Der Operationsverstärker LM358 bietet viele Möglichkeiten für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen und verfügt über eine große Anzahl weiterer praktischer Vorteile. Dazu gehören vor allem der weite Versorgungsspannungsbereich, die Fähigkeit, in einfachen Single-Supply-Schaltungen zu funktionieren, der geringe Stromverbrauch, die große Bandbreite, der niedrige Ruhestrom und die eingebaute Frequenzkompensation, die einen stabilen Schaltungsbetrieb garantiert.
Beliebte Anwendungen für den LM358-Verstärker sind u.a. Messsignalwandler und elektro-akustische Verstärker. Der LM358-Chip ist sowohl bei Bastlern als auch bei Profis sehr beliebt. Die Version im SO8-Gehäuse ist für die Oberflächenmontage (SMD) vorgesehen.
Operationsverstärker LM358 – SMD – Hardware-Eigenschaften
Der LM358 IC ist ein dualer Operationsverstärker auf der Basis von Bipolartransistoren (BJTs). Die Konstruktion dieses Verstärkers ermöglicht sowohl eine symmetrische als auch eine einfache Stromversorgung, so dass er auch in einfacheren batteriebetriebenen Projekten verwendet werden kann. Der Stromversorgungsspannungsbereich liegt zwischen 3V und 30V, so dass der LM358-Chip mit modernen ARM-Prozessor-basierten Geräten zusammenarbeiten kann, die mit einer Standard-3,3V-Versorgung betrieben werden. Er kann aber auch symmetrisch mit ±15V versorgt werden, einer in Audioverstärkern üblichen Stromversorgung. Die eingebaute Frequenzkompensation erhöht die Stabilität des LM358-Chips. Dieser Verstärker kann in einer Vielzahl von Konfigurationen betrieben werden, die für Operationsverstärker typisch sind, z.B. als Spannungsfolger, als integrierende Schaltung, als Differenzierschaltung, als polyharmonischer Wellenformgenerator, als Frequenzfilter oder als Spannungskomparator.
Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung der LM358-Schaltung in einem SOIC8-Gehäuse für Oberflächenmontage (SMD).
Die Funktionen der einzelnen Schaltkreisleitungen gemäß Abb. 1 sind wie folgt:
- 1 – Ausgang Nr. 1
- 2 – Invertierender Eingang Nr. 1
- 3 – Nicht-invertierender Eingang Nr. 1
- 4 – Masse (GND) / Negative Versorgungsspannung (VEE)
- 5 – Nicht-invertierender Eingang Nr. 2
- 6 – Invertierender Eingang Nr. 2
- 7 – Ausgang Nr. 2
- 8 – Positive Versorgungsspannung (VCC)
LM358 Operationsverstärker als Spannungskomparator
Eine der beliebtesten und einfachsten Anwendungen für den Operationsverstärker LM358 ist seine Verwendung als Spannungskomparator. Der Zweck einer solchen Schaltung besteht darin, zwei an den Eingängen anliegende Spannungen zu vergleichen und je nachdem, welcher Eingang eine niedrigere und welcher eine höhere Spannung aufweist, einen logischen Low- oder High-Status auszugeben. Ein Beispielschaltbild des LM358 im Komparatormodus finden Sie in Abb. 2. In einer solchen Schaltung ist der Verstärker in Bezug auf die Masse unsymmetrisch. An seinem invertierenden Eingang ist eine Referenzspannungsquelle “VREF” angeschlossen, deren Wert gemäß der Beziehung (1.1) vom Wert der den Spannungsteiler bildenden Widerstände R1 und R2 abhängt.
Das Prinzip einer solchen Schaltung besteht darin, eine Spannung an den ‘VIN’-Eingang anzulegen, diese mit der ‘VREF’-Spannung zu vergleichen und einen entsprechenden logischen Zustand am ‘VOUT’-Ausgang auszugeben. Wenn die Spannung am ‘VIN’-Eingang geringer ist als die ‘VREF’-Spannung, wird am Ausgang des Komparators ein niedriger Zustand aufrechterhalten, d.h. eine Spannung mit einem Wert nahe der Versorgungsmasse. Wenn andererseits eine Spannung, die die Referenzspannung “VREF” übersteigt, an den “VIN”-Eingang angelegt wird, wird am “VOUT”-Ausgang des Verstärkers ein High-Zustand aufrechterhalten, d.h. eine Spannung mit einem Wert nahe der Versorgungserdspannung. eine Spannung mit einem Wert nahe der Versorgungsspannung “+VCC”. Beispiele für Anwendungen der LM358-Schaltung, die im Komparatormodus arbeitet, sind u.a. Thermostat, Spannungsregler für den Generatorausgang sowie Messinstrumente.
LM358 als Zeit-Wellenform-Generator
Operationsverstärker, einschließlich des LM358, können auch als Generatoren verwendet werden, d.h. als Schaltungen, die entsprechend geformte Spannungs-Zeit-Wellenformen erzeugen. Abb. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Beispielanwendung des LM358 als Generator für eine geregelte Dreieckswellenform.
Um eine solche Schaltung zu bauen, wurden zwei in einer einzigen LM358-Schaltung standardisierte Verstärker verwendet. Am Ausgang “TRI OUT” wird ein Dreiecksignal ausgegeben, dessen Frequenz geregelt wird und von der Einstellung des Potentiometers RV2 abhängt. Die Amplitude dieses Signals ist unabhängig von der Frequenzeinstellung konstant. Die Einstellung der Signalamplitude (durch Anpassung der Hysterese) erfolgt über das Potentiometer RV1.
Die Schaltung U1B ist ein Integrator, d.h. sie integriert die an seinen invertierenden Eingang angelegte Spannung und arbeitet als Sägezahnspannungsgenerator, während der Schaltkreis U1A als Schwellenwertdetektor mit Reset-Funktion arbeitet, der ähnlich wie ein Schmitt-Flipflop mit Hysterese funktioniert. Die Hysterese wird durch ein Potentiometer RV1 gesteuert, das sich zusammen mit dem Widerstand R1 in der Rückkopplungsschleife befindet.
Das Funktionsprinzip der Schaltung besteht darin, die Sättigungsspannung am Ausgang von U1A periodisch zu ändern und am Ausgang von U1B die positiven und negativen Flanken eines Dreieckssignals in einem sich wiederholenden, d.h. periodisch. Die Schwellenwertdetektorschaltung, die auf dem Verstärker U1A aufgebaut ist, ändert ihren Zustand am Ausgang in Abhängigkeit von der Spannung am Ausgang ‘TRI OUT’, die durch Rückkopplung über den Widerstand R3 an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers U1A angelegt wird. Die Frequenz des Signals am Ausgang des Integrators U1B hängt vom Widerstand R2, der Einstellung des Potentiometers RV2, der Kapazität des Kondensators C1 und den Höchst- und Mindestwerten der Sättigungsspannungen am nicht-invertierenden Eingang des Schwellenwertdetektors U1A ab. Andererseits wird die Amplitude des Signals am Ausgang des Integrators U1B aus dem Verhältnis des Widerstands von Widerstand R3 zur Summe des Widerstands von Widerstand R1 und der Widerstandseinstellung des Potentiometers RV1 berechnet, wobei die Werte der Sättigungsspannungen des Detektors U1A berücksichtigt werden. Die steigenden und fallenden Flanken, die eine dreieckige Wellenform bilden, haben die gleiche Dauer und Amplitude, wenn die Sättigungsspannungen in U1A in Bezug auf das Modul gleich sind. Der Signalpegel am ‘TRI OUT’-Ausgang kann in Bezug auf das Massepotential ausgeglichen werden, wenn am invertierenden Eingang des Schwellwertdetektors, der auf dem Verstärker U1A basiert, eine Kompensation der Unsymmetrie-Spannung vorgenommen wird. Die Schaltung zur Erzeugung des Dreieckssignals erfordert eine symmetrische Spannungsversorgung.
Ein solcher Wellenformgenerator kann als Testsignalquelle für die Diagnose von elektroakustischen Verstärkern sowie als Audio- und Modulationssignalquelle in Musiksynthesizern verwendet werden.
