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(→こちら
4)オペアンプを使った発振回路(→こちら

「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と思います。

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かったので、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、電子工作に使えることを考えていこうとおもいます。

ここでは、オペアンプを使って「何かしよう!」としている初心者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。


ここでは、電子工作に使えそうな、アナログで直流低電流のものを説明しており、オーディオ用の低周波アンプなどは別に取り上げます。

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。

単電源で使用できるオペアンプ LM358N

  

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。幅は1cm少しの、小さな部品で、この中に2つのオペアンプが組み込まれています。

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、オペアンプが何かの処理をして、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。

オペアンプは特殊なものと考えると使いにくくなるので、安くて使いやすいアンプのパッケージ・・・という程度に考えておくといいでしょう。

このLM358Nは、FET構造ではないバイポーラタイプのIC部品で、ラフに使える上に、単電源で使えるところが便利なICです。

この「単電源」については、後で説明しますが、多くのオペアンプはプラスとマイナスの「両電源」が必要なものも多いのですが、LM358Nは、今まで使っている 5Vの電源1つだけで作動します。

また、バイポーラではなくて、FETのオペアンプのほうが種類も多く、電圧制御で大きな電流が扱えることや低消費電流などと長所も多いのですが、静電気で破壊しやすいなどの『扱い』に注意が必要な点があるので、ここではまず、バイポーラトランジスタで構成された使いやすいオペアンプを使っていきます。

このあと順にオペアンプについて、バイポーラトランジスタでみてきたように、スイッチのような使い方のコンパレータ、増幅作用、発振回路などについて基礎的なことをみていきますが、オーディオアンプなどの交流分野はここでは説明していません。

オペアンプにに限りませんが、交流を扱うには、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、別の記事でオーディオ用のオペアンプを使った記事を紹介する予定で、ここでは、初歩の電子工作に使えるような基本的な内容だけをみていくことにします。

ここで使うオペアンプLM358Nは驚くほど価格も安い(数十円)ので、余分に購入しておいてもふところが痛みませんので、私は、4つ購入したのですが、いろいろ誤配線せても破壊しないタフさがあるので、みなさんもいろいろ試して使っていただけるでしょう。

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

ブレッドボードに回路を組む場合は、写真のように、真ん中の溝の部分に直接挿して使いますが、ICを傷めないように、8Pinソケット使うのもいいでしょう。

ただし、市販のソケットは、足が短いので、抜けやすいので、私は足を伸ばす追加工をしています。

慣れてくると、すぐに、ICソケットを使わないで、直接挿すことが多くなると思いますが、私は、ピンの位置がわかりやすいように、写真のようにボードに印をつけています。 これでかなりわかりやすくなります。(写真は14Pin用に印を付けています)

ソケットに足をつけたものはこんな感じです。

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りますが、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ので、普段から、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きましょう。

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、いろいろな方が記事にされています。 

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。 本格的なオーディオには、別の物を使うのが得策です。

ここでは、オペアンプがどういうものなのかを知る目的ですので、どれでないといけないというものでもありませんから、「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」など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。

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。

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。

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、非常に便利ですので、ここに回路を組んでみましょう。

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、1つのオペアンプを使うのですが、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。ICソケットを使う場合は、こんな感じです。

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

オペアンプに電源電圧を加えないと動きません。 回路図には、「プラスとマイナス」「プラスとGND」などと示されています。

また、下の最初の図のように、回路図には電源の位置が示されているものもありますが、普通は「電源については、見やすくするために、書かない」というルールもあって、最初のうちはわかりにくいと思います。

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

オペアンプは、両電源で使うものと単電源でも使えるものがあります。普通は、両電源のもののほうが一般的です。

電源について、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らしくて、「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」となっていますが、その他の型番では、「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」が必要なオペアンプです。

両電源がわかりにくいと思いますが、 両電源とは、プラスとマイナスにGNDが加わったもので、例えば5V両電源と言えば、+5V・-5V・GND の3つの端子があります。

普通のプラス・マイナスの電源が「単電源」ですが、それを2つ用いて、下の図のように両電源を作ることもできます。

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。(下図のようになります)

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ていることを、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)・・・ というように考えるとわかりやすいでしょう。

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」・・・という約束です。

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ので、最初のうちは初心者にとってはわかりにくいのですが、これは、慣れていって覚えるしかありません。

オペアンプに加える電源の「質」が重要

オペアンプは大きな増幅ができますので、発振しやすいし、電源から入るわずかな余分な雑音を増幅してしまう恐れがあります。

そのための対策としては、電源にコイルやコンデンサ(パスコン)を入れて、それらを事前に除去することを基本に考えます。

コイルについては、発振の周波数に合ったものを使わないといけないので、インダクターの値を決めるのは専門的で難しいのですが、少なくとも、下のように、コンデンサによるノイズ対策は忘れないようにしてください。(このHPの内容は試験的なものなので回路図中にはいれていませんが、実用回路では必須です)

電源のノイズ対策例

最初は単電源で使えるものを選ぶ

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」というものを選ぶと使いやすいでしょう。

もちろん、両電源のオペアンプも、単電源で使用ができます。ここで使うLM358N は、単電源でも両電源でも使用できます。 この場合は、V+に通常の電源、GNDに負電源をつなぎ、別に共通のGNDを取るという方法です。(ややこしくなるので、ここでは「LM358Nは単電源で使う」としておいてください)

一般的には、両電源のものが多く、両電源のものを単電源で使うこともできますが、特性上、動作範囲が狭くなるなどの問題があったりするので、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。

 

ここでは、オペアンプLM358Nを5Vの単電源で動作させるのですが、理屈や原理の説明はなるべく少なくして、「こうするとこうなる」というやり方で、次のページでは、オペアンプのスイッチ的使い方で、で、「コンパレータ」について見ることにします。

 →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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最小限必要なことのおさらい(1-2)

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オペアンプの使い方(1)オペアンプと電源

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