駄実験記録室　ＬＭ３５８負荷実験

単電源オペアンプ　ＬＭ３５８　出力負荷の実験

オペアンプ出力負荷に関して、データシートを読んでもよく分からないし・・・
解説書を読むとさらによく分からない・・・
と言う訳で、簡単な回路実験してみようっと、言う事に。
まずは良く使用する単電源オペアンプLM358での実験です。

実験条件
ブレッドボード上で行っており、基板等は作っていません。
ボード上では回路図にあるスイッチ類は使用していません。
Vcc=5V、Vee=0V、利得=1、
入力はオーディオジェネレータから1KHZ正弦波

実験①負荷オープン
実験②負荷に抵抗のみ
実験③負荷にコンデンサが存在する時

参考文献
１）ＬＭ３５８／２９０４データシート　ＴＩ
２）実験回路で学ぶトランジスタとオペアンプ　高木誠利　著　ＣＱ出版社

ＬＭ３５８　負荷実験①

入力周波数が1KHZの低周波ですし、オペアンプ出力インピーダンスは低いです。
よって、オペアンプ出力に対して、オシロ接続の影響は無いものとします。
また、負荷にオシロ以外何も接続されていません。（ＴＰ１）

ここはほぼデータ通りです。
入力０Ｖは出力では約２．５Ｖとなります。
波形の下限は０Ｖまでスイング可能ですが、上限は約３．５Ｖでそれ以上は潰れます。
当然、０Ｖ以下にもなりません。
ケミコンを通しても、基本的には同じです。（ＴＰ３）
ただ、波形の中心は０Ｖとなりますので、波形の上半分は１Ｖ以上で潰れます。
下半分は－２．５Ｖ以下で潰れます。


負荷実験①のオシロスコープ画像

マニュアル通りの予想された波形画像です。
出力オフセット電圧２．５Ｖを中心に、約２．６Ｖppの無歪出力が得られています。



負荷実験①のオシロスコープ画像

過大入力（５Ｖpp）のため、上限３．５Ｖ（ここでは３．８Ｖ）でクリップしています。
下限は０Ｖまでスイングできています。

ＬＭ３５８　負荷実験②

負荷有でそれが抵抗のみの場合です。
回路図では可変抵抗ですが、容量の大きい可変抵抗は持ち合わせが無いです。
よって、固定抵抗で実験を進めます。
負荷抵抗（ＲＬ）は出力電流（３．５Ｖ／ＲＬ）約20mAを限度に変更してみます。
となると、１８０Ω以上の抵抗値で実験してます。

測定条件は
電源はKENWOODのPA18-1.2A
Vcc=5.0V　電流計による電圧減衰を都度補正しています。
電圧計は秋月のP-10 DMM
電流計は秋月のP-10 DMM
抵抗計は秋月のDM-5000
使用抵抗は実測で±３％程度の誤差があります。
LM358内部残アンプ部は、反転入力と出力を直接接続で非反転入力はオープンです。
入力周波数はすべて１ＫＨＺです。

LM358の無信号時出力電圧は概ね２．５Ｖです。
記載の電流値はLM358全体の消費電流です。
電流値は小数点以下２桁までの記載ですが、その２桁目はさほど意味がありません。



負荷実験②　結果

ＲＬ＝１８０Ω
全電流　１４．８８ｍＡ
上限電圧は約３．２Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約1．２Vpp

ＲＬ＝２２０Ω
全電流　１２．０６ｍＡ
上限電圧は約３．２Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約1．２Vpp

ＲＬ＝３３０Ω
全電流　８．２８ｍＡ
上限電圧は約３．３Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約1．６Vpp

ＲＬ＝４８０Ω
全電流　６．０６ｍＡ
上限電圧は約３．４Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約1．８Vpp

ＲＬ＝６８０Ω
全電流　４．３６ｍＡ
上限電圧は約３．５Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約２．０Vpp

ＲＬ＝８２０Ω
全電流　３．７９ｍＡ
上限電圧は約３．５Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約２．０Vpp

ＲＬ＝１ＫΩ
全電流　３．２４ｍＡ
上限電圧は約３．５Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約２．０Vpp

ＲＬ＝２．２ＫΩ
全電流　１．８７ｍＡ
上限電圧は約３．６Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約２．２Vpp

ＲＬ＝３．３ＫΩ
全電流　１．４９ｍＡ
上限電圧は約３．７Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約２．４Vpp

ＲＬ＝４．７ＫΩ
全電流　１．２６ｍＡ
上限電圧は約３．７Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約２．４Vpp

ＲＬ＝∞Ω（オープン）
全電流　０．７０ｍＡ
上限電圧は約３．８Ｖでクリップ、下限は0VまでOK
無歪信号出力限界は約２．６Vpp

ＬＭ３５８負荷実験③

負荷にコンデンサと抵抗がある場合
実際には、出力にカップリングコンデンサを通して、負荷に接続された場合です。
これが今回の事実上の主目的実験となります。
実験に使ったコンデンサは10uFのケミコンです。
負荷抵抗は5KΩのボリウムです。
電源電圧は５Ｖ

出力波形画像は基本的に実験②と同じなのですが、波形の途中で段差が発生します。
これは何が原因なのでしょうか？(画像参照)
負荷抵抗値を変化させると、その段差の位置が変化します。

では、このケミコンの容量を変えてみます。
100uFでは波形段差がわずかに大きくなりますが、ほとんど変化無。
1uFでは殆ど変化無、解消せず
0.1uF（セラコン）ではわずかに良くなるも、解消せず。
0.01uF（フイルム？不明）では波形段差がほとんど分からなくなりました。
以上において、VR値の変化の影響は波形段差の位置が変わるだけです

出力ケミコンに直列に抵抗を挿入した場合
これは超低負荷に対するＩＣ保護にはなるようですが、段差の解消にはならず。
保護としては２００～３００Ω以上あれば、大丈夫の様です。
保護抵抗が何もない時は、超低負荷で出力波形が酷い波形になります。
場合によってはICを劣化･破壊してしまうと思われます。

アンプ出力にブリーダ抵抗を接続し、(回路図SW2をONした状態)
無信号時出力電流をある程度流します。
すると、その状態では波形の段差がかなり軽減します。
と言うか、効果てきめんで、ほとんど分からなくなります。
勿論、クリップする上限電圧が下がりますので、無歪最大出力は少し低下します。
出力波形歪に対する対策の１つとしては、アマチュア的には簡単でFBです。
ただし、理論的には良いのか悪いのか不明ですが・・・



負荷実験③　結果

この、うっとうしい段差歪ですが、抵抗１本でとりあえず解決可能となりました。
で、どの程度の条件で解消するのか実験してみました。

全般的な現象
a)波形段差の位置
b)波形の下の方に、かつ左右に発現しており、そのＹ軸位置には少しズレがある事
c)軽負荷の時と比較して、重負荷の場合は段差位置が下方向に移動します。
　つまり、負荷抵抗値を小さくすると、段差が波形下方向に移動して行きます。
　やがて、波形下先頭で左右の段差が合体します。
　さらに負荷抵抗値を小さくすると、段差は消滅します。
d)段差の波形位置は出力信号の大きさに左右されていない事
　つまり、段差の位置より小さい出力信号とすると、段差は消えます。
e)段差の波形位置は出力周波数に、ある程度までは左右されていない事。
　ただし、周波数が上がると、段差もきつくなります。
　そして段差以外の波形も乱れてきます。
　段差に到達しない程度の振幅ならば、全体波形はそれ程乱れない様です。
　その全体波形歪は出力電圧を少し低くしてやると、殆ど解消します。

上記これらは何を意味しているのでしょうか？

以上より、実験は
その条件で波形の上がクリップしない、最大出力で行う。
Ｖｃｃを変更してみる、５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ
負荷抵抗は２．２Ｋと６８０Ωの２種で行います。
コンデンサは１０ｕＦのみで入力周波数は１ＫＨＺとします。
しかし、一応１０ＫＨＺでも波形確認しています。
それらの条件で、ブリーダ抵抗ＲＢを求めてみます。
その際のオシロ画像はありません。



負荷実験③　実験値

ＶＣＣ＝５Ｖ、ＲＬ＝２．２ＫΩの場合
ＲＢ＝５．６ＫΩ、全電流＝１．２ｍＡ

Ｖｃｃ＝９Ｖ、ＲＬ＝２．２ＫΩの場合
ＲＢ＝１．２ＫΩ、全電流＝４．５ｍＡ

ＶＣＣ＝１２Ｖ、ＲＬ＝２．２ＫΩの場合
ＲＢ＝９７０Ω、全電流＝７．０ｍＡ

ＶＣＣ＝５Ｖ、ＲＬ＝６８０Ωの場合
ＲＢ＝１．１ＫΩ、全電流＝２．９ｍＡ

ＶＣＣ＝９Ｖ、ＲＬ＝６８０Ωの場合
ＲＢ＝５７０Ω、全電流＝９．４ｍＡ

ＶＣＣ＝１２Ｖ、ＲＬ＝６８０Ωの場合
ＲＢ＝４００Ω、全電流＝１５．６ｍＡ