オペアンプ LM358 / 単電源 / ボルテージフォロワ

図 1 が、今回試してみるボルテージフォロワです。

ボリューム RV1 の出力電圧がそのまま負荷抵抗 R1=3.3KΩ に出力されるという簡単な回路です。出力電圧を 3.5V とすると、出力電流は 1.1mA です。
オペアンプの特性から、入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低くなるので、電圧バッファとして利用されます。

図 2 は空き回路の処理と電源端子を示しています。LM358 は 2 回路入りなので、使わない回路には電源電圧の半分の電圧 (2.5V) を入力し、ここもボルテージフォロワにしておきます。
電源は +5V 単電源です。電源端子には、ノイズを除去するためのバイパスコンデンサ 0.1μF を入れておきましょう。

図 3 は、図 1 の回路で測定した入力電圧 Vin – 出力電圧 Vout の特性グラフです。

ボルテージフォロワは増幅率 1 の非反転増幅回路ですから、Vin がそのまま Vout として出力されます。が、オフセットがあるので差異があるし、入力が 0V でも出力が出たりします。
また、Vout は電源電圧 Vcc より低い電圧で飽和します。測定では、Vcc=5.24V で飽和電圧 3.72V でしたので、最大の出力電圧は Vcc-1.52V となります。

以前から、LM358 の出力電流は 10mA 以内にしたほうがよいと書いていますが、確認のために出力電流 Isrc – 出力電圧 Vout の特性を測定してみました。図 1 の回路で Vin=3.5V とし、負荷抵抗 R1 を変更して測定した結果が図 4 です。

Isrc=7mA あたりを超えると Vout が低下しはじめ、R1=100Ω で Vout =2.74V でした。ソース電流 Isrc で 27.4mA となります。
なお、単電源ですのでシンク電流にはできません。

図 5 が、今回作ってみた電流ブースト型ボルテージフォロワ回路です。

2SC4511 は最大定格 80V 6A です。電流増幅率を 50 (O ランク) とすると、コレクタ電流 3.6A でベース電流は 72mA です。オペアンプ LM358 で直接駆動できませんから、ダーリントン接続にしました。
2SC1815 の電流増幅率を 200 (GR ランク) とするとダーリントンの電流増幅率は 50×200=10000、その 1/10 としてもベース電流は 3.6mA なので、オペアンプから十分駆動できます。

図 6 は図 2 と同じです。
オペアンプの空き回路はボルテージフォロワとして、電源電圧の半分を印加しておきます。電源電圧は +5V 単電源、電源端子にはバイパスコンデンサを付けます。

図 7 は電源回路です。

ブラシ付モータの電源は十分な電流容量が必要です。が、いつも使っている三端子レギュレータ 7805 は最大電流 1.5A で足りませんので、これも電流ブーストします。
負荷電流 1.24A のとき、R6 に 0.3A 流すとすると 2SA1725 (80V 6A) のコレクタ電流は 0.94A。データシートによれば、ベースエミッタ間電圧 0.99V のときコレクタ電流は 3.5A 流せますので、十分でしょう。
R6 の消費電力は 0.3W です。これも部品箱にあった 2W 型を使いました。

図 8 は、電流ブースト型ボルテージフォロワでブラシ付モータを無負荷で駆動したときの、回路各部の電圧測定値です。

ボリューム RV1 の出力電圧が 1.52V ならば、ブラシ付モータにかかる電圧も 1.52V になります。このときダーリントン回路のベースエミッタ間電圧は 1.33V で、オペアンプの出力電圧は 2.85V でした。
オペアンプの出力電圧は 3.5V で飽和しますので、モータに印加できる最大電圧は 2.1V ほどです。

シャント抵抗 R3 の電圧は無負荷時 0.02V だったので、モータ電流は 0.2A です。ストール時には 3A 以上流れることもあるようです。

写真 1 は、実験したブレッドボードのようすです。

右上が電源部。モータ電源の 7805 と 2SA1725 には小型の放熱器をつけておきました。無負荷時でも 7805 はかなり熱くなります。負荷が大きくなると 2SA1725 のほうもかなり熱くなります。
中央手前がボルテージフォロワで、2SC4511 に放熱器をつけています。無負荷時はさほどではありませんが、負荷時はかなり熱くなります。
放熱しないとブレッドボードが溶けます。ご注意を。