Operationsverstärker - Universalbausteine moderner Elektroniksysteme. Teil 1: Fallstudie Sensorik und Regelungstechnik

Seit ihrer Einführung in monolithischer Solid-State-Bauweise im Jahr 1967 und ihrer kontinuierlichen Weiterentwicklung über viele Technologiegenerationen hinweg werden Operationsverstärker nicht nur als universelle Verstärker eingesetzt, sondern übernehmen in nahezu allen Bereichen der Industrie und der Elektronik eine zentrale und unverzichtbare Rolle.

Obwohl hochintegrierte und spezialisierte Lösungen mit integrierten Schaltkreisen kurz ICs seit Jahrzehnten auf dem Markt verfügbar sind, bietet der Einsatz diskreter Operationsverstärker in vielen Anwendungen erhebliche Vorteile - und stellt daher oft die technisch wie wirtschaftlich die sinnvollere Wahl dar.

Diese vielseitigen Bausteine übernehmen an unterschiedlichsten Stellen im Leiterplattendesign zentrale Funktionen, sodass ein einzelner Bauteiltyp zahlreiche Aufgaben innerhalb eines Schaltplans abdecken kann. Das reduziert nicht nur die Vielfalt der benötigten Komponenten, sondern verringert auch die Kosten bei hochspezialisierten ICs und die Abhängigkeit von einzelnen Lieferanten sowie das Risiko von unverlässlichen Lieferketten.

In der Sensorik sind Operationsverstärker als wesentlicher Bestandteil jeder Signalkette maßgeblich an der Umwandlung und Konditionierung des Sensor-Signals unterschiedlichster Sensoren beteiligt. Sie tragen ausschlaggebend zum Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors bei, bestimmen die Bandbreite des Sensorausgangs und leisten damit einen entscheidenden Beitrag zur Gesamtstabilität und Zuverlässigkeit des Sensorsystems.

1. Präzisionsverstärker mit Frequenzkompensation

Auf der folgenden Abbildung ist ein präziser Sensorverstärker mit Frequenzkompensation dargestellt:

Hier werden die Ausgangleitungen des Sensors an Eingänge mit sehr hoher Impedanz herangeführt, meistens höher als 4x10^12 Ohm und somit entfallen jegliche Anforderungen der Strombelastbarkeit, bzw. der Ausgangsimpedanz des Sensors und tragen zu einer reibungslosen Integration des Sensor-Moduls bei. Diese Schaltung wandelt die hohe Impedanz des Sensors auf niedrige Ausgangimpedanz um und ist zudem aufgrund der Frequenzkompensation auch immun gegen HF-Störsignale. Ferner kann der Ausgang um eine beliebige Spannung Uv versetzt werden, falls erforderlich, um die Signal-Aufbereitung für den nächsten Glied vollständig abzuschließen. Die Ausgansspannung setzt sich aus der folgenden Gleichung zusammen:

2. Regelungstechnik und PID-Regler

Unabhängig davon, ob in digitaler oder analoger Form, werden heutzutage PID-Regler in einer Vielzahl von Prozessen, Anlagen und Systemen eingesetzt, um Abläufe präzise und kontinuierlich zu überwachen und anzusteuern.

In der folgenden Abbildung ist ein mathematischer PID-Regler dargestellt. Alle drei Zweige – der P-, I- und D-Anteil – lassen sich mit Operationsverstärkern synergetisch realisieren und ermöglichen damit eine besonders schnelle und präzise Prozessansteuerung:

Analoge Regelungskreise auf Basis von Operationsverstärkern eignen sich insbesondere dann, wenn die Anforderungen an die Dynamik der Ansteuerung so hoch sind, dass digitale Regler - aufgrund der begrenzten Bandbreite von ADC-/DAC-Schnittstellen und der damit verbundenen Latenzen - die Signale nicht mehr mit ausreichender Geschwindigkeit verarbeiten können.

Außerdem entlastet ein Analogregler die Rechenleistung des zentralen Prozessorsystems, da digitale PID-Regler mit zunehmender Regelgeschwindigkeit einen erheblich höheren Prozessoraufwand erfordern. Ferner eignen sich analoge Regelungskreise auch für Anwendungen, die von reduzierten Kosten profitieren können – etwa bei kostenbewussten Elektronikdesigns oder auch dann, wenn mehrere PID-Regler für unterschiedliche Regelstrecken parallel implementiert werden sollen. Durch die analoge Realisierung lassen sich solche Mehrkanal-Regelungen oft deutlich günstiger und ohne zusätzliche Prozessorlast umsetzen.

Heute werden wir uns das P-Glied des PID-Reglers genauer ansehen und dessen Funktionsweise und Umsetzung erläutern. Die nachfolgende Schaltung zeigt die schematische Umsetzung eines proportionalen Reglers (P-Reglers), realisiert mit zwei Operationsverstärkern:

Der erste Operationsverstärker U1 übernimmt die Funktion des Fehlerverstärkers und bildet mathematisch die Abweichung zwischen Soll- und Istwert ab. Ein Proportionalregler versucht den Unterschied oder den Fehler zwischen dem Sollwert und dem vom Sensor gemessenen Rückführwert kontinuierlich auszugleichen. Dazu beeinflusst er das System in eine Richtung, die dem Unterschied zw. dem Sollwert und Rückführwert entgegenwirkt – in der Gegenrichtung. Die Stärke dieser Korrektur wird durch den Proportionalfaktor des P-Glieds (U2) bestimmt, der in diesem Fall dem Widerstandsverhältnis R6/R5 entspricht. Die proportionale Regelkomponente liefert also nur dann eine Korrektur, wenn tatsächlich ein Fehler/ Unterschied zw. dem Sollwert und Rückführwert besteht. Auf diese Weise wird der Istwert auch bei schwankender Last des Stellgliedes (Motor, Aktuator u.a.) kontinuierlich nachgeregelt und am Sollwert gehalten.

Der Sollwert wird vom Benutzer entweder über den im Mikrocontroller integrierten DA-Wandler oder über einen externen DA-Wandler vorgegeben. Hier bestehen keine Anforderungen an der Geschwindigkeit des Mikrocontrollers, bzw. an der Bandbreite der DA-Wandler-Schnittstelle, denn die Regelreaktion des P-Reglers wird von der Geschwindigkeit der Rückkopplung des Regelkreises in dem Fall von der Bandbreite des Operationsverstärkers bestimmt. Die Regelgeschwindigkeit kann – je nach Auslegung des Regelkreises und des Leiterplattenlayouts – sehr hoch sein und einer äquivalenten digitalen Abtastrate von etwa 400 kS/s bis hin zu 10 MS/s entsprechen. Dadurch bieten analoge Regler bei kostenbewussten, präzisen und hochdynamischen Regelanforderungen sowohl technisch als auch wirtschaftlich einen entscheidenden Vorteil.

In diesem Artikel wurden lediglich einige Beispiele vorgestellt, in denen Operationsverstärker zentrale Funktionen übernehmen. Diese vielseitigen Universalbausteine der Elektronik leisten in einer großen Bandbreite von Anwendungen einen wesentlichen Beitrag zur Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit moderner elektronischen Systeme.

In der nächsten Fallstudie zur Sensorik und Regelungstechnik werden wir die Umsetzung der verbleibenden I- und D-Komponenten des PID-Reglers mit Operationsverstärkern näher betrachten und dabei die Realisierung des I-Zweigs sowie des D-Zweigs im Detail analysieren und abschließen.

Autor:

M.Eng. Martin Radev

Geschäftsinhaber u. Leitender Elektronik-Entwickler