Es soll ein Rechteckgenerator mit einem OP entworfen werden. In der Fachliteratur gibt es viele Beispiele, jedoch haben diese Beispiele meist zwei Betriebsspannungen, z.B. + 12V und +12V.
Unser Beispiel hat aber nur eine Betriebsspannung: Ub= +5V und Masse GND
Nun, wie immer auf dieser Seite meinen Lösungsweg:
Denkmodell: Hinweis: Eingangsströme OP sind praktisch 0A
1. Wir schalten gerade die Schaltung an Betriebsspannung, somit alles 0Volt.
2. Wie sind bei diesem Zustand die Spannungen am + und – Eingang?
– Eingang 0Volt -> Kondensator ist entladen.
+ Eingang: R2 und R3 an 0 V und somit parallel. R1 und R2//R3 in Reihe. Somit fallen an R2//R3
1/3 von 5V ab. Der + Eingang hat somit 1,33V
3. Nun kann man eindeutig sagen, auf welche Spannung sich Ua einstellt:
+Eingang hat +1,33V, – Eingang 0V -> somit Ua geht auf +Betriebsspannung = +5V.
Dadurch liegt nun R3//R1 -> +Eingang hat somit 2,66V.
4. Der Kondensator wird nun über R4 aufgeladen, bis Uc =2,66V -> Ue am -Eingang. Nun kippt
Ua von +5V auf 0V, weil ja -Ue_ein etwas größer als +Ue_ein war.
Somit fällt +Ue_ein wieder auf 1,33V, der Kondensator entlädt sich.
5. Nun geht das Spiel von vorne los! Wir haben einen Rechteckgenerator mit wenig Aufwand.
Haben Sie was gemerkt? Sie brauchen nur das Verständnis für die Funktion des OPs und das ohmsche Gesetz. Dann können Sie diese Schaltung verstehen, berechnen und nach ihren Vorstellungen dimensionieren!
Schaltungsaufbau auf einem Steckbrett. Das IC ist ein LM324 mit 4 OPs, davon wird nur einer verwendet:
Hier die Simulation mit Multisim:
Nun stellt sich die Frage, wie schnell schwingt der Generator?
Laut Simulation ist die Periodendauer 2,2 sec
Hier die Schaltung auf einem Steckbrett:
Hier schon mal die Messung, jedoch ist hier der Kondensator statt 10 µF nun 47 nF
Tau somit 7,05 msec :
Man erkennt, die Periodendauer ist etwa 8,5 msec, Die Pulsdauer ca. 5,5 msec
Es handelt sich hier um einen realen OP, da wissen wir ja schon, Ua erreicht weder die positive noch die negative Versorgungsspannung Ub, hier Ub +5V und 0V. Ua vom OP ändert sich von +0,7V auf +3,7V.
Hier die Messung der Spannung Uc:
Aufgaben:
– Die Periodendauer berechnen mit der Lade- und Entladekurve vom Kondensator.
– Die Schaltschellen auf +1V und +3V festlegen durch geeignete Wahl von R1,R2,R3.
Lösungshilfe, Einen Widerstand müssen sie von 1k Ohm auf 2 k Ohm verändern.
Lösungsweg nochmals handschriftlich:
Wie oben schon erwähnt, erreicht der OP am Ausgang nicht die Spannung der Versorgungsspannungen. Deshalb ist die genaue Berechnung der Schwellspannungen deutlich schwieriger.
Hier die Darstellung der Berechnung mit dem kirchhoffschen Gesetz und der Maschenregel: