Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (627 artikelen): Op-amp cursus 04: inverter

(gepubliceerd op 24-05-2017)

Vaak komt het voor dat u de absolute grootte van een signaal wilt behouden, maar dat u het signaal moet inverteren of omkeren. Denk bijvoorbeeld aan een brugversterker, waar u het audiosignaal moet inverteren alvorens het de tweede eindversterker van de brug voedt. De operationele versterker is een ideale inverter.

Wat is een inverter?

Positief wordt negatief, negatief wordt positief
Eerste vraag is echter wat bedoeld wordt met 'het geïnverteerde van een signaal'. Onderstaande figuur toont een signaal U1 en het geïnverteerde signaal U2. De laatste spanning is, absoluut gezien, steeds gelijk aan het origineel. Is U1 +3 V, dan is U2 -3 V. Niet de grootte van het signaal verandert, maar wel de polariteit. Het omgekeerde of inverse van een signaal ontstaat, als u dit signaal spiegelt rond de horizontale nul-as.

De inverter met een op-amp

Slechts drie onderdelen
Met transistoren is de inverterbewerking op een signaal toepassen een hele klus, een op-amp vraagt slechts drie weerstandjes. Het basisschema van de analoge inverter is getekend in onderstaande figuur. Het ingangssignaal wordt via een weerstand R1 aangesloten op de negatieve ingang van de op-amp. Tussen deze ingang en de uitgang staat een even grote weerstand R2. De positieve ingang van de op-amp ligt aan de massa geschakeld via een weerstand R3, gelijk aan de helft van de eerder genoemde componenten.

Een inverter in de praktijk

Opbouw van een experimenteerschakeling
In onderstaande figuur is een schakeling getekend, die u kunt nabouwen en waarmee u de werking van de schakeling kunt testen. Weer wordt gebruik gemaakt van een universeelmeter, geschakeld op gelijkspanning en een experimenteervoeding.
De positieve ingang van de op-amp ligt via de weerstand R3 op massapotentiaal. Het wekt dan ook geen verbazing dat u op meetpunt M2, verbonden met de negatieve ingang, 0 V afleest. Zoals geschreven bij het vorige experiment 'Op-amp als bufferversterker' streeft een op-amp naar minimaal spanningsverschil tussen zijn beide ingangen. Als de positieve ingang op 0 V staat, dan zal de schakeling er naar streven ook de negatieve ingang op 0 V te zetten.
De inverterende werking wordt bewezen door aan de ingang een spanning van bijvoorbeeld +5 V aan te leggen (meetpunt M1) en de spanning op de uitgang af te lezen (meetpunt M3). Deze bedraagt -5 V.

Experimenteer mee met deze cursus!

U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:

Hobby-lab: bouw een analoge trainer

Bouw deze schakeling op de 741 experimenteerprint
In de onderstaande figuur ziet u hoe u de schakeling van de inverterende versterker kunt opbouwen op uw 741 experimenteerprint.

Verklaring van de werking
De ingangsimpedantie van de op-amp is, vergeleken met de waarde van de weerstanden R1 en R2, zeer groot. De weerstanden R1 en R2 staan in serie tussen de ingang en de uitgang van de schakeling. Door deze serieschakeling loopt een stroom I, waarvan de grootte wordt bepaald door de waarde van de ingangsspanning en de grootte van de twee weerstanden. De stroom die via de negatieve ingang in de op-amp vloeit is verwaarloosbaar klein, vanwege de hoge ingangsimpedantie. Omdat R1 en R2 even groot zijn, zullen de spanningsvallen over beide weerstanden even groot zijn. Dat kan niet anders, want de wet van ohm zegt dat de spanning over een weerstand gelijk is aan de vermenigvuldiging van stroom en weerstand. Beide grootheden zijn voor beide weerstanden aan elkaar gelijk.

Over R1 valt de ingangsspanning. De negatieve ingang staat immers op massapotentiaal. Als over R1 een spanning valt, gelijk aan de ingangsspanning, dan moet u per definitie over R2 dezelfde spanningsval meten.
Stel de ingangsspanning gelijk aan +1 V. Deze spanning valt over R1, met de getekende polariteit: linker aansluiting positief ten opzichte van rechter aansluiting. Omdat R2 door dezelfde stroom in dezelfde richting wordt doorlopen, moet de spanning over deze weerstand dezelfde polariteit hebben. Dus: linker aansluiting positief ten opzichte van rechter aansluiting. Nu ligt de linker aansluiting van de weerstand aan de massa. Aan het gestelde wordt alleen voldaan, als de rechter aansluiting op -1 V staat. Hetgeen precies het omgekeerde of inverse van de ingangsspanning is!

De transferkarakteristiek

Verband tussen in- en uitgangsspanning
Dit experiment is ideaal om vertrouwd te worden met het begrip 'transferkarakteristiek'. Dit is een grafiekje dat het verband aangeeft tussen de in- en uitgangsspanning van een schakeling. Onderstaande figuur geeft u de transferkarakteristiek van de inverterversterker. Op de horizontale as worden de aan de ingang aangelegde spanningen weergegeven, de verticale as geeft de spanningen op de uitgang.

Het uitsturingsbereik van een schakeling
Als u dat doet voor de inverter, zult u vaststellen dat er twee knikken in de karakteristiek ontstaan. Als u de ingangsspanning namelijk groter maakt dan ongeveer +8 V, dan zal de uitgangsspanning op -8 V blijven hangen. Eenzelfde verschijnsel doet zich voor bij een te grote negatieve ingang. Op deze manier kunt u het uitsturingsbereik van de schakeling meten. Zolang de karakteristiek recht is, is er niets aan de hand. De uitgang is het inverse van de ingang. Voor te grote positieve of negatieve ingangsspanningen gaat de inverterende werking verloren. Men zegt dat de uitgangsspanning van de op-amp vastloopt tegen de voedingsspanning. Het is logisch dat de op-amp geen grotere spanningen kan opwekken dan de waarde van zijn voedingsspanningen.

Samenvatting

Onderstaande figuur geeft een overzicht van de eigenschappen van de inverter. De versterking van de schakeling A’ is gelijk aan -1. Het minteken duidt op de inverterende werking. Belangrijk is de eis dat R1 gelijk is aan R2. Iedere afwijking zorgt voor een niet precies gelijk zijn van in- en uitgangsspanning (in absolute waarde, uiteraard). De waarde van R3 is niet kritisch, meestal kiest men deze weerstand gelijk aan de helft van R1. Uit het feit dat de negatieve ingang aan de massa ligt volgt dat de ingangsimpedantie van de schakeling volledig wordt bepaald door de waarde van R1. Deze weerstand staat immers geschakeld tussen de ingang en de op massapotentiaal liggende negatieve ingang. De Ri van de op-amp speelt dus nu niet mee!