楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

オペアンプの使い方 (1)オペアンプと電源

オペアンプLM358Nを使って、実際に使ってみた様子をいくつかにページを分けて紹介します。

1)オペアンプの簡単な紹介と単電源での使用について(このページ)
2)コンパレータの仕組みを見る(こちら
3)オペアンプの増幅回路

「オペアンプ」というと、トランジスタやダイオードなどがパックされた小さなIC部品ですが、何か難しそうに思ってしまう方も多いのではないでしょうか。

私もその一人で、本を読んでもよくわからないところも多くて困ったのですが、ここでは、ポピュラーで安価なオペアンプLM358N を用いて、実際に回路を組んで、電子工作に応用できるようなことを考えてみたいとおもいます。

専門的なことは私も十分理解できていませんのでここでは説明していませんが、オペアンプを使って、「何かしよう!」というための初心者向けの基本的なことがらと、最低限使えそうな、コンパレータ・増幅回路について取り上げています。

「オペアンプ」はアナログコンピュータの開発途上で発展したものですので、増幅用途などよりも、むしろ、「加減微積」といった演算回路が妙味があるのかもしれませんが、このHPでは、主に、電子工作に使えそうな、アナログでDCの低電流のものだけを取り上げています。

実際に回路を組み、測定しながらそれらを見ていきますので、ヒントになりそうなことがあれば利用ください。


オペアンプって何でしょう

  

オペアンプの図示記号 オペアンプのピン位置

「オペアンプ」の基本機能は、このような左図の記号で表されます。 右は8ピンのここで使う LM358N の外観です。

この記号図を見ると、左のプラスとマイナス端子(ピン)になにか(例えば電圧)を入れると、何かの処理をして、右側に何かの結果を出す・・・という「論理記号」のような形なので、やはり「オペアンプは、アナログコンピュータのために開発された・・・」という感じがあります。

オペアンプの特徴や使い方はいろいろなところで解説されているのですが、私は、オペアンプのいいところは、①安価で、少し形もかっこいいし、 ②入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低くて使いやすそう・・・ という印象をもっています。

FET構造ではないバイポーラタイプで安価なLM358Nのような「汎用」のものは、かなりラフに扱っても問題がないところもおすすめです。

オーディオなどの交流分野や商品に使うような回路を組もうとすると、(オペアンプにに限りませんが)周波数特性を考えたり ノイズ問題や安定性などを考えないといけないので、こうなると当然、目的にあったオペアンプが必要ですので、その選択は難かしくなりますが、ここでは、初歩の電子工作に使えるような基本的な使い方だけを取り上げています。

オペアンプLM358Nには2回路のオペアンプが内蔵されています。 実物の大きさは縦横が1cmくらいの小さなものです。

驚くほど価格も安い(数十円)ので、私は、予備を考えて4つ購入しました。

ブレッドボードに回路を組む場合は、真ん中の溝を利用して使うこともできますが、私は、配線中にICを傷めないように、8Pinソケットを加工してブレッドボードにさすようにしました。

直接挿す場合は、周辺回路を組んでからオペアンプを差し込むようにするのが安全なのですが、そうすると、ピンの位置がわかりにくいので、(写真は14Pin用の印ですが)写真のようにボードに印をつけておくと、差し込み位置がわかりやすいと思います。

この点でも、ソケットを利用すると配線しやすいのですが、市販のソケットのピンの長さが短いので、写真のように足を継ぎ足しています。

ブレッドボードへの取り付け 印をつけるとわかりやすい

はんだ付け加工したソケットはこんな感じです。

今回使うオペアンプLM358Nとブレッドボード取り付け用コネクター

ちなみに、購入時にはICは黒いスポンジに挿してあるものが多いのですが、これはICの静電気対策用の導電スポンジです。 このIC(LM358N)はバイポーラの汎用タイプで、比較的ラフに扱ってもいいのですが、一般的には、MOS-FETを使ったIC部品類は、特に体に帯電する静電気を嫌います。

だから、どんなIC部品にふれる場合にも、静電気除去をしてからふれる・・・ということを頭に叩き込んでおくくらいがいいでしょう。

ICに触る前には、大きな金属や鉄製の窓枠などに触れると、かなり除電されますから、さわる前には、除電する癖をつけておきましょう。

オペアンプを初めて購入する場合は・・・

オペアンプを購入しようとして、例えば、秋月電子さんのHPで「オペアンプ」を検索すると、ずらずら・・・と、いろいろな型番が出てきて、なにがいいのかを迷うかもしれませんが、一つの考え方は、「誰かの真似をする」のが早道ですので、まず、このLM358Nを購入して、使い方に慣れるのも一案です。

この型番LM358Nはポピュラーな型番なのか、いろいろな方が書かれている記事も多くあります。 

雑音や歪が多くてオーディオ用には使えないという記事もありますが、どんなオペアンプも向き不向きがあリます。

オペアンプがどういうものなのかを知るために購入するのであれば、どれでないといけないというものでもありませんから、購入時にチェックする点としては、「汎用」「単電源で使用できるもの」「安価なもの」「手持ちの電源が使えるもの」から探していくといいでしょう。

ちなみに、このLM358Nのデータシートを見ると、LM258、LM2904などの名前も同じデータシートに上がっているので、これらも同様のものだということですし、記事の中に書いている、電源電圧の範囲や、この端子(ピン)には逆電圧を加えるといけない・・・という注意事項などを何回か見ていると、知らないうちに、仕様に対するイメージが持てるようになってくるでしょう。

このLM358Nですが、結線するときは裏側からICを見て配線するので、完全に結線を間違えたこともあります。ICに触れられないぐらいに熱くなったのですが、それでも壊れなかったほどタフですし、安価なので、私のように、失敗を考えて数個をまとめて買っておいても大した金額ではありません。

このような安価なオペアンプを使いながら、いろいろなことに触れて知識を広げていけばいいので、最初から、いろいろな注意点や制限事項などの細かいことを考えて完璧にしようとすると、難しくて扱いにくくなってしまいますので、慣れることから始めるということでいいと思います。

そして、ここでやっていく内容は、低電圧・低電流の回路ですので、間違って接続しても、最悪でも部品が壊れるだけで、火を吹くようなことはまずないと考えて、ともかく、「やりたいことを、思いつけばやってみる・・・」というやり方で進めています。

このようにこの記事は多少ラフな文章で、専門家が書くものではないので、そういうつもりで読んでください。

ここでは「コンパレータ」と「増幅」を取り上げます

コンパレータというのは、「入力(例えば電圧)」の大きさによって、この場合はこうする・・・という振り分け判断をするものです。 英語のCompareは「比較する、同じと見る・・・」という意味ですね。

例えば、電子工作での使い方のイメージでは、「入力側の電圧が3Vになるとなにかが動く」「入力電圧が1V以下になると消灯する」・・・ などのような、スイッチのような使い方ができるのが「コンパレータ」の一つの使い方です。

そして、もう一方で大事な働きはトランジスタのところでやった「増幅」です。

このHPでは、今までに、トランジスタを使って、ベースやゲートに加える小さな入力(電圧や電流)で大きな電圧や電力を制御しましたし、大きな増幅率を得るために、トランジスタをつないで、ダーリントン接続のようなことをやりました。(こちら

このオペアンプを使うと、このような増幅は「お手のもの」ですし、トランジスタと違って、ソケットに差し込んで使えるのも簡単でかっこいいですし・・・。 

実験にはブレッドボードを使います

ブレッドボードを使うと、簡単にパーツを抜き差しできるので、いろんなことを試すことができて非常に便利ですので、ここに回路を組みます。

さて、このLM358Nの小さなICの中には、2回路のオペアンプが入っています。

オペアンプLM358のピン配置図

ここでは当面、1つのオペアンプしか使いません。

ここでは、1・2・3のオペアンプ部分と、電源の4・8という5つのピンを使います。

ブレッドボードでのコネクターの取り付け位置
結線が終わってからこのソケットに凹み位置を合わせてオペアンプを差し込みます。


初心者にわかりにくい「電源」について

WEBにあった電源図示例WEBの図より

両電源と単電源について簡単に説明します。

知っている方は「当然なこと」と思われるかもしれませんが、この「オペアンプを動かすための電源」については、最初、私が全くわからなかったことでしたので、あえてこれを取り上げています。(余談ですが、私の息子は、高校でオペアンプの実習をしたので、「当然」のように知っていましたが・・・)

オペアンプのピンの配置図を見ると、上のように様々です。

そこに、「V+」「V-」「GRD」などがありますが、これが電源を接続する端子です。 ここにデータシートに指定された範囲内の電圧を供給します。

LM358N の場合は 「V+とGND」となっており、その他で、「V+とV-」と書いてあるものがあります。

V+、V- とあるのは、「両電源」が必要なものです。

両電源とは、プラスとマイナスにGNDが加わったもので、電源からの端子は3つ出ており、これに対して単電源ではプラスとGNDの2つの電源端子いうことです。

両電源の電圧は等しい正負電圧を用いて、例えば+12Vと-12VとGNDを結線します。 プラスのもう一方はマイナス端子ではなく、GND端子ですし、マイナスの反対側もGNDになります。

両電源のものでも、V+とV-とGNDが示された図とGNDがない図がありますが、オペアンプの端子にGND端子がなければ、プラスとマイナスの反対側は回路に共通のGND(アース)につなぎます。

文章で書くとわかりにくいのですが、下図のような感じです。 通常は電源回路は図示されないので、このような電源の回路は省略されます。 ここで覚えておいてください。

両電源と単電源の考え方回路図

LM358Nは単電源でも両電源でも使うことができますが、通常は単電源で使います。 

V+にプラス電源、GNDにもう一方の電源(マイナス側)をつなぎます。 乾電池ではプラス極の反対側はマイナスですが、マイナス側というと混乱しますので、プラスの反対側はGND(アース)というようにして考えているとわかりやすいでしょう。

これらは、図が複雑になるので通常は「回路図には、電源は記入しない」・・・という約束がありますので、プラス⇔GND の結線のしかたなどは回路図に書かれていないと初心者にとってはわかりにくいのですが、これは、慣れるしか仕方がないでしょう。

最初なら単電源で使えるものを選びましょう

このように、オペアンプを初めて使う場合では、使い慣れていない方は特に、「単電源で使用できる」というものを探して使用するのが使いやすいといえます。

もちろん、両電源のオペアンプも、単電源で使用ができるのですが、動作範囲が狭くなるので、特性を十分発揮させるためには、データシートに従った電源を使用するのが基本です。

LM358Nは両方の電源が使えるとデータシートにありますが、逆にこのオペアンプは単電源での使用のほうが多いようです。 


ここでは、オペアンプを5Vの単電源で動作させますが、さて、オペアンプでなにかしたい・・・とおもって本を読むと、やりたいことは単純なことでも、書いてあることが分かりにくい・・・ということも多くて、何をすればいいのかわからなくなることがあります。

ここでは、理屈や原理は説明することは少なめにして、オペアンプとはどのようなものかを見ることにします。

長くなりましたので、ページを変えて、「コンパレータ」としての使い方の例を見ることにします。

 →次のページ:オペアンプの使い方(2)コンパレータ

 →インデックスのページへ

 


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