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 (2) コンパレータ

オペアンプLM358Nの記事の2ページ目です。 前のページは、単電源、両電源について説明しています。(→こちら) このページでは、電圧によってオペアンプの回路をON-OFFをさせる「コンパレータ」の動作を説明します。

簡単な「コンパレータ」の回路

オペアンプLM358 のデータシートには、次のような説明があります。

LM358Nデータシートの説明引用

このLM358シリーズは、残念ながら、高級オーディオアンプに使うのはちょっと問題ですが、増幅や回路実験に使うには、まさに初心者用にうってつけのICです。

ここでは、簡単なコンパレータの回路を作って、次のような動作をみてみましょう。

・入力+と入力-に加わる電圧で出力電圧がON-OFFする様子を見る
・入力+の電圧を変えると、出力がどのようになるかを見る
・オペアンプの出力電流を測ってみる
・電源電圧を変えたとき、電源電圧とON-OFFがどのようになるかを見る

コンパレータ」とは、compare(比較する)道具という意味合いで、入力電圧が、決められた電圧かどうかをみて、条件に合えば決められた動作をする、スイッチのような役割のもの・・・と考えるといいでしょう。

例えば、「3Vの電圧になれば、電気をOFFにする・・・」「電圧が半分まで下がったら、ONにして電気を流す」・・・というイメージです。

このような動作をさせる専用のICもたくさんあります。 ただ、汎用オペアンプは、いろいろな用途に使うことができるというものですので、これを使って、この動作をさせてみましょう。

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コンパレータ回路の例

LM358Nについては、前ページでも取り上げましたが、8ピンで、2つのオペアンプが内蔵したもので、その片側を使います。 ピンの位置は下図のようになっています。 

下図では、No.3の入力ピンには、5Vの半分、2.5Vの電圧がかかっていて、10kΩのボリュームを回すと、No.2ピンの電圧が、0-5Vの間で変化する回路です。

つまり、2.5V以上では5Vを出力し、2.5V以下になると電圧を0 にする・・・ という動作をする回路図です。

後で結果の内容を示しますが、オペアンプの特性から、5Vの電源を使っていても、オペアンプの出力は5V にはならずに、3.7V程度 しか出力しないのですが、それでも、ボリュームを回して電圧を上下すると、2.5Vで、きっちりとにON-OFF動作をします。

目的としていた、判定スイッチの役目は完璧です。 それを順次にみていきます。

今回考えるコンパレーターの回路図

LM358Nには2つのオペアンプが組み込まれていますが、ここでは、片側の1つ(1・2・3ピン)と 電源の4・8ピンを5Vの単電源で使います。

(再掲)LM358Nの回路とピン位置図 (ピンの位置:再掲)

ここでの「コンパレータ」の役目は、ピン2や3の電圧が目的の電圧よりも高いか低いか・・・ということを判定して、出力側(図では出力+)に、適当な電圧を出力させる・・・というものです。

そのためには、入力+(3番ピン)に、別の電源や回路から電圧をかければいいのですが、ここでは、自己の電源から、その半分の電圧2.5Vを基準の電圧として取り出す回路にしています。(この後に、別の電源を用いて、入力電圧を変えてみた場合の例も示しています)

つまり、この回路図では、1kΩ+1kΩの抵抗器の中点の電圧は、5Vの半分の2.5Vなので、この中点からとった2.5Vを「入力+(3番ピン)」に加えています。 

つまり、この回路で、2番ピンに入る電圧が、3番ピンの 2.5V よりも高いか低いかを判定しています。

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【参考】 単電源でオペアンプを使う場合は、この「中点の電圧を使うこと」はよく出てきます。

電源電圧の中点2.5Vを基準電圧にすれば、交流電圧を増幅する場合などに、出力を最大幅に振らしてやることができるという利点があり、もしも、0Vを基準にすると、交流の上半分しか反映(増幅)されない状態になります。(もちろん、振らせる幅は、電源電圧で変わりますし、オペアンプの特性で、目いっぱいの電圧幅が取れないこともありますが、これは、後で説明します)

ここでは、この 電源5Vの中点の電圧 2.5V が判定の対象としている電圧にしようというものですが、判定電圧を変えたいなら、No.3ピンに加える電圧を、可変抵抗などを用いて変える・・・といいということですね。

ここで、おさらいになりますが、「1kΩ」の抵抗にしたのは、3番ピンに加わる電流を小さなものにして、さらに電圧を下げるためのもので、I=E/R=5/2000=2.5mAの電流が抵抗器に流れます。 データシートでは、50mAを超えてはいけないとなっていますが、計算しておくと、この値で、問題ないことがわかりますね。

ただ、ここでは、抵抗を使って、流れる電流を少ないものにしていますが、本来、オペアンプは、入力インピーダンスが高いという特徴が「売り」ですので、高い電流を加えても、それがそのまま、オペアンプに流れるというものではありません。 さらに、たくさん入力側に電流を流しても、出力電流が増えるということもありません。(後で説明しています)

抵抗器は、発熱しない程度の電流が流れる抵抗値にすればいいということで、適当に、1kΩということにしただけですが、常に、低電流の電圧をオペアンプに加えることを基本に考えておくといいでしょう。

上の回路では、1kΩの抵抗の中点からとった3番ピンに、2.5Vの電圧がかかっています。 そして、10kΩの可変抵抗を介して、「入力-(ピン2)」に、0V~5Vを変化させて加えるようにしています。つまり、(この図の場合は、電源が5Vですので) ピン2に加えたる電圧を変えると、出力電圧がどうなるのかを見ている・・・ということです。

もちろん、この10kΩも適当に決めています。 2番ピンに加わる電圧を変化させるだけですし、電流も小さなものですから、1kΩでも100kΩでもいいでしょう。 手持ちのものを使ってください。

これはオペアンプのいいところで、バイポーラトランジスタでは、ベース電流によってコレクタ電流を制御していましたが、電流は「熱作用(熱損失)」があるので、電圧で制御できるということは消費電流が少ないという「長所」だと言えます。

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コンパレーター回路をブレッドボードに組みました

ブレッドボードに配線したコンパレータ回路

下の写真のように、ピン2に加わる電圧が0Vのときは、3.66Vの出力が出ています。

5Vが出力するのではなくて、3.66Vしか出ていないのですが、これは、オペアンプの性能なので、仕方がないのです。

つまり、後で、2番ピンや3番ピンの電圧を変えて測定していますが、オペアンプが何かの仕事をして、精一杯頑張った結果が、3.66Vの出力ということです。

このように、一般的には、オペアンプは、電源電圧以下の出力電圧になります。 もちろん単体では、電源電圧以上を出力しません。

(注)高級・高価なオペアンプには、この取り出せる電圧が電源電圧まで広がったものがあります。(これを「レールツーレール」「フルスイング**」などと呼ばれます) さらに、無駄な電流やノイズが少ないものなどが数多く販売されています。 しかし、もちろんですが、特性が良いものは、ICの価格は高額です。

0V時の出力電圧 

上の写真のように、入力-(2番ピンとGND)の電圧0Vでは、3.66Vが出力されていまて、そしてボリューム(半固定抵抗)を回して、ピン2に加わる電圧を上げていくと、突然に出力が0Vになり、その後に高い電圧にしても、ずっと出力が0V という状態になりました。(右のテスターは加えている電圧を、左のテスターは出力電圧を示しています)

入力最大電圧における出力0状態

この写真では、入力-(2番ピンとGND)の電圧が4.92Vの状態で、出力は0Vです。

出力電圧が、0と3.66V に切り替わる境界を確かめてみると、2.4Vと2.5Vあたりにあります。

入力出力の関係グラフ 

グラフにするとこのような感じです。 つまり、2.5V付近を境にして、出力がON-OFFしたことになります。

このように、入力電圧に対して、出力電圧が、ある電圧を境に切り替わるのが「コンパレータ」の動作ということです。

この場合は、ピン3に加える電圧に対して、2.5V以上かどうかを判定しているということです。

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ちなみに、出力が出ているときの出力側の電流は?

そしてこのとき、どのくらいの電流が出力されているのをみてみましょう。

出力側の電流測定の様子

写真のように、出力側に1Ωの抵抗を介して、その電流値を測定します。 そうすると、計算の上で、 I=V/R で R=1なので、 I=V となるのでわかりやすくなります。

まず、上の写真のように、2番ピンの電圧が2.5Vより高い(写真では2.75V)状態では、出力側の電流は0です。 そして2番ピンの電圧を下げていくと・・・

出力じの出力電流値

2番ピンの電圧が2.5V以下(写真では1V)になると、突然に32mAの電流が流れます。(テスターが2つしかないのでこのときの電圧は測定していませんが、3.66Vの出力電圧になっているはずです)

ここで、32mA しか流れない・・・というのも「このオペアンプの特性」です。 言い換えれば、このLM358Nでは、最大32mAの電流を流すことができる・・・ということです。

30mA程度の電流量であれば、直接にLEDは点灯できますが、小さなDCモーターでも、直接のつなぐのは無理だということになります。 オペアンプだけでは、大きな電流量を扱うことができません。(トランジスタを使えば電流の操作ができます。ここでは紹介しません)

入力+(3番ピン)の電流量を変えても出力電流は変わらない

上の回路では、1kΩの中点から2.5Vの電圧を入力+に加えていますが、抵抗を変えて、抵抗に流れる電流値や入力+(3番ピン)に加わる電圧を変えても、オペアンプの出力特性が決まっているので、出力側の最大電流は32mAと変わることはありません。

例えば、電源が5Vであれば、現在の1kΩx2個を10kΩx2個に変えて測定してみても、その中点とGNDの電圧を測っても同じ2.5Vです。 そして、これらの抵抗器に流れる電流値は 10kΩ2個の場合は、 I=E/R=5/20000=0.25mA ですので、異なりますが、出力側の電流量は同じです。

また、後で実験していますが、3番ピンに加える電圧を変えても、出力側の電圧も最大電流も変わりません。 出力側の電流量は、オペアンプの特性で決まっているということです。

このとき、抵抗器の中点から3番ピンに流れる電流(オペアンプに入っていく電流)はどうなっているのでしょうか?

測定してみると・・・テスターで測ったところが、いずれも 0μAです。

なぜでしょう?

これは、オペアンプの入力抵抗(入力インピーダンス)が非常に高いためで、このように、流れる電流が少なくて、省電力で、なおかつ、目的の仕事をしてくれるというのも、オペアンプの特徴の一つと言えます。

ただし、ここでは 1kΩx2個 の抵抗にしていますが、これは、10kΩでも100kΩでも、いくらでもいい・・・といえますが、当然ですが、オペアンプの入力インピーダンスを越える高抵抗はダメです・・・ということになります。 もっとも、こんな抵抗器は使うことがないにしても、回路設計をするときには、知っておくといいですね。 

オペアンプは、電圧を制御している

このLM358Nでは、ほぼ短絡した状態で32mAが最大ということでした。

このように、一般的にも、どんなオペアンプを用いて直接に負荷を制御できる単体で流すことができる電流はそんなに大きくありませんから、オペアンプは、電流を制御するというよりも、電圧を制御しているということを覚えておくといいでしょう。(もっと大きな電流を扱えるものがありますが、高価です)

たとえば、この32mAの電流では、LEDを1~2個程度であれば直接点灯させることはできるのですが、小さなDCモーターを回すことは難しい電流量ですから、もしもDCモーターを回すように、大きな電流で何かを操作しようとすると、トランジスタの回路やメカニカルリレーを加えて考えるといい・・・ということが頭に浮かびます。(これは、電子工作で知っとおいた方がいい、基本的な使い方ですので、これは別に考えていくことにします) 

このような電圧でON-OFFのような動作をさせるのがコンパレータで、コンパレーターに特化した専用のICも販売されています。 

ここでは、安価な汎用のオペアンプでも、このような動作ができることがわかりました。

次に、さらに、電源電圧について、もう少しオペアンプの特性をみてみましょう。

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電源電圧5Vを変えるとどうなるのでしょう

結論的には、電源電圧が変われば、出力電圧が変わります。

5Vの電源で約3.7Vでしたが、定電圧電源装置を用いて、2V、5V、15V、20Vにしたのが下のグラフです。

データシートでは、LM358Nは、単電源では3V~32Vという広い範囲の電源電圧で使用できます。

ここでは分圧抵抗が1kΩ+1kΩで回路を作っていますので、電源電圧の1/2の電圧付近でON-OFFが切り替わるはずですね。

電源電圧を変えたときの出力電圧のグラフ

測定したところ、この図のように、2Vの電源電圧では0.9と1.0Vの間で、15Vの電源電圧では7.4と7.5Vの間で、20Vの電源電圧では9.9Vと10.0Vの間で・・・ と、予想通り電源電圧の1/2でON-OFFが切り替わっているのが確認できました。

そして同様に、入力した電源電圧よりも、少し低い出力電圧になることも同様です。 これも、このオペアンプLM358Nの特性と言えます。

つまり、高い出力電圧がほしければ、高い電源電圧を用いればいいということです。

ただ、特に高い電圧を出力しなくても、5Vの単電源で3.6Vですので、コンパレーターでは、この状態でも、充分に使えます。

ここまでは電源電圧を抵抗で下げて判定用の入力電圧を3番ピンに加えましたが、次に、別の電源を用いて、判定用の電圧を直接3番ピンに加えて、コンパレーターの機能が働いているのかを再確認してみましょう。

 

電源電圧が一定の状態で、判定電圧を変えると・・・

電源電圧を、5Vに固定しておいて、3番ピンに加わる電圧(仮に、判定電圧と呼びます)を変えるとどうなるでしょうか?

判定電圧回路

ここでは、5Vの電源から3番ピンに電圧を加えるのではなく、別に、低電流低電圧電源などの外部電源を用いて、3番ピンに加える入力電圧(判定電圧)を1V、3V、4Vと変えて、2番ピンの電圧をボリュームで0~5Vまで変化させてみました。(5V以上を加えるのは現実的でないので5V以下にしています)

コンパレータとしての結果

すると、このグラフのように、判定電圧を境にして、出力電圧がON-OFFして出力されています。

コンパレータの役目を果たしてくれていることがわかります。

・・・・・ 以上でコンパレータとしてオペアンプLM358Nを使用する場合の説明は終わりですが、

今回の実験では、電圧は簡単なテスターで測定しているものですし、0.1Vにまるめてグラフを書いています。 さらに、部品の誤差などもはあるでしょう。

だから、こういうものだ・・・・ということが分れば、それでいいでしょう。 

そしてここでは、出力電圧の最低が0Vになっていますが、これは、たまたま、結果オーライとなったものだと言えます。 

データシートに、「オフセット電圧・電流」が書いてあります。これは、普通はどのようなオペアンプでも、オフセット電圧やオフセット電流があって、出力電圧が、0にならない場合が普通です。

だから、実際に何かをしようとする場合には、0でないことなどを合わせて使い方も考えないといけないのですが、ともかく、このようなON-OFFのしくみを作ることが簡単にできると、いろいろな使い道は考えられると思います。

*****

【私の失敗談】

ここで使用したオペアンプLM358Nは、かなりラフに使っても問題なく楽しめる製品で、私は、やってはいけない結線の間違いで、規定外の逆電圧をかけてしまったのですが、パンクしない堅牢な製品です。 しかし、そのような間違いは危険ですので、データシートはあらかじめチェックして、結線の間違いをしないように、確認することが大事です。

ブレッドボードでは、ピンの位置は、データシートと同じに見たままを結線していけばいいのですが、ユニバーサル基板にはんだ付けをして配線するときは、裏側から見ての結線になるので、ピンの位置を間違えやすく、かなりの注意が必要です。 

そうはいっても、間違いを恐れていると、なにもできませんし、このHPでは、小さな電圧電流のものしか扱いませんので、なんでもやって見るのが経験になっていくと思います。

以上ここでは、オペアンプLM358Nの単電源を用いたコンパレータを見ましたが、ページを変えて、オペアンプの増幅について紹介します。

こちらのページで、光センサを使ったコンパレータの例を紹介しています。 ある距離に近づいたときに停止させるなど、車などに使われるセンサの考え方で利用できそうです。

 →次のページ オペアンプの使い方(3)非反転増幅回路

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