Операционный усилитель (ОУ) имеет сложную внутреннюю структуру, в которую не будем углубляться сосредоточившись на практическом применении. Графический символ операционного усилителя относится не к его внешнему виду (тем более что он может быть доступен в различных корпусах), а к принципу работы:
Графический символ операционного усилителя. We (In) — вход, Wy (Out) — выход
Символ этот очень упрощен. Если бы мы хотели разместить на нем все необходимые детали обвязки и коррекции, пришлось бы нарисовать еще контакты. Но чаще всего этого достаточно.
Описание микросхемы LM358
Подтверждением высокой популярности микросхемы являются ее рабочие характеристики, позволяющие создавать много различных устройств. К основным показательным характеристикам компонента следует отнести нижеследующие.
Приемлемые рабочие параметры: в микросхеме предусмотрено одно и двухполюсное питание, широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В, приемлемая скорость нарастания выходного сигнала, равная всего 0,6 В/мкс. Также микросхема потребляет всего 0,7 мА, а напряжение смещения составит всего 0,2мВ.
Мастерам на все руки будет интересна статья о схеме подключения автоприцепа и распиновке розетки фаркопа.
Рабочие условия
VCC = ±15 V, TA = 25°C
| Параметр | Условия | TYP | Ед. изм. | |
| SR | Скорость нарастания при единичном усилении | RL = 1 МОм, CL = 30 пФ, VI = ±10 В (см. Рис. 3) | 0.3 | В/мкс |
| B1 | Ширина полосы при единичном усилении | RL = 1 MОм, CL = 20 пФ (см. Рис. 3) | 0.7 | МГц |
| Vn | Эквивалентное напряжение шумов, приведенное ко входу | RS = 100 Ом, VI = 0 В, f = 1 кГц (см. Рис. 4) | 40 | нВ/vГц |
Усилитель с единичным коэффициентом усиления
Схема для проверки шумов
Описание выводов
Микросхема реализована в стандартных корпусах DIP, SO и имеет 8 выводов для подключения к цепям питания и формирования сигналов. Два из них (4, 
используются в качестве выводов двухполярного и однополярного питания в зависимости от типа источника или конструкции готового устройства. Входы микросхемы 2, 3 и 5, 6. Выходы 1 и 7.
В схеме операционного усилителя имеются 2 ячейки со стандартной топологией выводов и без цепей коррекции. Поэтому для реализации более сложных и технологичных устройств потребуется предусматривать дополнительные схемы преобразования сигналов.
Микросхема является популярной и используется в бытовых приборах, эксплуатируемых при нормальных условиях, и в особых с повышенной или пониженной температурой окружающей среды, высокой влажностью и прочими неблагоприятными факторами. Для этого интегральный элемент выпускается в различных корпусах.
Назначение
Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.
Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.
Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.
Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.
Аналоги микросхемы
Являясь средним по параметрам, операционный усилитель LM358 имеет аналоги по техническим характеристикам. Компонент без буквы может быть заменен на OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C, NE532, OP04, OP221, OP290. А для замены LM358D потребуется использовать KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G. Интегральная микросхема выпускается в серии с другими компонентами, которые имеют отличия лишь в температурном диапазоне, предназначенные для работы в суровых условиях.
Встречаются операционные усилители с максимальной температурой до 125 градусов и с минимальной до 55. Из-за чего сильно разнится и стоимость устройства в различных магазинах.
- Схема усилителя звука на одном транзисторе
К серии микросхем относятся LM138, LM258, LM458. Подбирая альтернативные аналоговые элементы для применения в устройствах важно учитывать рабочий температурный диапазон. Например, если LM358 с пределом от 0 до 70 градусов недостаточно, то можно использовать более приспособленные к суровым условиям LM2409. Также довольно часто для изготовления различных устройств требуется не 2 ячейки, а 1, тем более, если место в корпусе готового изделия ограничено. Одними из самых подходящих для использования при конструировании небольших устройств являются ОУ LM321, LMV321, у которых также есть аналоги AD8541, OP191, OPA337.
Особенности включения
Существует много схем подключения операционного усилителя LM358 в зависимости от необходимых требований и выполняемых функций, которые будут к ним предъявлены при эксплуатации:
- неинвертирующий усилитель;
- преобразователь ток-напряжение;
- преобразователь напряжение-ток;
- дифференциальный усилитель с пропорциональным коэффициентом усиления без регулировки;
- дифференциальный усилитель с интегральной схемой регулирования коэффициента;
- схема контроля тока;
- преобразователь напряжение-частота.
Таблица характеристик
| Параметр | LM358, LM358N |
| Питание, вольт | 3-32В |
| Биполярное питание | ±1,5В до ±16В |
| Потребляемый ток | 0,7мА |
| Напряжение смещения по входу | 3мВ |
| Ток смещения компенсации по входу | 2нА |
| Входной ток смещение | 20нА |
| Скорость нарастания на выходе | 0,3 В/мсек |
| Ток на выходе | 30 — 40мА |
| Максимальная частота | 0,7 до 1,1 МГц |
| Коэффициент дифференциального усиления | 100дБ |
| Рабочая температура | 0° до 70° |
Микросхемы различных производителей могут иметь разные параметры, но всё в пределах нормы. Единственное может сильно отличаться максимальная частота у одних она 0,7МГц, у других до 1,1МГц. Вариантов использования ИМС накопилось очень много, только в документации их около 20 штук. Радиолюбители расширили это количество более 70 схем.
Советуем к прочтению: Как сделать ламповый усилитель для наушников своими руками
Типовой функционал из datasheet на русском:
- компараторы;
- активные RC фильтры;
- светодиодный драйвер;
- суммирующий усилитель постоянного тока;
- генератор импульсов и пульсаций;
- низковольтный детектор пикового напряжения;
- полосовой активный фильтр;
- для усиливания с фотодиода ;
- инвертирующий и не инвертирующий усилитель;
- симметричный усилитель;
- стабилизатор тока;
- инвертирующий усилитель переменного тока;
- дифференциальный усилитель постоянного тока;
- мостовой усилитель тока.
Популярные схемы на lm358
Существуют различные устройства, собранные на LM358 N , выполняющие определенные функции. При этом это могут быть всевозможные усилители как УМЗЧ, так и в промежуточных цепях измерений различных сигналов, усилитель термопары LM358, сравнивающие схемы, аналого-цифровые преобразователи и прочее.
Неинвертирующий усилитель и источник опорного напряжения
Это самые популярные типы схем подключения, применяемые во многих устройствах для выполнения различных функций. В схеме неинвертирующего усилителя выходное напряжения будет равно произведению входного на пропорциональный коэффициент усиления, сформированный отношением двух сопротивлений, включенных в инвертирующую цепь.
Схема источника опорного напряжения пользуется высокой популярностью благодаря своим высоким практическим характеристикам и стабильности работы в различных режимах. Схема отлично удерживает необходимый уровень выходного напряжения. Она получила применение для построения надежных и высококачественных источников питания, аналоговых преобразователей сигналов, в устройствах измерения различных физических величин.
Генератор синусоидальных сигналов
Одной из самых качественных схем синусоидальных генераторов является устройство на мосте Вина. При корректном подборе компонентов генератор вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот с высокой стабильностью. Также микросхема LM 358 часто используется для реализации генератора прямоугольных импульсов различной скважности и длительности. При этом сигнал является стабильным и высококачественным.
Усилитель
Основным применением микросхемы LM358 являются усилители и различная усилительная аппаратура. Что обеспечивается за счет особенностей включения, выбора прочих компонентов. Такая схема применяется, например, для реализации усилителя термопары.
- Как сделать стабилизатор тока для светодиодов?
Усилитель термопары на LM358
Очень часто в жизни радиолюбителя требуется осуществлять контроль температуры каких-либо устройств. Например, на жале паяльника. Обычным градусником это не сделаешь, тем более, когда необходимо изготовить автоматическую схему регулирования. Для этого можно использоваться ОУ LM 358. Эта микросхема имеется малый тепловой дрейф нуля, поэтому относится к высокоточным. Поэтому она активно используется многими разработчиками для изготовления паяльных станций, прочих в устройствах.
Схема позволяет измерять температуру в широком диапазоне от 0 до 1000 оС с достаточно высокой точностью до 0,02 оС. Термопара изготовлена из сплава на основе никеля: хромаля, алюмеля. Второй тип металла имеет более светлый цвет и меньше подвержен к намагничиванию, хромаль темнее, магнитится лучше. К особенностям схемы стоит отнести наличие кремниевого диода, который должен быть размещен как можно ближе к термопаре. Термоэлектрическая пара хромаль-алюмель при нагреве становится дополнительным источником ЭДС, что может внести существенные коррективы на основные измерения.
Простая схема регулятора тока
Схема включает кремниевый диод. Напряжения перехода с него используется как источник опорного сигнала, поступающий через ограничивающий резистор на неинвертирующий вход микросхемы. Для регулировки тока стабилизации схемы использован дополнительный резистор, подключенный к отрицательному выводу источника питания, к неивертирующему входу МС.
Схема состоит из нескольких компонентов:
- Резистора, подпирающего ОУ минусовым выводом и сопротивлением 0,8 Ом.
- Резистивного делителя напряжения, состоящего из 3 сопротивлений с диодом, выступающего источником опорного напряжения.
Резистор номиналом 82 кОм подключен к минусу источника и положительному входу МС. Опорное напряжение формируется делителем, состоящим из резистора 2,4 кОм и диода в прямом включении. После чего ток ограничивается резистором 380 кОм. ОУ управляет биполярным транзистором, эмиттер которого подключен непосредственно к инвертирующему входу МС, образовав отрицательную глубокую связь. Резистор R 1 выступает измерительным шунтом. Опорное напряжение формируется при помощи делителя, состоящего из диода VD 1 и резистора R 4.
В представленной схеме при условии использования резистора R 2 сопротивлением 82 кОм ток стабилизации в нагрузке составляет 74мА при входном напряжении 5В. А при увеличении входного напряжения до 15В ток увеличивается до 81мА. Таким образом, при изменении напряжения в 3 раза ток изменился не более, чем на 10%.
Зарядное устройство на LM 358
С использованием ОУ LM 358 часто изготавливают зарядные устройства с высокой стабилизацией и контролем выходного напряжения. Как пример, можно рассмотреть зарядное устройство для Li — ion с питанием от USB . Эта схема представляет собой автоматический регулятор тока. То есть, при повышении напряжения на аккумуляторе зарядный ток падает. А при полном заряде АКБ схема прекращает работать, полностью закрывая транзистор.
Рубрики Это интересно
- Как зарядить аккумулятор шуруповерта правильно
- Торцовочная пила с протяжкой по дереву: устройство, рейтинг
- Фуговальный станок по дереву для домашней мастерской
- Циркулярный станок по дереву: конструкция и разновидности
- Описание, характеристики и выбор электрического рубанка
Какие же характеристики LM358 принесли ему такую популярность:
- Как сделать стабилизатор тока для светодиодов?
- низкая стоимость;
- никаких дополнительных цепей компенсации;
- одно или двуполярное питание;
- широкий диапазон напряжений питания от 3 до 32 В;
- Максимальная скорость нарастания выходного сигнала: 0,6 В/мкс;
- Ток потребления: 0,7 мА;
- Низкое входное напряжение смещения: 0,2 мВ.
Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса
Исходные данные для расчета представлены в таблицах.
Таблица. Исходные данные для расчета компаратора
| Вход | Выход | Питание | ||||
| ViMin | ViMax | VoMin | VoMax | Vcc | Vee | Vref |
| 0 В | 5 В | 0 В | 5 В | 5 В | 0 В | 5 В |
Таблица. Пороговые значения
| Нижний порог переключения VL | Верхний порог переключения VH | VH – VL |
| 2,3 В | 2,7 В | 0,4 В |
Описание схемы
Компараторы используются, чтобы сравнить два входных сигнала и сформировать выходной сигнал в зависимости от того, какой из входных сигналов больше (рисунок 84). Шум или дребезг входных сигналов могут привести к множественным переключениям компаратора. Для борьбы с такими переключениями используется гистерезис, устанавливающий верхнюю и нижнюю границу переключения.
Рис. Схемы компараторов с гистерезисом (слева) и без гистерезиса (справа)
Рекомендуем обратить внимание:
- следует использовать компаратор с минимальным собственным током потребления;
- точность задания пороговых значений гистерезиса определяется точностью номиналов резисторов;
- задержка срабатывания определяется параметрами используемого компаратора.
Советуем к прочтению: Тиристоры: принцип работы, проверка и характеристики
Принцип работы
Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.
Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.
Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.
Порядок расчета компаратора с гистерезисом
- Выбираем значение резистора R1 = 100 кОм. Значения пороговых напряжений были определены в таблице исходных данных: VL = 2,3 В, VH = 2,7 В.
- Рассчитаем R2 по формуле 1:
- Рассчитаем R3 по формуле 2:
- Проверяем полученное значение гистерезиса, согласно формуле 3:
Порядок расчета компаратора без гистерезиса
- Выбираем пороговое значение Vth = 2,5 В.
- Выбираем значение резистора R4 = 100 кОм.
- Рассчитываем R5 по формуле 4:
Моделирование схемы
Временные диаграммы работы схемы представлены на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Временные диаграммы работы схемы: шум присутствует только в начальный короткий интервал времени 0…120 мкс
Рис. 2. Увеличенная осциллограмма напряжений: интервал 40…110 мкс
LM358 цоколевка
Так как LM358 имеет в своем составе два операционных усилителя, у каждого по два входа и один выход (6 — выводов) и два контакта нужны для питания, то всего получается 8 контактов.
Список ранее опубликованных глав
- Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
- Инвертирующий усилитель
- Неинвертирующий усилитель
- Инвертирующий сумматор
- Дифференциальный усилитель
- Интегратор
- Дифференциатор
- Трансимпедансный усилитель
- Однополярная схема измерения тока
- Биполярная схема измерения тока
- Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
- ШИМ-генератор на ОУ
- Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
- Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
- Активный полосовой фильтр
- Однополупериодный инвертирующий выпрямитель
- Выпрямитель на ОУ
- Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием
- Ограничитель скорости изменения напряжения
- Схема формирования дифференциального сигнала
- Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
- Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
- Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
- Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
•••
Аналоги LM358
Вместе с LM358 выпускается большое количество похожих операционных усилителей. Например LM158, LM258, LM2409 имеют аналогичные характеристики, но разный температурный диапазон работы.
| Тип | Минимальная температура, °C | Максимальная температура, °C | Диапазон питающих напряжений, В |
| LM158 | -55 | 125 | от 3(±1,5) до 32(±16) |
| LM258 | -25 | 85 | от 3(±1,5) до 32(±16) |
| LM358 | 70 | от 3(±1,5) до 32(±16) | |
| LM358 | -40 | 85 | от 3(±1,5) до 26(±13) |
Если диапазона 0..70 градусов не хватает, то стоит применить LM2409, однако следует учитывать что у неё диапазон питания уже:
LM358 схема включения: преобразователь напряжение – частота
И напоследок схема которую можно использовать в качестве аналого-цифрового преобразователя. Нужно только подсчитать период или частоту выходных сигналов.
- C1 – 0,047 мкФ;
- DA1 – LM358;
- R1 – 100 кОм;
- R2 – 50 кОм;
- R3,R4,R5 – 51 кОм;
- R6 — 100 кОм;
- R7 — 10 кОм.
Применение
Чтобы собрать даже самый простой стабилизатор напряжения к зарядному устройству необходимо обладать хоть маломальскими знаниями по физике. Иначе сложно будет понять зависимость физических величин, например, то, как по мере заряда сопротивление аккумулятора увеличивается, ток заряда падает и напряжение растет.
Применение
- генератор импульсов и пульсаций (устройства типа «мигающий маяк»);
- блоки питания и зарядные устройства;
- сплит системы внутреннего и наружного применения;
- материнские платы;
- бытовая техника;
- симетричный усилитель;
- мостовой усилитель тока;
- схемы управления двигателем;
- источники бесперебойного питания;
- холодильные установки, посудомоечные и стиральные машины;
- различные виды инверторов;
- контроллеры и другое.
Сферы применения микросхемы производители, как правило, указывают в технических описаниях.
Простое зарядное устройство стабилизатор тока из подручных материалов
Существует огромное число готовых схем и конструкций, позволяющих заряжать автомобильный аккумулятор. Эта статья на тему переделки компьютерного блока питания под автоматическое зарядное устройство автомобильного аккумулятора. В ней рассказывается о том, как собрать автоматический стабилизатор тока с возможностью регулировки выходного тока.
Схема стабилизатора, используемая в нашем собираемом зарядном устройстве, довольно проста и основана на базе операционного усилителя (ОУ) без обратной связи с большим коэффициентом усиления.
В качестве такого операционного усилителя, или правильнее будет его назвать компаратором, используется микросхема LM358. На изображении видно, что она имеет:
- два входа (инвертирующий и неинвертирующий);
- один выход.
Задача LM358 состоит в том, чтобы сбалансировать параметры на выходе путём увеличения или уменьшения напряжения на входах.
Зарядное устройство или простой стабилизатор – это прибор, который:
- сглаживает пульсации сети;
- поддерживает прямую линию графика тока на одном уровне.
Как это осуществляется? В нашем случае на один вход подаётся опорное напряжение, задаваемое с помощью стабилитрона. Второй вход подключен после шунта, предназначенного для роли датчика тока. Когда подключается к выходу разряженный аккумулятор, в цепи возрастает ток и соответственно возникает падение напряжения на низкоомном резисторе. На микросхеме LM358 появляется разность напряжений между двумя входами. Устройство стремится сбалансировать эту разность, тем самым увеличивая параметры на выходе.
Глядя на схему мы видим, что на выход подключен полевой транзистор, который управляет нагрузкой. По мере заряда аккумулятора на клеммах устройства начинает повышаться напряжение, следовательно, начинает расти оно и на одном из входов ОУ. Возникает разность напряжений между входами, которую ОУ пытается выровнять путём уменьшения напряжения на выходе, тем самым уменьшая ток в основной цепи.
В итоге, аккумулятор заряжается до нужного напряжения, то есть выставленного значения на клеммах зарядного устройства. Падение напряжения на резисторе R3 становится минимальным, либо его не будет вообще. При выравнивании напряжения на входах транзистор закрывается, тем самым отключая нагрузку от зарядного устройства.
Особенностью данной схемы является то, что она позволяет ограничивать ток заряда. Делается это с помощью переменного резистора, который включён последовательно в делитель. И собственно поворачивая ручку этого резистора можно изменять параметры на одном из входов. Возникающую разность опять же выравнивают путём увеличения либо уменьшения параметров.
Универсальных схем не бывает. Кого-то интересует вопрос увеличения тока нагрузки. Например, что нужно поменять в схеме для 15 А? Необходимо будет поставить переменник не 5, а 10 кОм. Так же сделав предварительный расчёт и заменив соответствующие элементы, можно запросто настроить схему под свои нужды.
Регулировка коэффициента усиления
В прошлой конструкции имеется один недостаток – нет возможности произвести регулировку коэффициента усиления. Причина – сложность реализации, ведь нужно использовать сразу два переменных резистора. Но если вдруг возникла необходимость проводить регулировку коэффициента, можно использовать схему конструкции на трех операционниках:
Здесь корректировка происходит при помощи переменного резистора R2. Обязательно нужно учесть, чтобы были выполнены такие равенства:
В этом случае k=(1+2*R1/R2).
Напряжение на выходе усилителя U(out)=(1+2*R1/R2)*(Uin1-Uin2).
