楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

オペアンプを使った発振回路

オペアンプを使って何かの回路を作りたいと思っても、書籍などの回路図には、抵抗値やコンデンサ値が書いていないことが多いのですが、データシートにある回路図は結構参考になリます。

まず、データーシートに書かれた基本の回路やヒントになる記事はメーカーの保証付きですから、それをもとにして、適当に部品を変えてみるなどのアレンジもしやすいでしょう。

なぜ、多くの書籍の回路図に詳しい部品の数値が書いていないのか・・・ですが、私の感じでは、発振には不安定な要素が多いために、うまく発振させるように、ある程度自分でアレンジ(工夫)できないといけないのかもしれません。

もちろん、部品精度もそうですが、電圧などの電源や環境温度、組み立て方による見えない静電容量などが重なり合って影響するので、「原理図」しか示せない・・・というのが理由のような感じがしますが、高い本を買っているのですから不満は残ります。

そのようなこともあるので、例えば、このHP通りに組み立ててもうまくいかない・・・ということも起きるかもしれないのですが、少なくとも、私はうまく結果が得られましたので、これは一つのヒントになるでしょう。


ここでは、今まで使っている安価な汎用オペアンプ「LM358N」を用いて、データシートに掲載されている発振回路を、ブレッドボードに組んで、実際にうまく動作するかどうかを確かめてみました。

オペアンプLM358N(再掲:LM358N)

LM358Nは、2つのオペアンプがパックされています。そこで、その1つを発振回路、もう一つを増幅回路にするような回路を面白いかもしれませんね。

一般的には、タイマーIC(555シリーズなど)を使って発振に利用することが多いのですが、原理的にはCR発振回路ですので、いろいろなことでやってみるといいでしょう。(→こちら にタイマーIC  NE555Pを使った記事があります)

ここで使うオペアンプは LM358N

  

オペアンプも、低雑音のオーディオ用などになると高価ですが、電子工作で楽しむための汎用のオペアンプは1つ数十円から販売されており、非常に安価で、少々荒っぽい使い方も気にせずにトライできます。

このLM358Nに限らず、単電源で使えるものが使いやすいと思いますので、まず、細かいことを考えないで、電源電圧と端子の結線のしかたに注意して、ともかくブレッドボードでいいので、回路を組んでみましょう。

回路を製品に組み込んで何かの製品を販売する・・・というような場合は、ノイズや安定性・安全性などの検討確認が大変ですが、個人で楽しむ程度では、ともかく手を動かしてどうなるのかを楽しめればいいのですから・・・。

テキサス・インスツルメンツさんの日本語版データシートがナショナルセミコンダクタージャパンさんのWEBページに公開されています。 この中にいろいろな参考回路が示されており、ここでは、この中から発振回路をピックアップしてみました。

データシートにある用途回路例TIのデータ例


回路図例

ここでは、上の3つを、電源を含めた回路図に書き換えてみました。

ここでやっているのは、電源電圧を変えて、周波数や出力電圧や波形をみているだけですが、電圧だけでなく、この回路をヒントに、いろいろと部品(抵抗値など)を変えると波形が変わるので面白いと思います。(ここでは長くなるので、その内容は示していませんが、これだけでも、結構楽しめます)

方形波の様子

①方形波オシレータ

方形波オシレータ回路

2番端子側を接地している、非反転増幅回路で、1番ピンから3番ピンに正帰還をかけ、2番品からの接地で周波数や波形を決めている・・・というようにこの回路図を読むことができます。

出力された方形波 方形波2

仕様には電源電圧が30Vまでとなっていますが、電源の電圧が変わると、何かが変化することを見ていただくといいでしょう。

オシロ波形写真の左下に波形の詳細数字があります。 このMaは中央の点線から上の電圧、Vppは最大最小電圧、Fは周波数、Tは周期です。 上表は、電源電圧を変えた時のFとVppの丸めた値です。

赤い下線をつけた100kΩですが、電源電圧の1/2が(この場合は)3番の+端子に加わるようにするように、同じ抵抗値にしています。 

プラスマイナスで電圧変化する交流の場合は、通常、このような方法を使うことによって、出力レンジを最大にとることができます。

もちろん、この2つの抵抗値を変えると、そこに流れる電流値が変わるだけですので、100kΩでなくてもいいです。 

10kΩ~500kΩ程度がよく使われているようです。 

その他の部品を変えてみると波形が変化します。どのようになるのかを見てみるのが面白いでしょう。

周波数は 1/RC の関係があるので、100kΩや0.001μFを大きくしていくと周波数が上がるでしょう。

書籍を探せば、何かの計算式もあると思うのでそれを参考にするのもいいのですが、私が試しにやったところ、計算値と1kHzの違いがありましたので、多分、やってみないとわからないところが面白いと思います。


②パルスジェネレータ

パルスジェネレータ回路

出力波形 結果

※の部品の手持ちがなかったことで、もとの回路図はダイオードはIN194だったのを手持ちの1S10にしており、30kΩとなっているものを33kΩに、150kΩは、100+51kΩを直列にしています。

この程度の変更では、波形が大きく変わることはないと思いますので、多分所定の回路は、デューティーサイクル(デューティー比:ONとOFFの時間の比)が50%(ON-OFF時間がほぼ同じ)になるように設計されたもののような感じです。

なお、この回路では、4.3V以下の電源電圧になると、発振が止まってしまいました。 また、表以外の高い電圧についても試していません。

波形測定は『電圧測定』と同じですので、電圧を上げると発振の様子は変わりますが、電流値についてはオペアンプの仕様から見ると、出力側を短絡しても60mA程度ですので、危険性は少ないでしょう。


③パルスジェネレータ

回路2

出力波形2

 結果2

データシートでは、オシレータとパルスジェネレータはデューティ比(デューティーサイクル:ON-OFF時間の比率)で区別している感じで、デューティー比が小さなものをパルスジェネレータと呼んでいるようです。 

この画面で見ると、ON時間が100μ秒、OFF時間が450μ秒程度と読めますので、デューティー比は22%程度ということになります。

*****

電源電圧によって、波形の形が変わる以外に、周波数の傾向が変わるなどもあって、さらに、部品を取り替えて指定値を変えてみることで、結構楽しめるでしょう。

基本は方形波になりますが、いろいろやってみると、大発見があるかもしれません。これが電子工作の楽しみですので、是非トライしてみてください。

*****

ここではテスターではなく、オシロスコープを利用しました。

どうしても交流波形や波形の電圧を見ようとするとオシロスコープがあると便利です。 

今までわたしは、キットで作った簡易のオシロスコープ(5000円まで)を使っていましたが、ようやく、最安価帯(約2.5万円)のデジタル・オシロスコープを購入できました。 

これがあると、いろいろな情報が得られますし、使い方も難しくはありません。 こちらの私の記事を参考に。

オシロスコープ

以上でオペアンプに関する記事はいったん終了しますが、その他の記事でも使っていますので、参考になればヒントにしてください。

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