Neben der geringen Bandbreite von Standard-OPs stellt die endliche Eingangsimpedanz in der Praxis eine weitere Einschränkung dar. So weisen die bekannten Typen wie der 741 oder 324 Eingangswiderstände (genauer Eingangsimpedanzen) von nur wenigen Megaohm auf. Dies kann zu sogenannten BIAS-Strömen in nicht zu vernachlässigenden Größenordnungen führen. Bei OPs mit FET-Eingangsstufen wie z. B. dem weit verbreiteten TL081 erreicht man dagegen Eingangsimpedanzen von 1012 Ohm, in Worten: 1000 Gigaohm oder 1 Teraohm!
Besonders von Vorteil sind die Eigenschaften von FET-OPs bei folgenden Anwendungen:
Als Beispiel für eine praktische Anwendung wollen wir uns einen einfachen Sensordimmer ansehen. Er besteht nur aus einem Spannungsfolger der über einen Kondensator gesteuert wird. Der Kondensator kann über zwei Sensortasten geladen bzw. entladen werden. Der 4,7-MOhm-Widerstand dient zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen.
Einen möglichen Aufbau zeigen die beiden folgenden Bilder. Oben die Gesamtschaltung, unten die Sensortaster im Detail. Für die Sensortasten wurden hier einfach zwei abisolierte Drähte verwendet.
Noch ein Hinweis zu den Aufbauphotos: die beiden äußeren Spannungsschienen liegen auf positiver bzw. negativer Betriebsspannung (+/- 9V). Die beiden inneren liegen (trotz der aufgedruckten + und - -Zeichen) auf Massepotential.
Wir werden feststellen, dass sich ein einmal eingestellter Spannungszustand am Kondensator nur sehr langsam ändert. Eine Folge der extrem geringen Bias-Ströme des FET-OPs. Wenn wir nun einen pin-kompatiblen 741 in die Schaltung einsetzen, werden wir staunen wie schnell sich jetzt die Ausgangsspannung ohne unser zutun ändert. Durch die nun deutlich erhöhten Bias-Ströme ändert sich der Ladungszustand des Kondensators laufend, auch ohne Berührung der Sensortasten. Ein über Minuten oder sogar Stunden stabiler Zustand wie er sich bei Verwendung des TL081 ergibt, ist nun nicht mehr erreichbar.
Praktisch anwenden könnten wird die Schaltung z. B. folgendermaßen: Das fertige Gerät wird an der Einganstür zu unserem Chef montiert. Wenn wir nach einem Gespräch mit ihm das Zimmer verlassen, so berühren wir einfach eine der beiden Sensortasten, bis die gewünschte LED leuchtet (grün = gute Stimmung; rot = VORSICHT ! - je heller die LED desto intensiver die Stimmungslage). Nachfolgende Mitarbeiter wissen dann immer sofort was sie erwartet wenn sie zum Chef gerufen werden...
Leistungs-OPs: Etwas mehr Power gefällig ?
Während bei einem Standard-OP mit einer 20-mA-LED am Ausgang das Limit bereits erreicht ist kann ein Leistungstyp wie der L165 bis zu 150 LEDs erstrahlen lassen und steuern. Einen kleinen Eindruck für die entsprechende „POWER" gibt die folgende Abbildung obwohl darauf nur 39 LEDs leuchten.
Die eindrucksvolle „POWER" eines Leistungs-OPs ist hier nur zu 25 % genutzt!
Dass man auch problemlos eine 12 V / 18 W Lampe damit dimmen kann zeigen die nächsten beiden Abbildungen.
Um den OP wenigstens etwas zu fordern, wurde hier übrigens ein einfacher Spannungsfolger verwendet. Die zugehörige Schaltung entspricht praktisch dem Sensordimmer, nur dass die Sensortasten durch ein 10 kOhm-Poti ersetzt wurden und am Ausgang die Lampe anstelle der LEDs angeschlossen ist. Da der L165 leicht zum oszillieren neigt, sind u. U. Maßnahmen zur Stabilisierung bei geringen Verstärkungsfaktoren erforderlich (genaue Details können dem Datenblatt entnommen werden).
In der Praxis sollte man aber wegen des deutlich besseren Gesamtwirkungsgrads natürlich Pulsweitenmodulation einsetzen, auch wenn man noch genügend Leistungsreserve hat. Eine einfache Schaltung dazu wird nachfolgend vorgestellt.
Pulsweitenmodulation zur Steuerung höherer Leistungen
Die Methode mit einem Poti einen Spannungsfolger zu steuern hat einen gravierenden Nachteil: Ein großer Teil der Leistung die diese Schaltung aufnimmt wird nutzlos im OP „verbraten", d. h. in Wärme umgesetzt. Bei den recht geringen Leistungen die eine einzelne LED benötigt fällt das zwar nicht so ins Gewicht, aber bei Verbrauchern mit höheren Stromaufnahmen spielt das eine beträchtliche Rolle. Eine wesentlich bessere Lösung stellt daher das Verfahren der Pulsweitenmodulation dar. Das Prinzip ist einfach: Anstatt einen Gleichstrom zu steuern wird die Last einfache periodisch ein- und ausgeschaltet. Die Häufigkeit bzw. Frequenz des Schaltens kann dabei konstant bleiben, was geändert werden muss ist das sogenannte Taktverhältnis (s. Abb.). Hierdurch wir der Mittel- oder „Effektivwert" der Spannung verändert. Dadurch, dass die Endstufe im OP immer entweder voll durchgesteuert oder aber komplett ausgeschaltet ist, fällt in ihr nur eine sehr geringe Leistung ab: Im ausgeschalteten Zustand liegt zwar die gesamte Spannung an der Endstufe, aber es fließt kein Strom (I ~ 0) im eingeschalteten Zustand fällt im Idealfall keine Spannung über der Steuerstufe ab (U ~ 0). In beiden Fällen ist die Steuerstufe also wegen P = U - I ~ 0 praktisch leistungsfrei.
Die Funktionsweise der PWM können wir mit folgender Schaltung demonstrieren. Sie besteht im Prinzip aus einem einfachen astabilen Multivibrator, dessen Taktverhältnis jedoch über ein Poti verstellt werden kann.
Durch vergrößern von C kann die Oszillatorfrequenz so weit herunter gesetzt werden, dass das Schalten der Last sichtbar wird und wir können die unterschiedlichen Taktverhältnisse direkt erkennen. Prinzipiell funktionieren auch die bekannten Dimmer für unsere Zimmerlampen ähnlich, das Verfahren wird hier Phasenschnittsteuerung genannt.
Immer die richtige Leistung parat: PWM-Steuerung für Kleinmotoren
Neben rein ohmschen Lasten wie LEDs und Lampen können wir natürlich auch induktive Lasten steuern. Die PWM-Steuerung von Motoren hat neben den geringeren Energieverlusten zudem den Vorteil, dass in der Einschaltphase immer die volle Spannung anliegt und der Motor auch bei geringeren Drehzahlen ein hohes Drehmoment entwickelt.
Zu beachten ist hier natürlich, dass die induktiven Spannungsspitzen gedämpft werden sollten. Die Standardmethode hierzu ist die im Schaltbild dargestellte Parallelschaltung von Freilaufdioden zur Last. Bei Einsatz des L165 können dann schon recht brauchbare Leistungen von bis zu 30 W, bei entsprechender Kühlung und Optimierung auch etwas mehr gesteuert werden.
Anwendungen liegen natürlich in den Bereichen Robotik und Modellbau. Aber auch eine Kleinbohrmaschine lässt sich damit sehr feinfühlig regeln und eignet sich dann hervorragend zum bohren von Leiterplatten.
Erstaunlich ist, dass Leistungs-OPs relativ selten eingesetzt werden. Nicht nur im Hobby-Bereich wird oft einer Kombination aus Standard-OP und Einzelleistungstransistoren der Vorzug gegeben. Die ist u. U auch durch den relativ hohen Preis der Leistungs-OPs bedingt. Oft ist es allerdings so, dass die Gesamtkostenbilanz (Standard-OP + Leistungstransistoren) bei genauerem hinsehen deutlich zugunsten der Leistungs-OPs ausfällt. Wenn wir also bei unserem nächsten Projekt etwas mehr „Power" benötigen, so sollten wir Bausteine wie den L165 im Hinterkopf behalten.
Literatur: Lernpaket Elektronik mit ICs
