Invertierungsfunktion

Eine Invertierfunktion ist eine elektronische Schaltung, die die Polung oder Phase eines Eingangssignals umkehrt. In der digitalen Logik wird ein hohes Signal (typischerweise 5 V oder 3,3 V) in ein niedriges umgewandelt und umgekehrt. In Analogschaltungen verschiebt sie die Phase um 180 Grad: eine positive Spannung wird negativ und umgekehrt. Der einfachste Inverter ist ein einzelner Transistor oder ein Logikgatter (das NOT-Gatter), aber invertierende Eigenschaften treten auch als Nebeneffekt in Verstärkern, Transformatoren und Operationsverstärker-Konfigurationen auf.

In digitalen Anwendungen ist der Inverter der grundlegende Baustein. Ein Standard-74er-Inverter-Chip enthält sechs unabhängige NOT-Gatter, von denen jedes einen Eingang akzeptiert und sein logisches Gegenteil erzeugt. Die Reaktionszeit liegt typischerweise im Nanosekundenbereich. Diese Gatter bilden die Grundlage für komplexere Logikschaltungen: NAND-Gatter, NOR-Gatter und jede kombinatorische Logikschaltung nutzt irgendwo in ihrem Design die Invertierung.

Analog- und Operationsverstärker-Anwendungen

Analoge Invertierschaltungen werden am häufigsten mit Operationsverstärkern aufgebaut. Ein Operationsverstärker, dessen Eingangssignal an den invertierenden Eingang (der negative Eingang) geführt wird und dessen nicht invertierender Eingang geerdet ist, verstärkt und invertiert das Signal gleichzeitig. Die Verstärkung hängt vom Verhältnis des Rückkopplungswiderstands zum Eingangswidersand ab: eine Verstärkung von 10 bedeutet, dass die Ausgabe 10-mal größer im Betrag und entgegegesetzt in der Polung ist. Diese Konfiguration wird als Invertier-Verstärker bezeichnet und ist eine der beiden primären Operationsverstärker-Topologien in der Mess- und Audiotechnik.

Invertiertransformatoren (1:1-Transformatoren mit umgekehrter Sekundärwicklungspolung) waren früher bei der analogen Signalverteilung üblich, werden aber heute seltener spezifiziert. Phasenumkehrung tritt auch natürlicherweise bei Transformatorkopplung auf, wenn die Sekundärwicklung in die entgegengesetzte Richtung zur Primärwicklung gewickelt ist, was bewusst erfolgen kann für bestimmte Anwendungen wie Push-Pull-Leistungsverstärker, bei denen zwei Kanäle mit entgegengesetzter Polung angesteuert werden müssen.

Probleme entstehen, wenn invertierendes Verhalten unbeabsichtigt ist. Eine einfache Kabelumkehrung oder fehlerverdrahteter Transformator kann einen Kanal in einem Stereo-Audiosystem invertieren und führt zu Phasenauslöschung, wenn beide Kanäle dann zusammengefasst werden. In Regelsystemen führt ein invertiertes Rückkopplungssignal dazu, dass das System instabil wird und in die falsche Richtung hart ausfährt. Messinstrumente (Oszilloskope, Funktionsgeneratoren) bieten üblicherweise einen Polaritäts-Invert-Knopf genau deshalb, weil Phasenbeziehungen bei Messung und Fehlersuche wichtig sind.