LM358 Opamp Kullanım Devresi Nasıl Kurulur?

Bir sensörün 0-1 V çıkışını mikrodenetleyici ADC girişine taşırken, basit bir eşik algılama devresi kurarken veya düşük maliyetli analog yükseltme gerektiğinde LM358 opamp kullanım devresi sık tercih edilir. Bunun nedeni yalnızca yaygın ve ekonomik olması değildir. LM358, tek besleme ile çalışabildiği ve giriş gerilimini negatif besleme hattına, yani GND seviyesine kadar kabul edebildiği için 5 V ve 12 V sistemlerde pratik sonuç verir.

Ancak LM358, her uygulamaya doğrudan takılıp çalışacak bir opamp değildir. Pozitif besleme hattına yaklaşan girişlerde, yüksek çıkış salınımında, hassas ölçüm devrelerinde ve hızlı sinyallerde sınırları bilinmelidir. Doğru direnç değerleri, temiz besleme ve uygun çalışma aralığı seçildiğinde; servis, otomasyon, hobi ve prototip projelerinde güvenilir bir analog katman oluşturur.

LM358 opamp kullanım devresi için temel bilgiler

LM358 içinde iki bağımsız operasyonel yükselteç bulunur. DIP-8 veya SOIC-8 kılıfta sunulan standart sürümün pin yapısı şöyledir: 1 numara A kanalı çıkışı, 2 numara A kanalı eksi girişi, 3 numara A kanalı artı girişi, 4 numara negatif besleme, 5 numara B kanalı artı girişi, 6 numara B kanalı eksi girişi, 7 numara B kanalı çıkışı ve 8 numara pozitif beslemedir.

Tek beslemeli kullanımda pin 4 doğrudan GND'ye, pin 8 ise genellikle +5 V veya +12 V hattına bağlanır. Çift besleme kullanılacaksa pin 4 negatif hatta, pin 8 pozitif hatta bağlanabilir. Buna rağmen LM358'in en yaygın avantajı, negatif besleme gerektirmeden çalışmasıdır.

Besleme pinlerine yakın konumda 100 nF seramik bypass kondansatörü kullanılmalıdır. Kablo uzun, röleli yükler yakın veya besleme anahtarlamalı ise 10 uF ile 47 uF arasında ek elektrolitik kondansatör de fayda sağlar. Bu küçük önlem, çıkıştaki beklenmedik dalgalanmayı ve eşik devrelerindeki yalancı tetiklemeyi ciddi ölçüde azaltır.

Çalışma sınırları neden belirleyicidir?

LM358'in giriş ortak-mod gerilim aralığı GND seviyesine kadar iner; fakat pozitif besleme hattına kadar çıkmaz. 5 V ile beslenen standart bir LM358'de giriş gerilimini pratikte yaklaşık 0 V ile 3,5 V arasında tutmak güvenlidir. Kesin pay, üreticiye, sıcaklığa ve yük koşuluna göre değişir.

Çıkış da gerçek bir rail-to-rail çıkış değildir. Çıkış GND'ye oldukça yaklaşabilir, ancak +5 V beslemede tam 5 V veremez. Yüksek seviye çoğu koşulda pozitif hattan yaklaşık 1 V ila 1,5 V aşağıda kalabilir. Bu yüzden çıkışı doğrudan 5 V lojik girişe bağlanacak devrelerde, mikrodenetleyicinin yüksek seviye algılama eşiği mutlaka kontrol edilmelidir.

LM358 ayrıca yüksek hızlı bir opamp değildir. Birim kazanç bant genişliği yaklaşık 1 MHz sınıfındadır. Ses öncesi katları, sıcaklık sensörleri, akım ölçümü ve yavaş analog sinyaller için uygundur. Yüzlerce kHz ve üzerindeki hassas sinyal şekillendirme ihtiyacında daha hızlı bir opamp seçmek daha doğru olur.

Gerilim takipçi devresi: sensörü yükten ayırma

En basit LM358 bağlantısı gerilim takipçidir. Sensör çıkışı artı girişe, opamp çıkışı ise eksi girişe bağlanır. Çıkış, giriş gerilimini yaklaşık aynı seviyede üretir; ancak sensörü sonraki devrenin yükünden izole eder.

Bu bağlantı özellikle potansiyometre, NTC gerilim bölücü, LDR devresi veya yüksek empedanslı analog sensör çıkışlarında kullanılır. Sensörün çıkışı ADC girişine doğrudan bağlıyken okuma kararsızsa, takipçi katı çözüm olabilir. Yine de sensör çıkışı 5 V beslemeli LM358 için 3,5 V seviyesini aşacaksa devre sınırda çalışır. Bu durumda beslemeyi yükseltmek, sinyali direnç bölücüyle düşürmek veya rail-to-rail opamp kullanmak gerekir.

Çıkışta uzun kablo ya da kapasitif yük varsa opamp kararsız davranabilir. Çıkışa seri 47 ohm ile 220 ohm arasında bir direnç eklemek, özellikle ölçüm kartı ile kontrol kartı farklı noktalardaysa iyi bir uygulamadır.

Terslemeyen yükselteç ile küçük sinyali büyütme

0,2 V seviyesindeki bir sensör sinyalini 2 V civarına taşımak için terslemeyen yükselteç bağlantısı kullanılabilir. Sinyal artı girişe uygulanır. Eksi giriş ile GND arasına R1, çıkış ile eksi giriş arasına R2 bağlanır. Kazanç aşağıdaki formülle hesaplanır:

`Kazanç = 1 + (R2 / R1)`

Örneğin R1 için 10 kOhm ve R2 için 90 kOhm seçildiğinde teorik kazanç 10 olur. Giriş 0,2 V ise çıkış yaklaşık 2 V seviyesine ulaşır. Dirençlerin yüzde 1 toleranslı seçilmesi, özellikle seri üretim veya kalibrasyonsuz ölçüm devrelerinde daha tutarlı sonuç sağlar.

Çok yüksek direnç değerleri teorik olarak çalışır; fakat kaçak akımlar ve parazit etkisi büyür. Genel amaçlı LM358 devrelerinde 4,7 kOhm ile 100 kOhm aralığı çoğu zaman dengeli bir seçimdir. Kazanç yükseldikçe ofset gerilimi ve gürültü de büyütülür. Bu nedenle 100 kat ve üzeri kazancı tek kademede almak yerine iki ayrı yükselteç katına bölmek daha kontrollü olabilir.

AC sinyal yükseltirken sanal referans gerekir

LM358 tek besleme ile çalışırken negatif gerilimleri işleyemez. Örneğin GND merkezli bir ses sinyali veya bobinden gelen artı-eksi salınımlı sinyal doğrudan girişe verilirse, sinyalin negatif bölümü kesilir. Çözüm, girişe orta nokta referansı eklemektir.

5 V sistemde iki eşit dirençle yaklaşık 2,5 V referans oluşturulur ve bu nokta bir kondansatörle filtrelenir. AC sinyal girişe seri kondansatör üzerinden uygulanır; opamp girişinin DC seviyesi 2,5 V civarında tutulur. Çıkış da bu referans çevresinde salınır. Referans hattı yüksek akım çeken devrelere bağlanmamalı, mümkünse ikinci LM358 kanalıyla tamponlanmalıdır.

LM358 ile eşik algılama ve karşılaştırıcı devresi

Birçok projede LM358, sensör gerilimi belirli seviyeyi geçtiğinde röle, transistor veya mikrodenetleyici girişini sürmek için kullanılır. Bu kullanımda artı girişe sensör sinyali, eksi girişe ise potansiyometre veya direnç bölücüyle oluşturulmuş referans gerilimi bağlanır. Sensör gerilimi referansın üstüne çıktığında çıkış yükselir; altına indiğinde düşer.

Örnek olarak 12 V beslemeli bir sıcaklık veya seviye kontrol devresinde, 10 kOhm potansiyometre ile ayarlanabilir referans oluşturulabilir. LM358 çıkışı röleyi doğrudan sürmek için uygun değildir. Röle bobini için NPN transistor veya lojik seviyeli MOSFET kullanılmalı; bobine ters paralel diyot eklenmelidir. BC547 gibi küçük sinyal transistorleri düşük akımlı rölelerde yeterli olabilir, ancak bobin akımı mutlaka kontrol edilmelidir.

LM358 opamp kullanım devresi karşılaştırıcı olarak kurulduğunda en sık görülen sorun, eşik noktasındaki titreşimdir. Sensör gerilimi referans seviyesinde küçük dalgalanmalar yaptığında çıkış hızla açılıp kapanabilir. Röle tıkırtısı, LED titremesi veya dijital girişte çoklu tetikleme bunun sonucudur.

Bu sorunu azaltmak için pozitif geri besleme ile histerezis eklenir. Çıkıştan artı girişe bağlanan yüksek değerli bir direnç, çıkış yüksek ve düşük durumdayken eşik seviyesini az miktarda değiştirir. Direnç değeri devrenin referans empedansına göre belirlenmelidir; 220 kOhm ile 1 MOhm aralığı başlangıç için kullanılabilir. Eşik farkı çok küçük kalırsa titreşim sürer, çok büyük olursa istenen hassasiyette anahtarlama yapılamaz.

LM358 karşılaştırıcı olarak kullanılabilir; fakat yüksek hız, kesin anahtarlama eşiği veya açık kolektör çıkış gerekiyorsa LM393 gibi gerçek bir karşılaştırıcı daha uygun olabilir. Parça seçimi burada maliyetten çok devrenin davranışını belirler.

Akım ölçümünde LM358 seçimi

LM358, düşük taraftan akım ölçümü için de kullanılabilir. Yük ile GND arasına düşük değerli bir şönt direnç yerleştirilir. Şönt üzerindeki küçük gerilim düşümü opamp ile yükseltilerek ADC'ye veya gösterge devresine aktarılır.

Örneğin 1 A akımda 0,1 ohm şönt üzerinde 0,1 V oluşur ve dirençte 0,1 W güç harcanır. Güvenlik payı için en az 0,5 W, tercihen 1 W şönt kullanılabilir. Bu sinyal 10 kat yükseltilirse ADC tarafında 1 V seviyesinde okunur. Şönt direncin toleransı, sıcaklık katsayısı ve PCB bakır yol direnci ölçüm doğruluğunu doğrudan etkiler.

Yüksek taraftan akım ölçümünde ise giriş ortak-mod sınırı nedeniyle LM358 her zaman uygun değildir. Ölçüm noktası besleme hattına yakınsa, özel current-sense yükselteçleri veya uygun ortak-mod aralığı sunan opamplar tercih edilmelidir.

Parça seçimi ve kart yerleşimi

LM358 devresinde sonuç sadece entegreye bağlı değildir. Referans gerilimini oluşturan dirençlerin toleransı, giriş filtresindeki kondansatörün dielektrik tipi, röle sürücüsünün diyotu ve besleme düzeni aynı derecede önemlidir. Prototipte çalışan fakat saha koşullarında kararsızlaşan devrelerin önemli bölümü, besleme bypass kondansatörü veya GND yerleşimi ihmal edildiği için sorun çıkarır.

Analog giriş yollarını röle bobini, MOSFET anahtarlama hattı ve yüksek akım taşıyan PCB izlerinden uzak tutun. Sensör GND'sini mümkünse güç GND'sine tek noktadan bağlayın. Kullanılmayan LM358 kanalını boşta bırakmak yerine, artı girişini GND'ye bağlayıp çıkışı eksi girişe geri besleyerek takipçi halinde sabitleyin.

LM358; düşük maliyet, kolay tedarik ve iki kanallı yapı avantajıyla pek çok analog iş için hesaplı bir seçenektir. Devrenizi siparişe açmadan önce en yüksek giriş gerilimini, istenen çıkış seviyesini, yük akımını ve ortam parazitini netleştirin; doğru direnç, kondansatör ve sürücü elemanını ilk aşamada seçmek sonradan yapılacak kart revizyonlarından daha ekonomiktir.