Was ist ein Leistungsoperationsverstärker?
Ein Leistungsoperationsverstärker (Power Operational Amplifier) ist ein elektrisches Bauteil auf der Grundlage eines Operationsverstärkers, der eine analoge Mehrzweckschaltung ist, insbesondere in der Rolle eines Verstärkers.
Es handelt sich um eine integrierte Schaltung (IC), die in Verstärkern verwendet wird, die entsprechend den Anforderungen der Zeit eine hohe Leistung benötigen. Die ursprünglichen Operationsverstärker sind ICs, die aus der Serie 741 hervorgegangen sind, die 1968 von Fairchild in den USA herausgebracht wurde.
Leistungsoperationsverstärker werden selten als eigenständige Einheiten verwendet, sondern sind mit Widerständen und Kondensatoren verbunden.
Anwendungen von Leistungsoperationsverstärkern
Leistungsoperationsverstärker werden hauptsächlich in Verstärkerschaltungen eingesetzt, die hohe Spannungen und hohe Ströme benötigen, um große Motortreiber, Servoregler, elektromagnetische Aktuatoren in der Fabrikautomatisierung und große Lautsprecher in Audioverstärkern zu betreiben.
Weitere Anwendungen sind Messinstrumente und Sensorschaltungen. Der OPA541, ein Allzweck-IC von Texas Instruments, der häufig in Leistungsoperationsverstärkern eingesetzt wird, unterstützt einen breiten Versorgungsspannungsbereich von ±5 V bis ±40 V und Betriebstemperaturen von -40 °C bis +125 °C und kann mit einem hohen Strom von 5 A betrieben werden. Dieser weite Dynamikbereich unterstützt eine Vielzahl von Anwendungen.
Er kann auch an Niederspannungs-Logikschaltungen angeschlossen werden. Bei der Verwendung dieses ICs ist ein Kühlkörper zur Wärmeableitung erforderlich und auch die Lastimpedanz muss bei der Handhabung hoher Leistungen beachtet werden.
Funktionsweise der Leistungsoperationsverstärker
Das Prinzip des Leistungsoperationsverstärkers besteht darin, dass der Ausgangsstufe eines Operationsverstärkers, der eine analoge Allzweckschaltung ist, eine Verstärkerschaltung hinzugefügt wird, die aus einem Transistor besteht, der so groß ist, dass er hohe Leistungen bewältigen kann sowie aus Schutzschaltungen, die nur für hohe Leistungen geeignet sind.
Operationsverstärker, die ursprünglich eine analoge Schaltungskomponente waren, verwendeten elektrische Elemente wie Widerstände und Kondensatoren, um automatisch Operationen wie Addition, Subtraktion, Differenzierung und Integrationsschaltungen durchzuführen. Mit technologischen Innovationen wurden Operationsverstärker miniaturisiert und zusammen mit Halbleiterelementen wie Transistoren und FETs (Feldeffekttransistoren) integriert und dann wurden einige Schaltungen in sie eingebaut, die heute als integrierte Schaltungen (ICs) bekannt sind.
Weitere Informationen über Leistungsoperationsverstärker
1. Einfluss der Lastimpedanz
Bei den als Leistungsoperationsverstärker bezeichneten Schaltungskomponenten muss man bei hohen Leistungen auf den Einfluss der Lastimpedanz achten. Beim Antrieb eines Motors beispielsweise ist die Last kein einfacher Widerstand, sondern enthält eine Reaktanzkomponente, so dass die Strom- und Spannungsphasen bei sinusförmigem Betrieb unterschiedlich sind. Selbst wenn der Ausgang Null ist, kann ein relativ großer Strom durch den Leistungsoperationsverstärker fließen.
Zu diesem Zeitpunkt sind die Verluste im Leistungsoperationsverstärker hoch und der Operationsverstärker-IC wird durch die Selbsterwärmung der Transistoren sehr heiß. Neben Maßnahmen wie Kühlkörpern zur Wärmeableitung ist sorgfältig zu prüfen, dass der Betriebsbereich den SOA (sicheren Betriebsbereich) des Produkts nicht überschreitet.
2. Transientenschutzschaltungen
Wenn die Last eher induktiv ist, z. B. bei elektromagnetischen Aktoren, können unerwartete Rückspannungen aufgrund von Transienten während des Betriebs auftreten. Auch in solchen Fällen ist eine Bestätigung der Betriebsbedingungen erforderlich, um einen Geräteausfall oder eine Beeinträchtigung durch Überspannung zu verhindern, aber unter dem Gesichtspunkt der größeren Vielseitigkeit sind viele Schutzschaltungen in Leistungsoperationsverstärker eingebaut.
Die meisten Schutzschaltungen schützen die Bauelemente, indem sie Strombegrenzer oder Temperaturerhöhungen erkennen und den Betrieb unterdrücken, aber zum Schutz vor spitzenartigen momentanen Überspannungen ist ein gutes Ansprechverhalten wichtig. Aus diesem Grund wird in der Regel eine Schottky-Barrierediode oder etwas Ähnliches an die Stromversorgungsleitung oder den Ausgangsanschluss eines Transistors angeschlossen und es werden Maßnahmen ergriffen, um die Überspannung beim Auftreten abzufangen.