Der LM358 ist ein weit verbreiteter Operationsverstärker (OPV), der sich ideal für einfache Verstärkerschaltungen eignet. Er ist günstig, benötigt nur eine Versorgungsspannung (Single Supply) und kann positive Spannungen verstärken, ohne dass eine zusätzliche negative Spannung benötigt wird. In vielen Anwendungen, insbesondere bei Digital-Analog-Wandlern (DACs) wie dem MCP4822, werden niedrige Ausgangsspannungen erzeugt, die für nachfolgende Schaltungen oft nicht ausreichen. Ein Beispiel: Der MCP4822 kombiniert mit einem Arduino liefert maximal etwas mehr als 4 Volt Ausgangsspannung, aber viele Schaltungen benötigen oft analoge Spannungen von 0 bis 10 Volt. Dieser Artikel beschriebt, wie der LM358 als Verstärker genutzt werden kann und eine analoge Eingangsspannung von 0 bis 4 Volt auf Ausgangsspannung 0 bis 10 Volt verstärkt. Anschließend soll dieser von einem MCP4822 DA-Wandler angesteuert werden um damit eine programmierbare analoge Spannung eine einem Bereich von 0 bis 10 Volt erzeugen zu können.

Bauteile & Schaltplan

Für die Verstärkung der Spannung von 0–4V auf 0–10V wird ein LM358 Operationsverstärker verwendet, der mit einer einfachen nichtinvertierenden Verstärkerschaltung arbeitet. Die Schaltung benötigt eine 12V-Versorgungsspannung, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen. Zur Einstellung der Verstärkung wird ein 20 kΩ Potentiometer als variabler Widerstand im Feedback-Zweig eingesetzt, zusammen mit einem 10 kΩ Widerstand zwischen dem invertierenden Eingang und Masse. Diese Kombination ermöglicht eine Verstärkungsregelung zwischen 1-fach und 3-fach, sodass die Ausgangsspannung entsprechend angepasst werden kann. Ein 100nF Kondensator zwischen der Versorgungsspannung und Masse dient zur Entkopplung und stabilisiert die Schaltung. Der LM358 ist kein Rail-to-Rail-OPV, was bedeutet, dass der Ausgang bei einer 12V-Versorgung nur etwa 11V erreicht und nicht bis zur vollen Betriebsspannung arbeiten kann. Auch der untere Spannungsbereich liegt leicht über 0V, was in Anwendungen mit präzisen Ausgangsspannungen berücksichtigt werden muss.

Die Verstärkung dieser Schaltung berechnet sich mit der Formel V = 1 + (Rf/Rg). Mit einem festen Widerstand (Rf) anstelle des Potentiometers und der entsprechenden Formelumstellung lässt sich der ideale Wert bestimmen. Um 0–4V auf 0–10V zu verstärken, muss die Verstärkung 2,5 betragen. Setzt man für Rg einen 10 kΩ Widerstand ein, ergibt sich ein idealer Rf von 15 kΩ:

Programmierbare analoge Ausgangsspannung

Für eine flexible Steuerung der Ausgangsspannung kann die Verstärkerschaltung mit einem programmierbaren analogen DA-Wandler und einem Arduino kombiniert werden. Ein Digital-Analog-Wandler wie der MCP4822 ermöglicht die Erzeugung präziser Ausgangsspannungen, die dann vom LM358 auf den gewünschten Bereich verstärkt werden. Wie der MCP4822 funktioniert und wie er angesteuert wird, wurde bereits in einem früheren Artikel beschrieben. Dort wird erklärt, wie eine programmierbare analoge Ausgangsspannung erzeugt werden kann, die sich mit der hier vorgestellten Verstärkerschaltung auf einen erweiterten Spannungsbereich anpassen lässt.

Software

Auch die Software musste verändert werden und an den OPV angepasst werden. Mit dem folgenden Beispielcode kann eine analoge Spannung von 0-10V erzeugt werden.