Transimpedanzkonverter / Strom-Spannungs-Wandler

In diesem Webprojekt ist im Kapitel zur Ersatzstromquelle beschrieben, dass jede reale Spannungsquelle in ihre äquivalente Stromquelle umgerechnet werden kann. Ein invertierender Operationsverstärker mit dem E+ Eingang auf Masse soll von einer Stromquelle direkt am invertierenden E− Eingang gesteuert werden. Die Ausgangsspannung des OPVs lässt so viel Strom über den Rückkoppelwiderstand fließen, dass die Eingangsdifferenzspannung am OPV praktisch auf 0 Volt bleibt. Der OPV wandelt einen DC- oder AC-Eingangsstrom in eine proportionale DC- oder AC-Ausgangsspannung mit invertiertem Vorzeichen um. Das Verhältnis Ua / Ie entspricht einem Widerstand. Sein Betrag wird als Transimpedanz Z bezeichnet.

Die Spannung am Schaltungseingang beträgt aufgrund der virtuellen Masse 0 Volt. Die Stromquelle arbeitet im Kurzschlussbetrieb und der Eingangswiderstand der Schaltung ist praktisch 0 Ohm. Der Ausgangswiderstand des OPVs ist ebenfalls sehr klein. Mit dem Transimpedanzkonverter lassen sich kleinste Stromänderungen oder Eingangsleistungen sehr genau messen. Mit einem Widerstandswert von 10 kΩ und einem Eingangsstrom von 10 µA liefert die Schaltung mit dem OPV 741 eine von der Belastung unabhängige Ausgangsspannung von 100 mV. Bei 100 kΩ beträgt die Messspannung Ua = 1 V.

Anwendungsbeispiele

Mit einem Transimpedanzkonverter lassen sich geringe Fotoströme in gut messbare Spannungen wandeln. Das Fotoelement wird als kurzgeschlossene Stromquelle betrieben und direkt zwischen den invertierenden Eingang und Masse geschaltet.

Einfache Widerstandsmessgeräte haben selten eine lineare Skala. Mit dem Strom-Spannungs-Wandler kann dieser Nachteil behoben werden. Der Rückkoppelwiderstand Rx ist der zu bestimmende Widerstand. Als Stromquelle ist eine Referenzspannungsquelle mit hohem Innenwiderstand am invertierenden Eingang angeschlossen. Sie liefert den konstanten Strom, der vom OPV in eine zum bestimmenden Widerstand Rx gut messbare proportionale Spannung umgewandelt wird.

Die folgende Tabelle zeigt Messwerte, die mit einem OPV 741 ohne Offsetkompensation ermittelt wurden. Mit der Referenzspannung von 10 V und dem Vorwiderstand Ri ist der Messstrom bestimmt. Mit einem umschaltbaren Vorwiderstand konnten mit Ri = 1 kΩ unbekannte Widerstandswerte bis 10 Ω mit gleichbleibender Genauigkeit messtechnisch bestimmt werden.