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の記事は、次のようにページを分けて紹介しています。

1)オペアンプの簡単な紹介と単電源を使用する方法について(こちら
2)コンパレータの仕組みを見る(このページ)
3)オペアンプ基礎とそれを使った非反転増幅回路を見る・・・など

 

簡単な「コンパレータ」の回路

オペアンプLM358 のメーカーのデータシートには次のように書いてあります。

LM358Nデータシートの説明引用

まさに初心者用にうってつけのようです。そこで、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。

やろうとしている内容は以下のものです。

・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


コンパレータ回路の例

今回考えるコンパレーターの回路図

いきなり難しい図が出てきた・・・と思わないでください。

LM358Nには2つのオペアンプが組み込まれていますが、片側の1・2・3ピンと電源の4・8ピンを単電源で使います。前のページも参考にしてください。

「コンパレータ」とは、ここでは、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、なにがしかの)電圧を出力させるというものです。

そのために、入力+(3番ピン)に、別の電源などを用いて「ある電圧」をかけるのも一つの方法ですが、ここでは、1つの電源から、入力のための基準の電圧を作るようにしているので、少し細工した回路図になっています。(後で、別の電源を用いるなどで入力電圧を変えてみた内容も示しています)

このために、左の 1kΩの抵抗器を2つ加えています。 

こうすると、1kΩの抵抗2つの中点なので、電源電圧5Vに対して、中点でその半分の 2.5V が取り出せますので、この中点の2.5Vを「入力+(3番ピン)」に加えています。 つまり、2.5Vよりも高いか低いかを判定する回路といえます。

単電源でオペアンプを使う場合は、この「中点電圧を使うこと」はよく出てきます。そしてこれをしばしば使うことがあるので、同じ抵抗2つを用いて「中点から端子に電圧を与える」というこの方法を覚えておきましょう。

これによって、中点2.5Vを基準電圧にしておくと、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ます。0Vを基準にすると、交流の上半分しか増幅しないということになるためです。(もちろん、振らせる幅は、電源電圧で変わりますが、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、可変抵抗などを用いるといいということですね。

これを、少しおさらいを兼ねて説明します。 ここで「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、特に深く考えていません。 この場合は、オームの法則からI=V/Rですので、計算では5/2000で、各抵抗には2.5mAが流れます。

さらに、入力電圧を変えたいのであれば、下のような回路でもいいでしょう。これは10kΩの可変抵抗ですが、5/10000=0.5mAが抵抗に流れる電流で、2kΩの可変抵抗を使うと、固定抵抗1kΩx2の場合と同じように、2.5mAが流れて、入力電圧は、0~5Vで変えることができます。

オペアンプに供給する可変電圧回路

でも、抵抗に流れる電流を変えても、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、それがオペアンプには流れるというものではありません。 さらにそれによって、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、「中点電圧」をオペアンプに加えることを基本に考えておいてください。

1kΩの抵抗の中点から3番ピンには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と、(この図の場合は、電源が5Vですので) その電圧を変えてピン2に加えた場合に、出力電圧がどうなるのかを見る・・・ということになります。

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長所だと言えます。


ブレッドボードに回路を組みました

コンパレータの動作を見る

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、オペアンプの性能で、大事なところです。

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、3.66V程度の出力電圧で、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(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)や、無駄な電流やノイズが少ないものが数多く販売されています。

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が出力されています。

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。

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。

その0と3.66Vが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。2.5V付近を境にして、出力がON-OFFした感じです。

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。

ちなみに、出力が出ているときの出力側の電流は?

5Vの電源電圧で3.66Vの出力になっているのは、このオペアンプの特性で仕方がないのです。5Vを加えても5Vの出力にはなりません。

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、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つしかないので測定していませんが、このときは、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、最大32mAの電流を流すことができるということです。

入力+(3番ピン)の電圧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、出力側の最大電流は32mAで変わりません。

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、これらの抵抗器に流れる電流値は異なりますが結果は同じですし、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。 

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)が非常に高いためと考えられます。この、流れる電流が少なくて目的の仕事をしてくれるのもオペアンプの特徴の一つと言えます。

この1kΩx2個の抵抗にしたことについて、最初に、「適当に1kΩを使った」と説明していますが、 これは、1kΩでも10kΩでも100kΩでも、いくらでもいいということなのです。 ただ、オペアンプの入力インピーダンスを越える高抵抗はいけませんし、非常に小さな抵抗器では電流が流れすぎて発熱しますので、抵抗値は「適当」な値でないといけないということになります。

以上、コンパレータの役割を見ましたが、入力ピンにかかる電圧を基準と比較して、出力をON-OFFしますが、その時の出力側に流れる電流の最大値は変わらないということになっていました。

オペアンプの出力電流はそんなに多くありません

このLM358Nでは、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。

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。(少し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そうです。

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、基本的な使い方ですが、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、これに特化した専用の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。


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。

LM358Nの仕様では、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、5V入力で5Vではなく、電源電圧よりも少し低い出力電圧であることも同様になっています。 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ます。

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、これで、結構使えそうな感じがします。

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番ピンに加えてみます。

 

電源電圧一定で、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、低電流低電圧電源を用いて、3番ピンに加える入力(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しているような感じで出力されています。

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、結果オーライと言えるのかもしれません。

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、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。

*****

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感じですが、ただ、これを使う前には、データシートはあらかじめチェックしておいてください。

まず、絶対最大定格には注意しなければなりませんし、私がミスしたことなのですが、電源のプラスマイナスを間違うのは言語道断です。

ブレッドボードでピンの位置は、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、ユニバーサルボードをつかって配線するときは、裏側から見て配線しますので、このときには、かなりの注意が必要です。

データシートには、「入力+ピンに-0.3V以下の負電圧を加えると、一瞬でパンクする」という注意事項などもあります。 絶対に、入力ピンの位置を間違えないように注意しなければなりません。 

そうはいうものの、最初に書いたように、恐れているとなにもできません。 ここでは小さな電圧電流しか扱いませんので、ともかく、1歩を踏み出して使ってみてください。 だんだんと楽しさがでてくれば、しめたものです。

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。

 →インデックスのページへ 

 →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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