Verstärker
Englisch: amplifier
Ein Gerät oder eine Schaltung, die die Stärke eines schwachen elektrischen Signals erhöht, ohne die anderen Eigenschaften des Signals zu verändern.
Verstärker: schwache Signale stark genug für die Arbeit machen
Ein Verstärker nimmt ein kleines elektrisches Signal auf und gibt ein größeres aus, während er die Form und den Informationsgehalt des Signals beibehält. In einer Maschine erzeugen Sensoren oft Ausgangssignale im Millivolt-Bereich, die keine Lasten antreiben oder lange Strecken durch Leitungen zurücklegen können. Der Verstärker sitzt zwischen dem Sensor und der nächsten Stufe und stellt die Signalstärke wieder her, damit das System zuverlässig funktioniert. Das geschieht in allem, von Temperatursendern bis zu Vibrationsmessgeräten bis zu analogen Wägezellen.
Industrieverstärker gibt es in verschiedenen Ausführungen. Spannungsverstärker multiplizieren die Signalamplitude; Stromverstärker machen das Gleiche für den Strom. Transimpedanzverstärker wandeln schwache Ströme, die häufig von Fotodioden oder Ionisierungsdetektoren stammen, in messbare Spannungen um. Signalaufbereitungsverstärker kombinieren oft Verstärkung mit Filterung und Isolation in einem einzigen Modul. Die meisten modernen Geräte sind integrierte Schaltungen, doch diskrete Ausführungen mit Operationsverstärkern tauchen immer noch in Nachrüstsystemen und Anwendungen in rauer Umgebung auf, wo zuverlässigkeit und Einfachheit wichtiger sind als Miniaturisierung.
Die Verstärkung eines Verstärkers, das Verhältnis von Ausgang zu Eingang, wird normalerweise in Dezibel oder als einfacher Multiplikationsfaktor angegeben. Eine Verstärkung von 10 bedeutet, dass ein 100-Millivolt-Eingang zu 1 Volt Ausgang wird. Verstärkung über 100 (40 dB) riskiert, das Rauschen zusammen mit dem Signal zu verstärken, daher teilt die Industriepraxis die Aufgabe oft auf zwei oder drei Stufen auf. Bandbreite ist auch wichtig: Der Verstärker muss alle Frequenzen im Signal weitergeben, ohne sie zu verzerren. Ein 4- bis 20-mA-Sender benötigt möglicherweise eine Bandbreite von DC bis 10 Hz; ein Vibrationssensor könnte eine flache Antwort bis zu mehreren Kilohertz benötigen.
Häufige Ausfallarten und Rauschen
Schwache Verstärkung offenbart jeden Schwachpunkt in der Schaltung. Thermische Drift in Bauteilwerten führt dazu, dass sich der Ausgang verschiebt, selbst bei konstanter Eingabe, was die Kalibrierung ruiniert. Elektromagnetische Störungen koppeln sich in die Eingangsleitungen ein und werden zusammen mit dem gewünschten Signal verstärkt. Schlechte Erdung zwischen dem Verstärkerchassis und dem Sensor erzeugt Erdschleifen, die 50- oder 60-Hz-Netzbrumm einspritzen. Qualitativ hochwertige Industrieausführungen verwenden geschirmte verdrillte Paarleitungen, Stern-Punkt-Erdung und manchmal optische Isolation, um diese Schleifen ganz zu unterbrechen.
Der Name kommt von der lateinischen Wurzel, die bedeutet vergrößern oder vermehren. In Audio und HF bedeutet es, die an eine Last abgegebene Leistung zu erhöhen (Lautsprecher, Antenne). In der Messtechnik liegt der Schwerpunkt auf Signalwiederherstellung: Rückgewinnung von Informationen aus einer Messung, die sonst zu klein wäre, um genutzt zu werden. Die Unterscheidung ist wichtig. Ein Audio-Leistungsverstärker könnte ein Ampere liefern; ein Instrumentenvorverstärker könnte Nanoampere verarbeiten.