mit Gleichanteil, sodass die jeweils andere Schaltschwelle nicht mehr erreicht wurde und kein Umschalten stattfand).

Betriebsspannung U_B = ±15V (genau +15,2/-15,5V), ausg. letzte Messung.

3 Schaltung ¬ (Eigenentwurf)

3.1 Signaldiagramm, Schaltung

vorgegebenes Signaldiagramm

Folgendes Signaldiagramm soll mittels einer Schaltung realisiert werden:

Die -1V Schwelle soll möglichst genau eingehalten werden.

Aufgrund der Signalstruktur muss es sich um eine nicht invertierende Komperatorschaltung mit folgendermaßen eingebauter Diode handeln:

Die berechneten Werte wurden bereits eingetragen, die U_B - Abblockkondensatoren wurden extra eingezeichnet.

3.2 Dimensionierung

3.3 Messungen

Als Eingangsspannung wurde ein Dreieck mit ±5V verwendet (leichte Ablesbarkeit; nicht zu groß wegen Operationsverstärker-Sättigung, aber über Schaltschwellen).

Es wurden folgende Werte der Schaltschwellen mithilfe des Oszilloskops gemessen:

Der Innenwiderstand der Signalquelle (Frequenzgenerator 50/600W) zeigte keinen erkennbaren Einfluss.

Das Potential am neg. Eingang des Operationsverstärkers betrug u_e- = -1,054V (mit Multimeter P2 gemessen, mit Oszilloskop auf Zeitkonstanz überprüft).

Signaldiagramm Eigenentwicklung

Signaldiagramm bei 1kHz:

4 Schaltung ― (vorgegeben)

4.1 Schaltung

Folgende Schaltung mit allen Bauteilwerten (ausg. R_L) war vorgegeben (die Überspannungs-Schutzdioden waren mit 4,7V gegeben, mussten aufgrund der berechneten Schaltschwellen jedoch durch 11V - Dioden ersetzt werden):

4.2 Berechnung

Der Lastwiderstand wurde durch eine Stromquelle für die Berechnung ersetzt.

4.3 Messungen

Als Eingangsspannung wurde ein Dreieck mit ±12V verwendet (über Spannung der Schutzdioden).

Der Innenwiderstand der Signalquelle (Frequenzgenerator 50/600W) zeigte keinen erkennbaren Einfluss.

Es wurden folgende Werte der SLEW-Rate gemessen(U_B ±15V, ohne R_L)

Es wurden folgende Werte der Schaltschwellen mithilfe des Oszilloskops gemessen:

Signaldiagramm bei 100Hz:

Signaldiagramm vorgegebene Schaltung

5 Interpretation der Messergebnisse

5.1 Schaltung ¬ (Eigenentwurf)

Anhand des aufgenommenen Signaldiagramms kann man erkennen, dass die richtige Schaltung gewählt wurde.

Die Schaltschwelle u_eschä stimmte mit der Berechnung sehr genau überein (-1,0V) ,da sie praktisch nur von U_B und dem Spannungsteiler R₃/R₄ abhängt und somit ohne Kenntnis von bauteilabhängigen Werten wie U_Alim oder u_D dimensioniert werden konnte.

Ebenso stimmt das Potential am Minuseingang des Operationsverstärkers u_e- (-1,054 statt theoretisch -1,009V bzw. mit dem realen U_B statt 1,043V).

Der theoretisch berechnete Wert u_eschæ (-2,043V) stimmt mit dem gemessenen (-2,4V bei 100Hz) nicht überein. Verwendet man jedoch die tatsächlichen Werte von U_Alim und u_D bei der Berechnung, so kann man bis auf eine geringe Toleranz (-2,29V statt -2,4) diesen Wert erreichen. Addiert man noch die Ungenauigkeit von u_e-, erhält man immerhin bereits -2,29V - 0,05V = -2,36V.

Da diese Werte (U_Alim etc.) jedoch erst bei der aufgebauten Schaltung gemessen werden können, ist eine exakte Aussage über den tatsächlichen Wert der Schaltschwelle vorher nicht möglich.

Die Schaltschwellen hängen außerdem sehr stark von der Frequenz ab. Bei 100Hz stimmen die berechneten Werte noch sehr gut, darüber treten bereits starke Abweichungen auf, besonders bei u_eschæ, welches durch den Operationsverstärker mit U_Alim und durch die Diode beeinflusst wird.

Der nutzbare Frequenzbereich wird nach oben hin einerseits durch die SLEW-Rate (wenn der Ausgang nicht mehr U_Alim erreicht, stimmt u_eschæ natürlich nicht mehr) und andererseits dadurch bestimmt, dass der Operationsverstärker langsamer wird, da er bis in die Sättigung ausgesteuert wird. Der Einfluss der 1N4148er-Diode dürfte nicht so stark sein, da es sich um ein schnelle Diode handelt.

Die Schaltschwelle u_eschä ist hierbei logischerweise nicht so stark frequenzabhängig, da sie (fast) unabhängig vom Operationsverstärker (U_Alim etc.) ist.

5.2 Schaltung ― (vorgegeben)

Die beiden Schutzdioden eingangsseitig erfüllen ihre Aufgabe wie erwartet und schneiden das Eingangssignal bei ca. 11V ab. Somit wird eine starke Übersteuerung bzw. Zerstörung des Operationsverstärkers verhindert.

Die SLEW-Rate stimmt fast genau mit der Datenblattangabe überein (0,51 bzw. 0,58 statt 0,5 V/ms)

Beide Schaltschwellen hängen von U_Alim (bzw. auch von u_D) ab, für sie gilt dasselbe wie bei der ersten Schaltung für u_eschæ. Die Berechnung stimmt gut mit der Messung überein, falls man die tatsächlichen Werte für U_Alim einsetzt. Lediglich u_eschä stimmt nicht (-10,8 statt -9,33V). Ein Grund dafür ist nicht erkennbar.

Bei Belastung ändern sich die Schaltschwellen vor allem dadurch, dass sich U_Alim

ändert.

Für den praktischen Einsatz  falls genaue Triggerschwellen gefordert sind  eignen sich somit nur Schaltungen, bei denen zumindest eine Schaltschwelle unabhängig von den Operationsverstärker- bzw. Dioden-Daten ist. Außerdem sollte U_B sehr genau eingehalten werden, falls eine Lösung wie bei der ersten Schaltung verwendet wird (Spannungsteiler).

1 Da der Operationsverstärker am Ausgang U_Alim nicht mehr erreichte, war die Schaltschwelle stark verschoben und konnte nicht mehr sinnvoll gemessen werden.

Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Österreich Lizenz.
[http://www.FLR.at/]
Letztes Update vom 25. Jul. 1999 von Florian Rosenauer