OPV: Schaltung mit einem Rechtecksignal?
Hallo zusammen,
könnt ihr mir bitte helfen!
Ich bin Physikerin und muss eine Prüfung in "Elektronik" ablegen. Hier ist mein Problem:
Die nachfolgend abgebildete Schaltung wird mit einem Rechtecksignal Ue
(siehe Diagramm) gespeist. Welche Ausgangsspannung Ua stellt sich nach
Ablauf von 10ms ein? Skizziere den Verlauf von Ua und Kondensatorstrom
im untenstehenden Diagramm.
Anfangsbedingung: Kondensator C1 ist entladen
Vielen Dank
Andrea
du bist neu hier? Bitte keine Fragen doppelt einstellen.
ja, sorry, ich habe die falsche Frage gepostet, sorry!
ok, man kann Fragen meist auch bearbeiten/ändern.
Da hast du recht, aber ich bin noch nicht so bewandert hier. Es wird nicht mehr vorkommen!!
6 Antworten
Normalerweise würde man sowas heutzutage einfach einem Simulator füttern, und er spuckt die Kurvenform aus.
Oder man hat ein Labor und misst es selber und zeigt es am Oszilloskop.
Aber ich nehme an, hier ginge es um das prinzipielle Verständnis.
In der Physik muss man Elementarteilchen erkennen.
In der Elekronik manchmal auch; hier sind es Grundschaltungen.
- Der rote Teil ist so eine Grundschaltung: ein sogenannt nicht-invertierender Verstärker. Die Antworten dazu hast du ja schon in der andern Frage.
Der verstärkt das Signal also grundsätzlich mal gemäss den beiden Widerständen, hier um Faktor 1+R2/R3.
- Nun ist aber am Eingang noch ein R-C-Glied, welches das Rechtecksignal zu einem Auf- und Entladesignal macht, also "verfälscht".
- Schwierigkeit ist, dass das Tastverhältnis der Signals nicht 1:1 ist, sondern 3:2. D.h. die Aufladezeit ist länger als die Entladezeit.
- Und genau genommen muss man noch voraussetzen, dass Ub (die Eingangsspannung) eine ideale Spannungsquelle mit Innenwiderstand null ist. Sonst würde sich der Kondensator gar nirgends hin entladen können.
- Dann muss man die Frequenz bzw. die Ein- und Ausschaltzeit des Eingangssignals und die Zeitkonstante des RC-Glieds betrachten, um ungefähr zu einem Signalverlauf zu kommen. Die Zeitkonstante ist hier 220us.
- Da nach 5 Zeitkonstanten ein Kondensator als geladen bzw. entladen gilt, und die Lade- und Entladezeiten viel länger sind als die Zeitkonstante, ist das Signal also fähig, den Kondensator in jedem Umgang voll zu laden und voll zu entladen.
- Und somit ist das Bild qualitativ ungefähr so wie das schwarze Bild in der Antwort von GFrageNFrage
Danke für so beeindruckende Antwort. Wie du richtig erkannt hast, geht es mir nur um das Verständnis. Ich will wissen,was in einem Kondensator, einer Spule, etc passiert, wie ich es in Quantenmechanik mit den Wellenfunktionen, in Teilchenphysik mit den Elementarteilchen etc gemacht habe. Vielen Dank nochmals.
Es stellt sich ein Signal mit gleicher Phasenlage ein, dass verschliffene Kanten hat... bedingt durch den Kondensator. Der OP würde Dein Eingangssignal 1:1 weitergeben; aber nachdem sich bei jeder Flanke der Kondensator erst laden muß, hast Du hier im Anstiegsbereich eine verschliffene Ecke. Im Ausgangsbereich hingegen fällt zwar Dein Signal, aber der Kondensator hält es, während er sich entlädt, oben auf der Ecke von H zu L noch etwas aufrecht... und verschleift auch diese Ecke. Du siehst also immer im Flankenwechsel die Kurve des Kondensators mit dabei.
Ist echt ein wenig schwieriger. (So als Unstudierter...)
Tastgrad von Eingangs-Rechteckspannung = 60%,
OpAmp als nichtinvertierender Verstärkung mit V=1+(R2/R3)=1+(15k/30k)=1,5
Kondensator C1 ist da erst Mal vernachlässigbar, da er sich zu dem Zeitpunkt bereits vo aufgeladen hat, vernachlässigbar.
Nach 10ms sollte sich eine Ausgangsspannung von 15V einstellen, bevor sie wieder auf etwa 0V abfällt.
Der Verlauf von Ua sieht fast genauso aus wie Ue, mit dem Unterschied, dass das Signal um den Faktor 1,5 vergrößert wurde und ab den Schaltflanken (sowohl steigend als auch fallend) jeweils sich erst der Kondensator auf- bzw. entlädt - diese Ladeflanke ist natürlich auch auf dem Ausgangssignal sichtbar.
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Ich hoffe, meine Annahmen sind soweit richtig...
Das ist aber sehr nett. Leider hatte ich mit Elektronik in meiner Uni-Ausbildung nichts zu tun, leider. Danke nochmals für deine wertvolle Hilfe.
Kein Problem. Damit hab ich mein Wissen nochmal reaktiviert und vertieft...
Hallo Andrea,
noch eine allgemeine Antwort von mir, da es bei Dir primär um das Verständnis geht.
Das Ausgangssignal am OPV sieht natürlich von der Form her genauso aus wie das Signal über dem Kondensator - nur eben verstärkt um den Faktor 1,5.
Da Dich (bisher) nur die ersten 10 millisekunden interessieren (im Prinzip ja nur die erste Rechteckperiode) sind die Dir gegebenen Antworten (mit Skizze) im Prinzip korrekt bzw. erst mal ausreichend genau.
Aber für das Verständnis ist es vielleicht wichtig zu wissen, dass nach ausreichend langer Zeit am Ausgang eine Gleichspannung steht, um welche die exponentiellen Anstiegs- und Abfall-Flanken schwanken. Das liegt daran, dass die Rechteckfunktion nur positive Werte hat, die einen Gleichspannungs-Mittelwert haben, auf den sich der Kondensator (langsam, auch per e-Funktion) auflädt. Und dieser Mittelwert (etwas oberhalb von 5V wegen des Tastverhältnisses) steht dann mit dem Faktor 1,5 am OPV-Ausgang. Und die Anstiegs- und Abfall-Flanken pendeln um den herum.
Das ist doch weiter nichts als die Berechnung eines einfachen RC-Tiefpasses - mit anschließender Verstärkung.
Edit: Bild/Skizze zu Ua-Signalverlauf hinzugefügt.