Op-amp (işlemsel yükselteç), iki girişi arasındaki gerilim farkını çok yüksek bir kazançla yükselten bir entegredir. Dirençlerle geri besleme verildiğinde kazanç direnç oranıyla belirlenir: evirmeyen yükselteçte kazanç 1 + Rf/Rg, eviren yükselteçte -Rf/Rin olur. LM358, tek beslemeyle (3-32V) çalışan, içinde iki op-amp bulunan ucuz ve yaygın bir entegredir. Çıkışı beslemenin en üst değerine çıkamaz; tam aralık gerekiyorsa rail-to-rail op-amp kullanılır.
Bir sensörün milivolt seviyesindeki sinyalini Arduino'nun okuyabileceği seviyeye çıkarmak, bir mikrofon sinyalini yükseltmek ya da bir gerilimi bir eşikle karşılaştırmak için en çok kullanılan parça op-amptir. Bu rehberde op-ampın nasıl çalıştığını, temel devrelerini ve LM358 ile pratik uygulamaları anlatıyoruz.
Op-amp nedir?
Op-amp (operational amplifier, işlemsel yükselteç), eviren (-) ve evirmeyen (+) iki girişi ve bir çıkışı olan, iki girişi arasındaki gerilim farkını çok yüksek bir kazançla (yüz binlerce kat) yükselten bir entegredir. Bu kazanç tek başına kullanılmaz; çıkıştan girişe dirençlerle geri besleme verilerek kazanç istenen değere ayarlanır.
Op-amp nasıl çalışır? İki altın kural
Negatif geri beslemeli bir op-amp devresi iki basit kuralla analiz edilir: girişlerden akım akmaz ve op-amp çıkışını, iki girişin gerilimi eşit olacak şekilde ayarlar. Bu iki kural, aşağıdaki devrelerin formüllerini anlamak için yeterlidir.
Temel op-amp devreleri
| Devre | Kazanç | Kullanım |
|---|---|---|
| Evirmeyen yükselteç | 1 + Rf / Rg | Sensör sinyalini aynı fazda yükseltme |
| Eviren yükselteç | -Rf / Rin | Ses ve sinyal işleme, toplama devreleri |
| Gerilim izleyici (buffer) | 1 | Yüksek empedanslı kaynağı yükten ayırma |
| Karşılaştırıcı (geri beslemesiz) | Çok yüksek (çıkış ya alt ya üst sınırda) | Eşik algılama |
Kazanç hesapları Ohm kanunu ve gerilim bölücü mantığına dayanır.
LM358 bacak bağlantısı
LM358, 8 bacaklı bir gövdede iki bağımsız op-amp içerir; tek bir beslemeyle (yaklaşık 3-32V) çalışır ve girişleri GND seviyesine kadar inebilir.
- 1: Çıkış A, 2: Eviren giriş A (-), 3: Evirmeyen giriş A (+)
- 4: GND (ya da negatif besleme)
- 5: Evirmeyen giriş B (+), 6: Eviren giriş B (-), 7: Çıkış B
- 8: VCC
Örnek ürünler: LM358P DIP-8 op-amp, LM358 DIP-8 entegre ve dört op-amplı LM324 SOIC-14.
LM358 ile sensör sinyali adım adım nasıl yükseltilir?
- Amacı belirleyin: Örneğin 0-0,3V aralığında çıkış veren bir sensörü Arduino'nun 0-5V analog girişinde daha hassas okumak istiyorsunuz.
- Kazancı hesaplayın: LM358 5V beslemede çıkışını yaklaşık 3,5V'a kadar çıkarabilir. 0,3V'u 3V'a çıkarmak için kazanç 10 yeterlidir.
- Dirençleri seçin: Evirmeyen yükselteçte 1 + Rf/Rg = 10 → Rf = 90 kΩ, Rg = 10 kΩ (standart değer olarak 91 kΩ ya da 82 kΩ + 8,2 kΩ).
- Bağlayın: Sensör çıkışı → 3. bacak (+). Çıkış (1. bacak) ile 2. bacak (-) arasına Rf; 2. bacak ile GND arasına Rg. 8. bacak 5V, 4. bacak GND. Kullanılmayan ikinci op-ampın girişlerini sabit bir gerilime bağlayın.
- Dekuplaj: 8 ve 4. bacaklar arasına 100 nF kondansatör koyun.
- Okuyun: Çıkışı A0'a bağlayıp ölçülen değeri kazanca bölerek sensörün gerçek gerilimini hesaplayın.
Bu yöntem akım sensörleri, loadcell olmayan küçük sinyalli sensörler ve mikrofonlar için kullanılır; ilgili örnekler için akım sensörü yazımıza bakabilirsiniz.
Rail-to-rail op-amp ne zaman gerekir?
LM358'in çıkışı beslemenin en üst değerine çıkamaz; 5V beslemede yaklaşık 3,5V civarında sınırlanır. 3,3V sistemlerde ya da çıkışın beslemenin tamamını kullanması gereken uygulamalarda giriş ve çıkışı rail-to-rail olan op-amplar seçilmelidir; ör. MCP6002 rail-to-rail op-amp. Ses uygulamalarında düşük gürültülü op-amplar tercih edilir; mikrofon ön yükselteci için hazır NE5532 mikrofon ön yükseltici kartı kullanılabilir.
Op-amp ile karşılaştırıcı farkı
Op-amp geri beslemesiz kullanılarak karşılaştırıcı yapılabilir, ancak LM393 gibi özel karşılaştırıcılar bu iş için daha hızlıdır ve açık kollektör çıkışları sayesinde farklı gerilimlerdeki devrelere kolayca bağlanır. Birçok sensör kartında bulunan eşik ayarı da bir karşılaştırıcı ve trimpotla yapılır; ör. LM393 karşılaştırıcı modülü. Trimpotları trimpot rehberimizde anlattık.
Sık sorulan sorular
Op-amp ne işe yarar?
Op-amp sinyalleri yükseltmek, filtrelemek, toplamak, karşılaştırmak ve tamponlamak için kullanılır. Sensör ara devreleri, ses yükselteçleri ve aktif filtreler başlıca uygulamalarıdır.
LM358 kaç volt ile çalışır?
LM358 tek beslemede yaklaşık 3-32V, çift beslemede yaklaşık ±1,5V ile ±16V aralığında çalışır. Kesin değerler üreticinin veri sayfasında yer alır.
LM358 çıkışı neden 5V'a çıkmıyor?
LM358'in çıkış katı rail-to-rail değildir; çıkış besleme geriliminin yaklaşık 1,5V altına kadar çıkabilir. Tam aralık gerekiyorsa rail-to-rail bir op-amp kullanılmalıdır.
Kullanılmayan op-amp ne yapılmalı?
Kullanılmayan op-amp gerilim izleyici olarak bağlanmalı ve evirmeyen girişi besleme aralığının içinde sabit bir gerilime (ör. iki dirençle yarım besleme) bağlanmalıdır. Boşta bırakılan girişler salınım ve gereksiz akım çekişine neden olabilir.
Op-amp kazancı neden hesaplanandan farklı?
Direnç toleransları, op-ampın sınırlı bant genişliği, çıkışın besleme sınırlarına yaklaşması ve giriş ofset gerilimi kazancı ve çıkışı etkiler. Hassas uygulamalarda %1 toleranslı dirençler ve düşük ofsetli op-amplar kullanılır.
Özet
- Op-amp iki girişi arasındaki farkı çok yüksek kazançla yükseltir.
- Negatif geri beslemede girişler eşitlenir ve girişlerden akım akmaz.
- Evirmeyen kazanç 1 + Rf/Rg, eviren kazanç -Rf/Rin'dir.
- LM358 tek beslemeli, çift op-amplıdır; çıkışı rail-to-rail değildir.
- Karşılaştırma için LM393 gibi özel karşılaştırıcılar daha uygundur.