Применение
Область применения LM358 — в качестве усилительного преобразователя, в схемах преобразования постоянного напряжения, и во всех стандартных схемах, где используются операционные усилители, как с однополярным питающим напряжением, так и двухполярным.
Типичное применение операционного усилителя в качестве инвертирующего усилителя. Этот усилитель принимает положительное напряжение на входе и преобразует его в отрицательное той же величины. Таким же образом он преобразует отрицательное напряжение в положительное.
Применение — схема включения
Напряжение питания должно быть больше чем диапазоны входного и выходного напряжения сигнала. Например если будет усиливаться сигнал от ±0.5 В до ±1.8 В, напряжения питания ±12 В будет достаточно.
Требуемый коэффициент усиления для инвертирующего усилителя рассчитывается по формулам (1) и (2):
Av=Vout/Vin (1)
Например Av=1.8/-0.5=-3.6 (2)
После того как определен коэффициент усиления, выбираются значения RI или RF. Выбирать значение сопротивления желательно в кОм, так как схема будет использовать токи в мА. Это гарантирует, что не будет потребляться слишком много тока. Для этого примера выберем RI=10 кОм, что дает RF=36 кОм. RF рассчитывается по формуле (3): Av=-RF/RI.
Входное и выходное напряжения на инвертирующем усилителе
Токовая электронная нагрузка
Расскажу о полезном для радиолюбителей устройстве – о токовой электронной нагрузке с возможностью измерения емкости аккумуляторов. Зачем нужен этот прибор?
Все сталкивались с ситуацией, когда надо выяснить параметры какого-нибудь источника питания, например, лабораторного БП, драйвера светодиодов или зарядноо устройства. Ведь практика показывает, что производители не всегда указывают верные параметры. Конечно, есть самый простой вариант — нагрузить резистором, рассчитанным по закону Ома, и измерить ток с помощью мультиметра. Но для каждого случая надо делать свои расчеты и не всегда можно найти мощный резистор нужного номинала, они довольно дороги. Целесообразнее использовать электронную или активную нагрузку, позволяющую нагрузить любой БП или аккумулятор, и регулировать ток нагрузки обычным потенциометром.
А за счет включения в схему многофункционального цифрового ваттметра, показывающего емкость, этот нагрузочный стенд может разрядить аккумулятор и показать его реальную мощность. Кстати, в отличие от IMAX 6 наша система может разряжать аккумуляторы с током до 40А. Это удобно для автомобильных аккумуляторов.
Схема построена на сдвоенном операционном усилителе (ОУ) LM358, хотя задействован только 1 элемент.
Датчиком тока является мощный резистор R12, желательно на 40Вт, хотя я поставил на 20Вт. Можно соединить параллельно несколько резисторов для получения нужной мощности так, чтобы итоговое сопротивление было равно 0.1 Ом. R10 и R11 (0.22 Ом/ 10Вт) — токовыравнивающие элементы для силовых ключей.У меня реально стоят параллельно 2 х 0.47 Ом / 5Вт для каждого транзистора.
ОУ управляет двумя составными транзисторами КТ827, установленными на отдельные радиаторы. Транзисторы оптимальны для этой схемы, хотя и довольно дорогие.
Принцип работы.
При подключении тестируемого устройства образуется падение напряжения на мощном токовом резисторе R12, соответственно меняется напряжение на входах ОУ, следовательно, и на его выходе. В итоге, сигнал поступающий на транзисторы зависит от падения напряжения на шунте. Изменится ток протекающий по транзисторам.
Потенциометром изменяем напряжение на неинвертирующем входе ОУ и также как описано выше изменяется ток через по транзисторы. Данные транзисторы позволяют работать с токами до 40А, но требуют хорошего охлаждения, т.к. они работают в линейном режиме. Поэтому, кроме массивных радиаторов я поставил вентилятор, с регулировкой оборотов, который можно включить отдельной кнопкой. Схема регулятора оборотов собрана на небольшой плате.
Теоретически максимальное входное напряжение может быть до 100В – транзисторы выдержат, но китайский ваттметр рассчитан только до 60В.
Кнопка S1 изменяет чувствительность ОУ, т.е. переключает на малые токи для точного измерения тестируемых маломощных источников.
Важные особенности данной схемы:
- наличие обратной связи для обоих транзисторов,
- возможность изменения чувствительности ОУ.
- грубая и тонкая регулировка тока (R5 и R6).
Трансформатор в схеме питает только ОУ и блок индикаторов, подойдет любой с током от 400мА и напряжением 15-20В, все равно напряжение потом стабилизируется до 12В линейным стабилизатором 7812. Его нет необходимости ставить на радиатор.
Собрал все в корпус от лабораторного БП PS 1502 за пару дней, с учетом разработки и травления платы.
Минусом этой схемы является отсутствие защиты от переполюсовки питания, но ее можно доработать. Также в дальнейшем добавлю токовую защиту, а пока стоит только предохранитель. При желании увеличить общий ток можно добавить еще пару транзисторов КТ827.
Аналоги
Аналогами LM358 можно считать микросхемы в которых указываются идентичные характеристики. К таким относятся: LM158, LM258, LM2904, LM2409. Эти микросхемы незначительно отличаются от описываемой своими тепловыми параметрами и подойдут в качестве замены для большинства проектов.
Для ее замены можно использовать: GL 358, NE 532, OP 04, OP 221, OP 290, OP 295, OPA 2237, TA7 5358-P, UPC 358C, AN 6561, CA 358E, HA 17904. Отечественные аналоги lm358: КР 1401УД5, КР 1053УД2, КР 1040УД1.
Для замены также может подойти аналог по электрическим параметрам, но уже c четырьмя ОУ в одной микросхеме — LM324.
Схема неинвертирующего усилителя
Описание схемы:
- На плюсовой вход подается сигнал.
- К выходу операционного усилителя подключается два постоянных резистора R2 и R1, соединенных последовательно.
- Второй резистор соединен с общим проводом.
- Точка соединения резисторов подключается к минусовому входу.
Чтобы вычислить коэффициент усиления, необходимо воспользоваться простой формулой: k=1+R2/R1.
Если имеются данные о значении сопротивлений, входного напряжения, то нетрудно посчитать выходное: U(out)=U(in)*(1+R2/R1). При использовании микросхемы LM358 и резисторов R1=10 кОм и R2=1 МОм, коэффициент усиления окажется равен 101.
Аналоги LM358
Полные аналоги LM358 от разных производителей NE532, OP04, OP221, OP290, OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C. Для LM358D — KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G.
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:
Кстати если нужен только один операционный усилитель в компактном 5 выводном корпусе SOT23-5 то вполне можно применить LM321, LMV321 (аналоги AD8541, OP191, OPA337). Наоборот, если нужно большое количество рядом расположенных операционных усилителей, то можно применить счетверенные LM324 в 14 выводном корпусе. Можно вполне сэкономить пространство и конденсаторы по цепям питания.
Примеры применения (схемы включения) усилителя LM358
Компаратор с гистерезисом
Допустим, что потенциал, поступающий на инвертирующий вход, плавно возрастает. При достижении его уровня чуть выше опорного (Vh -Vref), на выходе компаратора возникнет высокий логический уровень. Если после этого входной потенциал начнет медленно снижаться, то выход компаратора переключится на низкий логический уровень при значении немного ниже опорного (Vref – Vl). В данном примере разница между (Vh -Vref) и (Vref – Vl) будет значение гистерезиса.
Дифференциальный усилитель на LM358
Назначение данной схемы — усиление разности двух входящих сигналов, при этом каждый из них умножается на определенную постоянную величину.
Маркировка
Префикс LM сначала использовался при маркировке общего назначения компанией National Semiconductor. Цифры “358” это ее серийный номер. В 2011 году эта компания была приобретена другим производителем электроники Texas Instruments. С этого года префикс “LM” является кодом производителя Texas Instruments, но несмотря на это, этот код используют и другие производители при маркировке своей продукции. Микросхемы LM358, LM358-N и LM358-P имеют одинаковые технические параметры. У большинства компаний-производителей символами “-N” , “-P” обозначаются пластиковые корпуса PDIP.
В технических описания встречается такие виды: LM358A, LM358B, LM358BA. Так указывается версии следующего поколения промышленного стандарта LM358. Устройства «B» могут быть доступны в более современных микрокорпусах TSOT и WSON.
LM358 схема включения: дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления
Стоит отметить, что предыдущая схема не позволяет подстраивать коэффициент усиления, так как требует одновременного изменения двух резисторов. Если необходимо иметь возможность регулировки коэффициента усиления в дифференциальном усилителе, то можно воспользоваться схемой на трех операционных усилителях. В данной схеме подстройка коэффициента усиления осуществляется за счет регулировки резистора R2. Для этой схемы нужно соблюсти условия равенства значений сопротивлений резисторов: R1 = R3 и R4 = R5 = R6 = R7. Тогда коэффициент усиления будет равен: (1+2*R1/R2). Uвых = (1+2*R1/R2)(Uвх1 – Uвх2).
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.
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.
Читать также: Плести чехол на телефон из резинок
Усилитель сигнала токового шунта на основной шине питания.
В радиолюбительской практике для схем, параметры которых не столь жесткие, подойдут дешевые сдвоенные ОУ LM358, допускающие работу с входными напряжениями до 32В. На рисунке 5 показана одна из многих типовых схем включения микросхемы LM358 в качестве монитора тока нагрузки. Кстати не во всех «даташитах» имеются схемы ее включения. По всей вероятности эта схема явилась прототипом схемы, приведенной в журнале «Радио» И. Нечаевым и о которой я упоминал в статье «Индикатор предельного тока». Приведенные схемы очень удобно применять в самодельных БП для контроля, телеметрии и измерения тока нагрузки, для построения схем защиты от коротких замыканий. Датчик тока в этих схемах может иметь очень маленькое сопротивление и отпадает необходимость подгонки этого резистора, как это делается в случае обычного амперметра. Например, напряжение на резисторе R3, в схеме на рисунке 5 равно: Vo = R3∙R1∙IL / R2 т.е. Vo = 1000∙0,1∙1A / 100 = 1В. Одному амперу тока, протекающему через датчик, соответствует один вольт падения напряжения на резисторе R3. Величина этого соотношения зависит от величины всех резисторов входящих в схему преобразователя. Отсюда следует, что сделав резистор R2 подстроечным, можно спокойно им компенсировать разброс сопротивления резистора R1. Это относится и к схемам, показанным на рисунках 2 и 3. В схеме, представленной на рис. 4, можно изменять сопротивление нагрузочного резистора RL. Для уменьшения провала выходного напряжения блока питания, сопротивление датчика тока – резистор R1 в схеме на рис.5 вообще лучше взять равным 0,01 Ом, изменив при этом номинал резистора R2 на 10 Ом или увеличив номинал резистора R3 до 10кОм.
Говоря операционный усилитель, я зачастую подразумеваю LM358. Так как если нету каких-то особых требований к быстродействию, очень широкому диапазону напряжений или большой рассеиваемой мощности, то LM358 хороший выбор.
Какие же характеристики LM358 принесли ему такую популярность:
- 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.
В каких корпусах выпускаются микросхемы
Корпус может быть как DIP8 – обозначение LM358N, так и SO8 – LM358D. Первый предназначен для реализации объемного монтажа, второй – для поверхностного. От типа корпуса не зависят характеристики элемента – они всегда одинаковы. Но существует немало аналогов микросхемы, у которых параметры немного отличаются. Всегда есть плюсы и минусы. Обычно, если у элемента большой диапазон рабочих напряжений например, страдает какая-либо другая характеристика.
Существует еще металлокерамический корпус, но такие микросхемы используют в том случае, если эксплуатация устройства будет происходить в тяжелых условиях. В радиолюбительской практике удобнее всего использовать микросхемы в корпусах для поверхностного монтажа
Они очень хорошо паяются, что имеет важное значение при работе. Ведь намного удобнее оказывается работать с элементами, у которых ножки имеют большую длину
Аналоги LM358
Наш инструмент имеет достаточное количество прототипов, о которых , безусловно, мы вам и расскажем. Начать, пожалуй, следует с самых популярных “ЛМ”: “258”, “158”, “209”, “4092, “307”, “2902”. Они имеют схожие характеристики и имеют практически идентичное внутреннее строение. Это объясняется тем, что выпускают их, чаще всего, из одного производственного учреждения.
Если же говорить о тех приборах, которые все-таки имеют небольшие отличия, касающиеся тепловых или электрических свойств, то, прежде всего, необходимо отметить: “на-157”, “оп-122”, “са 358”, “та-6165”, “ора-257”. Структурный состав вышеназванных датчиков менее качественен, поэтому они меньше стоят, однако служат долго.
Описание более известных
Вспоминая те измерители, которые больше всего похожи на наш, нельзя ни в коем случае не сказать о ряде их особенностей, играющих ключевую роль в эксплуатации.
Итак, выделим следующие:
- Частотная компенсация, реализованная внутри;
- Большой коэффициент усиления постоянного напряжения: 100 Д.;
- Широкая полоса пропускания: (1,1 МГц.)(с температурным “возмещением”)
- Очень маленький электроток питания на каналах (практически не зависящий от мощности держания и электропитания);
- Небольшая величина начального тока смещения и U-я: 20 нА и 2 мВ;
- Масштаб и объем входящего “гравитационного” с напряжения включает отрицательные рельсы;
- Большое изменение выходного давления: от нуля Вольт до плюс-минус полтора.
Описание менее известных
Так называемые “дешевые аналоги” обладают такими характеристиками:
- Высокий коэффициент передачи сигнала на первичную фазу;
- Легкий вид интегральной схемы;
- Присутствие “неинвертирующих” и “инвертирующих” точек;
- Упрощение сложных математических модулей;
- Сопротивление на выводах равно нулю (бывают редкие исключения из правил).
Схема преобразователя напряжение-ток
Схема приведена на рисунке и немного похожа на ту, которая была описана в конструкции неинвертирующего усилителя. Но здесь добавлен биполярный транзистор. На выходе сила тока оказывается прямо пропорциональна напряжению на входе операционного усилителя.
И в то же время сила тока обратно пропорциональна сопротивлению резистора R1. Если описать это формулами, то выглядит следующим образом:
I=U(in)/R.
При величине сопротивления R1=1 Om, на каждый 1V напряжения, прикладываемого ко входу, на выходе будет 1А тока. Схема включения LM358 в режиме преобразователя напряжения в ток используется радиолюбителями для конструирования зарядных устройств.
5.6 Электрические характеристики для LM2904
В указанном диапазоне температур, VCC = 5 В (если не указано иное)
| Параметр | Условия(1) | TA(2) | LM2904 | Ед. изм. | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MIN | TYP(3) | MAX | ||||||
| VIO | Входное напряжение компенсации смещения нуля | VCC = от 5 В до MAX, VIC = VICR(min), VO = 1.4 В |
Без A суффикса в маркировке | 25°C | 3 | 7 | мВ | |
| Весь диапазон | 10 | |||||||
| С А суффиксом в маркировке | 25°C | 1 | 2 | |||||
| Весь диапазон | 4 | |||||||
| αVIO | Средний температурный коэффициент входного напряжения смещения нуля | Весь диапазон | 7 | мкВ/°C | ||||
| IIO | Входной ток компенсации смещения нуля | VO = 1.4 В | Без V суффикса в маркировке | 25°C | 2 | 50 | нА | |
| Весь диапазон | 300 | |||||||
| С V суффиксом в маркировке | 25°C | 2 | 50 | |||||
| Весь диапазон | 150 | |||||||
| αIIO | Средний температурный коэффициент входного тока смещения нуля | Весь диапазон | 10 | пA/°C | ||||
| IIB | Входной ток смещения | VO = 1.4 В | 25°C | -20 | -250 | нA | ||
| Весь диапазон | -500 | |||||||
| VICR | Диапазон входного синфазного напряжения | VCC = от 5 В до MAX | 25°C | от 0 до VCC — 1.5 |
В | |||
| Весь диапазон | от 0 до VCC — 2 |
|||||||
| VOH | Высокий уровень выходного напряжения | RL ≥ 10 кОм | 25°C | VCC — 1.5 | В | |||
| VCC = MAX, Без V суффикса |
RL = 2 кОм | Весь диапазон | 22 | |||||
| RL ≥ 10 кОм | Весь диапазон | 23 | 24 | |||||
| VCC = MAX С V суффиксом |
RL = 2 кОм | Весь диапазон | 26 | |||||
| RL ≥ 10 кОм | Весь диапазон | 27 | 28 | |||||
| VOL | Низкий уровень выходного напряжения | RL ≤ 10 кОм | Весь диапазон | 5 | 20 | мВ | ||
| AVD | Большой сигнал усиления дифференциального напряжения | VCC = 15 В, VO = от 1 В до 11 В, RL ≥ 2 кОм |
25°C | 25 | 100 | В/мВ | ||
| Весь диапазон | 15 | |||||||
| CMRR | Коэффициент ослабления синфазного сигнала | VCC = от 5 В до MAX, VIC = VICR(min) |
Без V суффикса | 25°C | 50 | 80 | dB | |
| С V суффиксом | 25°C | 65 | 80 | |||||
| kSVR | Коэффициент подавления помех по питанию (ΔVCC /ΔVIO) |
VCC = от 5 В до MAX | 25°C | 65 | 100 | dB | ||
| VO1/ VO2 | Переходное затухание | f = от 1 кГц до 20 кГц | 25°C | 120 | dB | |||
| IO | Выходной ток | VCC = 15 В, VID = 1 В, VO = 0 |
Источник | 25°C | -20 | -30 | мA | |
| Весь диапазон | -10 | |||||||
| VCC = 15 В, VID = -1 В, VO = 15 В |
Приемник | 25°C | 10 | 20 | ||||
| Весь диапазон | 5 | |||||||
| VID = -1 В, VO = 200 мВ | Без V суффикса | 25°C | 30 | мкA | ||||
| С V суффиксом | 25°C | 12 | 40 | |||||
| IOS | Ток короткого замыкания на выходе | VCC около 5 В, VO = 0, GND около ?5 V | 25°C | ±40 | ±60 | мA | ||
| ICC | Потребляемый ток (четыре усилителя) |
VO = 2.5 В, Без нагрузки | Весь диапазон | 0.7 | 1.2 | мA | ||
| VCC = MAX, VO = 0.5 VCC, Без нагрузки | Весь диапазон | 1 | 2 |
(1) Все характеристики измерены в разомкнутой цепи при нулевом входном синфазном напряжении, если не указано иное. MAX VCC для испытаний составляет 26 В для LM2902 и 30 В для других.
(2) Весь диапазон это температуры от -55°C до 125°C для LM158, от -25°C до 85°C для LM258, и от 0°C до 70°C для LM358, и от -40°C до 125°C для LM2904.
(3) Все типичные значения для температуры TA = 25°C
OPA454
— новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления. 
Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями. Технические особенности OPA454: Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В) (предельно до 120 В) Большой максимальный выходной ток > ±50 мА Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С) Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM) Данные на микросхему приведены в «Новости электроники» №7 за 2008г. Сергей Пичугин
