Operationsverstärker LM358P, 2-Kanal, DIP-8, 3-24V

Der LM358P ist ein integrierter Schaltkreis mit zwei unabhängigen Operationsverstärkern im DIP-8-Gehäuse, der aus einer einzigen Spannung versorgt wird und dessen Eingänge bis zur Masse nutzbar sind. Er wird in Schwellwertkomparatoren, Kleinsignalverstärkern, Spannungsfolgern, aktiven Filtern und Signalaufbereitungsschaltungen für Sensoren eingesetzt.

In diesem Tutorial verwenden wir nur den Schaltkreis und eine 9-V-Batterie, ohne Entwicklungsboard und ohne Programm. Wir bauen einen Spannungskomparator mit einstellbarer Schwelle und eine LED als Anzeige.

So funktioniert es:

Ein Operationsverstärker hat einen nichtinvertierenden Eingang (mit Plus markiert), einen invertierenden Eingang (mit Minus markiert) und einen Ausgang. Seine Verstärkung im offenen Regelkreis beträgt etwa 100 dB, also rund 100000-fach. Deshalb springt der Ausgang ohne Gegenkopplung schon bei einer Differenz von wenigen Millivolt zwischen den Eingängen an eine der Grenzen. Ist die Spannung am Plus-Eingang größer als am Minus-Eingang, steigt der Ausgang zur oberen Grenze. Ist die Spannung am Plus-Eingang kleiner, sinkt der Ausgang zur Masse. So arbeitet ein Komparator.

Die Referenzspannung entsteht an einem Spannungsteiler aus zwei gleichen Widerständen R1 und R2 zu je 10 kΩ, die zwischen +9 V und Masse liegen. Die Formel des Teilers lautet Uref = 9 V x R2 / (R1 + R2) = 9 V x 10 kΩ / 20 kΩ = 4.5 V. Diese Spannung gelangt an Pin 2 des Schaltkreises, also an den Eingang 1IN-.

Die zu vergleichende Spannung kommt vom Schleifer des 10-kΩ-Trimmers, der an Pin 3 angeschlossen ist, also an den Eingang 1IN+. Die Enden des Trimmers liegen an +9 V und an Masse, daher kann der Schleifer jede Spannung zwischen 0 V und 9 V liefern. Die Eingänge des Schaltkreises müssen mindestens 1.5 V unter der Versorgungsspannung bleiben, deshalb werden sie bei 9 V zwischen 0 und etwa 7.5 V gehalten. Die Referenz von 4.5 V liegt innerhalb dieser Grenze.

Die LED hat die Anode an +9 V, und die Kathode führt über einen Widerstand R3 von 1 kΩ zum Ausgang 1OUT (Pin 1). Wenn der Ausgang tief liegt, fließt durch die LED ein Strom von etwa 6 mA, berechnet aus (9 V - 1.8 V - ca. 1 V) / 1 kΩ, und die LED leuchtet. Wenn der Ausgang hoch liegt, erreicht er nur etwa VCC - 1.5 V, also rund 7.5 V, und die LED bleibt aus oder leuchtet sehr schwach. Daraus folgt, dass die LED leuchtet, wenn der Schleifer unter 4.5 V liegt, und erlischt, wenn der Schleifer über 4.5 V liegt.

Der zweite Verstärker im Gehäuse wird nicht verwendet. Wir schalten ihn als Spannungsfolger, mit dem Ausgang 2OUT (Pin 7) am Eingang 2IN- (Pin 6) und dem Eingang 2IN+ (Pin 5) an Masse. So bleiben seine Eingänge nicht offen, und der ungenutzte Teil schwingt nicht und bringt kein Rauschen in die Versorgung.

Anschluss:

Versorgen Sie die Schaltung mit einer 9-V-Batterie 6LR61 mit Clip. In diesem Aufbau gibt es keine logischen Pegel, da der Ausgang die LED direkt ansteuert. Betrachten Sie das DIP-8-Gehäuse von oben, mit der Kerbe oben. Die Pins 1 - 4 befinden sich links, von oben nach unten, und die Pins 5 - 8 rechts, von unten nach oben. Der Kondensator C1 von 100 nF, mit der Aufschrift 104, wird zwischen +9 V und Masse angeschlossen, möglichst nahe an den Pins 8 und 4. Verwenden Sie rotes Kabel für +9 V, schwarzes Kabel für Masse und unterschiedliche Farben für die Signalleitungen.

Prüfen Sie die Polung der Batterie, bevor Sie sie anschließen. Legen Sie keine Spannungen an die Eingänge an, die größer sind als die Versorgungsspannung, und vertauschen Sie die Versorgung nicht, da der Schaltkreis dabei beschädigt werden kann. Die Betriebsspannung des Schaltkreises beträgt 3 - 24 V, und die 9-V-Batterie liegt in diesem Bereich.

Tasten, Einstellungen und Anzeigen:

Die Schaltung hat keine Tasten, Jumper oder Schalter. Sie hat eine Einstellung, den Trimmer von 10 kΩ, und eine Anzeige, die rote LED mit 5 mm.

Schritt 1: Bringen Sie den Schleifer des Trimmers in die Mittelstellung, schließen Sie dann die Batterie an und beobachten Sie die LED.

Schritt 2: Drehen Sie den Trimmer langsam zum Ende an +9 V, bis die LED erlischt, und drehen Sie ihn dann zurück, bis die LED wieder leuchtet. Der Punkt, an dem die LED umschaltet, entspricht einer Spannung von etwa 4.5 V an Pin 3.

Schritt 3: Um die Einstellung in Zahlen zu sehen, messen Sie mit einem Multimeter die Spannung zwischen Pin 3 und Masse, während Sie den Trimmer drehen. Die LED schaltet um etwa 4.5 V um, also genau bei der Spannung an Pin 2. Wenn Sie auch Pin 2 messen, sollten Sie etwa 4.5 V finden, was zeigt, dass der Teiler aus R1 und R2 richtig arbeitet.

Die LED ist die Betriebsanzeige. Wenn sie hell leuchtet, liegt der Ausgang 1OUT tief. Wenn sie aus ist, liegt der Ausgang hoch. Wenn sie im ausgeschalteten Zustand noch sehr schwach leuchtet, ist das ein normaler Effekt, da der Ausgang nur bis etwa VCC - 1.5 V steigt.

Konfiguration:

Die Schaltung hat keinen Speicher und speichert keine Einstellungen. Die einzigen Parameter sind die Schaltschwelle, die durch den Teiler aus R1 und R2 festgelegt wird, und die zu vergleichende Spannung, die durch die Stellung des Trimmers gegeben ist. Bei jedem Einschalten arbeitet die Schaltung mit den Werten, die durch die eingebauten Bauteile vorgegeben sind.

Um die Schwelle zu ändern, verändern Sie die Widerstände des Teilers nach der Formel Uref = 9 V x R2 / (R1 + R2). Zum Beispiel ergeben R1 = 10 kΩ und R2 = 20 kΩ 6 V. Halten Sie die Schwelle unter etwa 7.5 V, sonst verlässt der Eingang den Arbeitsbereich des Schaltkreises.

Anwendungsbeispiel:

Anwendung: Spannungsschwellenanzeige mit LED. Wir behalten R1 = R2 = 10 kΩ bei, die Schwelle beträgt also 4.5 V, und der Trimmer simuliert das zu messende Signal.

Schließen Sie die 9-V-Batterie und ein Multimeter zwischen Pin 3 und Masse an. Drehen Sie den Trimmer, bis das Multimeter etwa 3 V anzeigt. Die LED muss leuchten.

Drehen Sie den Trimmer dann zum Ende an +9 V, bis das Multimeter etwa 6 V anzeigt. Die LED muss erlöschen.

Drehen Sie langsam zurück auf 4.5 V. Die LED schaltet um diesen Wert herum um, was zeigt, dass die Schaltung als Komparator mit fester Schwelle arbeitet. Für eine reale Anwendung ersetzen Sie den Trimmer durch einen Teiler oder durch einen Sensor, der eine Spannung zwischen 0 und 7.5 V liefert.

Häufige Probleme:

Die LED leuchtet nie. Eine übliche Ursache ist eine falsch eingesetzte LED oder eine falsche Nummerierung der Pins. Prüfen Sie, dass die Anode an +9 V liegt und dass Pin 1 der Pin neben der Kerbe ist. Messen Sie dann die Spannung an Pin 3 und bringen Sie sie unter 4.5 V.

Die LED bleibt immer aus. Der Schleifer des Trimmers ist möglicherweise falsch angeschlossen, oder die Enden des Trimmers sind gegenüber Ihrer Annahme vertauscht. Messen Sie die Spannung an Pin 3 und prüfen Sie, dass sie beim Drehen des Trimmers zwischen 0 und 9 V schwankt.

Die LED leuchtet schwach, wenn sie aus sein sollte. Das ist ein normales Verhalten, da der Ausgang nur bis etwa VCC - 1.5 V steigt und eine kleine Spannung an der LED übrig lässt.

Die LED flackert um die Schwelle herum. Der Komparator hat keine Hysterese, und Rauschen am Eingang kann den Ausgang mehrmals umschalten. Drehen Sie den Trimmer langsamer, prüfen Sie den Kondensator C1 von 100 nF neben den Pins 8 und 4 und fügen Sie bei Bedarf einen Gegenkopplungswiderstand zwischen Ausgang und nichtinvertierendem Eingang ein.

Die Schaltung zeigt kein Lebenszeichen oder wird warm. Prüfen Sie die Polung der Batterie und dass Pin 8 an +9 V liegt und Pin 4 an Masse. Eine verpolte Versorgung kann den Schaltkreis beschädigen.

Grenzen und Tipps:

Der LM358P arbeitet mit einer Versorgung von 3 - 24 V und im Temperaturbereich 0 - 70 C. Der Ausgang erreicht die Versorgungsspannung nicht, sondern bleibt etwa 1.5 V darunter, und die Eingänge müssen mindestens 1.5 V unter VCC bleiben. Die Bandbreite beträgt 0.7 MHz, daher eignet sich der Schaltkreis für langsame Signale, nicht für schnelle Signale.

Der Ausgangsstrom liegt in der Größenordnung von 20 mA, ausreichend für eine LED oder die Ansteuerung einer Leistungsstufe, aber nicht für große Lasten. Offene Eingänge des ungenutzten Kanals können Schwingungen erzeugen, deshalb schalten wir ihn als Spannungsfolger.

Mit derselben Schaltung können Sie weiterhin einen Komparator mit Hysterese, einen nichtinvertierenden Verstärker für einen Sensor, einen Spannungsfolger oder ein aktives Filter erster und zweiter Ordnung aufbauen.