オペアンプとは？ゲインの式、LM358、Arduinoの回路

オペアンプ（演算増幅器）は、2つの入力の間のごくわずかな電圧差を数十万倍に増幅する小さな集積回路で、多くは8ピンです。これがオペアンプとは何かという問いへの短い答えですが、これほど大きなゲインは、それだけではあまり役に立ちません。真価を発揮するのは、いくつかの抵抗で出力の一部を入力に戻したときです。するとオペアンプは、抵抗の比でゲインが決まる高精度の増幅回路にも、バッファにも、コンパレーターにも、フィルタにもなります。マイクのプリアンプから脈拍センサーまで、はかりのモジュールからサウンドカードまで、アナログ電子回路のほぼあらゆる場所にオペアンプが使われています。

Arduinoでオペアンプが必要になる一番の理由はこうです。多くのセンサーの信号はミリボルト単位ですが、Arduino UnoのADCが区別できるのは4.88 mV刻みまでです。K型熱電対は100 °Cでわずか4.1 mVしか出しません。直接つなぐと、Arduinoはこの温度変化をほとんど感知できません。このガイドでは、理想オペアンプのルール、反転・非反転増幅回路のゲインの式、ボルテージフォロワ、コンパレーター、LM358とLM741のピン配置、単電源での使い方、そしてマイクや熱電対の信号をArduino、ESP32、Raspberry Pi PicoのADCに合わせる方法を、すべて実際の値で解説します。

オペアンプとは？どのように動くのか

オペアンプには5つの基本的な端子があります。非反転入力（+）、反転入力（−）、出力、そして2本の電源ピン（V+とV−）です。オペアンプは2つの入力の差だけを見て、それを開ループゲイン（A）倍にします。Vout = A × (V+ − V−)。LM358では、Aは標準で100,000（100 dB）です。つまり入力間にわずか0.1 mVの差があるだけで、出力には10 Vが求められます。しかし出力は電源電圧を超えられないため、帰還のないオペアンプの出力はほとんどの場合どちらかの電源レールに張り付きます。これを飽和といいます。この性質はコンパレーター回路で役立ちます。増幅回路を作るには、出力の一部を抵抗を通して反転入力に戻します。これを負帰還といい、そうするとゲインはオペアンプではなく抵抗で決まるようになります。

理想オペアンプのルール：イマジナリーショートと入力電流ゼロ

• ルール1：入力には電流が流れ込まない。理想オペアンプの入力抵抗は無限大なので、+ピンにも−ピンにも電流は流れ込みません。実際のLM358では約20 nAが流れますが、100 kΩの抵抗を通しても誤差はわずか2 mVです。
• ルール2：イマジナリーショート（仮想短絡）。負帰還があると、出力は2つの入力を同じ電圧にするためにどんな値にでも変化するので、V+ = V−になります。入力どうしはつながっていませんが、同じ電圧になります。
• 実用上のルール：出力は電源電圧を超えられない。式が12 Vを求めても、5 Vで動かしているオペアンプの出力は電源電圧までしか上がらず、LM358なら約3.5 Vまでです。出力がこの限界に張り付いた状態をクリッピングまたは飽和といいます。

このルールを使えば、ほとんどのオペアンプ回路は紙の上で数行で解けます。まず+入力の電圧を求め、−入力も同じ電圧だと考えます。次にオームの法則で各抵抗を流れる電流を書きます。電流は入力に流れ込めないので帰還抵抗を流れるしかなく、そこから出力電圧が求まります。注意点として、2つ目のルールが成り立つのは負帰還があるときだけです。コンパレーターのような帰還のない回路では、2つの入力は違う電圧になり、出力はどちらかの電源レールに張り付きます。電流と電圧の計算を復習したい場合は、オームの法則のガイドを参照してください。

非反転増幅回路：ゲインの式と計算例

非反転増幅回路では、信号を直接+入力に入れます。帰還抵抗（Rf）を出力から−入力へ、グラウンド側の抵抗（Rg）を−入力からGNDへつなぎます。この2本の抵抗は分圧回路になっていて、−入力の電圧はVout × Rg / (Rf + Rg)です。イマジナリーショートのルールにより、これが入力電圧と等しくなるので、Vout = Vin × (1 + Rf / Rg)という式が得られます。Rf = 10 kΩ、Rg = 1 kΩならゲインは11で、100 mVの信号は1.1 Vになります。出力は入力と同じ向きに変化し、ゲインが1を下回ることはなく、回路の入力抵抗がとても高いのでセンサーに負荷をかけません。

反転増幅回路と仮想グラウンド

反転増幅回路では、+入力をGNDにつなぎ、信号は抵抗Rinを通って−入力に入ります。Rfは、ここでも出力と−入力の間に入れます。イマジナリーショートのルールにより−入力も0 Vになりますが、GNDにはつながっていません。これを仮想グラウンドといいます。Rinを流れる電流Vin / Rinは入力に流れ込めないのでRfを流れるしかなく、出力はVout = −(Rf / Rin) × Vinになります。Rin = 10 kΩ、Rf = 47 kΩならゲインは−4.7で、0.5 Vの入力から−2.35 Vの出力が得られます。マイナス記号は信号が反転することを表します。回路の入力抵抗はおよそRinなので、内部抵抗の高いセンサーには負荷になることがあります。

反転構成のうまい使い方に加算増幅回路（ミキサー）があります。複数の信号をそれぞれ専用の抵抗を通して−入力につなぐと、出力はそれらの信号の重み付き和を反転したものになります。ただし、単電源のArduino回路では、反転増幅回路の+入力をGNDではなく、電源電圧の半分などの基準電圧につなぐ必要があります。そうしないと、正の入力に対して負の出力が求められ、出力は0 Vに張り付いてしまいます。この場合の式はVout = Vref − (Rf / Rin) × (Vin − Vref)になります。

ボルテージフォロワ（バッファ）：ゲイン1の最も便利な回路

出力を直接−入力につなぎ、信号を+入力に入れると、ボルテージフォロワ（バッファ）になります。Rfがゼロ、Rgが無限大なので、ゲインはちょうど1で、Vout = Vinです。増幅しない回路がなぜ役に立つのでしょうか。入力からはほとんど電流を取らないのに、出力からはミリアンペア単位の電流を流せるからです。つまり、高インピーダンスの信号源を低インピーダンスの信号源に変えます。ATmega328Pのデータシートには、ADCは信号源インピーダンスが10 kΩ以下のときに最もよく動作すると書かれています。100 kΩ + 100 kΩの分圧回路は50 kΩの信号源として振る舞うため、Arduinoがチャンネルを切り替えると読み取り値が数ステップずれることがあります。分圧回路の後にフォロワを入れれば、この問題は解消します。

フォロワのほかの定番の使い方としては、PWM信号をRCフィルタで平滑化してバッファし簡単なDACを作る、ポテンショメーターで作った基準電圧を複数の回路で共有する、弱いセンサー出力の代わりにオペアンプの出力で長いケーブルを駆動する、などがあります。単電源のLM358は0 Vまで追従できますが、5 V電源では約3.5 Vより上には出られません。0〜5 Vの全範囲をバッファしたい場合は、レールツーレールのオペアンプを選んでください。

コンパレーターとしてのオペアンプ

帰還をかけずに使うと、オペアンプは2つの電圧を比べるスイッチになります。+入力が−入力よりほんの数ミリボルトでも高ければ出力は上限に、低ければ0 Vになります。マイコンを使わない常夜灯がよい例です。5V、10 kΩ、LDR、GNDの順に組んだ分圧回路の中点を+入力に、ポテンショメーターのワイパーを−入力につなぎます。暗くなるとLDRの抵抗が上がり、中点の電圧がポテンショメーターで設定したしきい値を超え、出力に330 Ωを通してつないだLEDが点灯します。この用途ならLM358でも十分ですが、動作は遅めです。スルーレートが0.3 V/µsなので、出力が0から3.5 Vまで上がるのに10 µs以上かかります。

高速できれいな切り替えが必要な用途には、LM393のような本物のコンパレーターを使います。LM393のピン配置はLM358と同じですが、出力はオープンコレクタです。出力をGNDに引き下げることしかできないため、HIGHにするには出力と電源の間に10 kΩなどのプルアップ抵抗が必要です。このおかげで、プルアップ先を3.3 Vにすれば、5 Vで動かしているコンパレーターの出力を安全にESP32やPicoに入力できます。KY-038サウンドセンサーや、土壌水分・雨・炎・ガスの各モジュールで青い半固定抵抗の隣にある小さなチップは、ほぼ必ずLM393です。

変化がゆっくりな信号やノイズの多い信号がしきい値付近にあると、コンパレーターの出力は1秒間に何百回もばたつくことがあり、常夜灯は夕暮れどきにちらつきます。対策はヒステリシス、つまりシュミットトリガです。信号を10 kΩの抵抗R1を通して+入力に入れ、出力から+入力へ1 MΩの抵抗R2をつなぎます。出力が切り替わるたびに、この正帰還がしきい値を少しずらします。立ち上がり側と立ち下がり側のしきい値の差はおよそ出力振幅 × R1 / R2です。出力が0〜5 Vで振れるなら、5 × 10k / 1Mで50 mVのヒステリシスになり、たいていはこれでノイズを吸収できます。同じ考え方は、2つのしきい値を使ってソフトウェアでも実現できます。後で紹介するESP32の例がまさにそれです。

LM358とLM741のピン配置

電子工作で最もよく見かけるオペアンプは、2回路入りのLM358と、昔ながらの1回路入りのLM741です。どちらも8ピンのDIPパッケージです。刻印が読める向きで、切り欠きを左にしてチップを持つと、1番ピンは左下にあり、番号は反時計回りに増えていきます。ピン配置が異なるので、一方をもう一方の代わりにそのまま差し替えることはできません。

LM741は1968年から教科書の主役ですが、±15 Vのような正負対称の電源向けに設計されています。入力は電源レールから約3 V、出力は1〜3 V内側にとどまる必要があります。5 V単電源では、この余裕分を差し引くと使える範囲が残りません。LM741の回路をArduinoの5Vピンから給電して動かない場合、原因はこれです。一方、LM358は単電源で使うことを前提に設計されています。入力範囲に0 Vを含み、出力は0 Vの数ミリボルト手前まで下がり、唯一の欠点は上限がV+ − 1.5 Vで頭打ちになることです。ESP32やPicoのような3.3 Vのボードでは、MCP6002のようなレールツーレールのオペアンプを使ってください。ピン配置はLM358と同じなので、そのまま回路に差し替えられます。4回路必要な場合は、14ピンのLM324がLM358の4回路版にあたります。

単電源での使い方：仮想グラウンドとレールツーレール

教科書のオペアンプ回路の多くは±15 Vのような正負対称の電源を使い、信号は0 Vを中心に上下に振れます。Arduinoの世界では、たいてい5 Vか3.3 Vしかありません。熱電対、シャント抵抗、LM35のように常に正の値をとる直流信号なら問題ありません。入力範囲に0 Vを含むオペアンプで、そのまま増幅できます。しかし、マイクのように正負に振れる交流信号は、まず電源電圧の中央まで持ち上げる必要があります。そのために2本の抵抗で中点電圧を作り、ノイズを減らすために10 µFのコンデンサを横に追加します。この点を仮想グラウンドまたは基準電圧と呼び、信号はカップリングコンデンサを通してこの電圧に重ねます。

• 適切なオペアンプを選ぶ：LM741やTL072のように入力範囲に0 Vを含まないモデルは、単電源では思わぬところでクリッピングします。LM358、LM324、MCP6002を使ってください。
• 出力の限界を考慮する：5 VでのLM358の出力は約0.02〜3.5 Vなので、交流信号の中点は2.5 Vより1.8 V前後のほうがバランスがとれます。MCP6002は両方の電源レールの約25 mV手前まで振れるので、中点をちょうどVCC/2にできます。
• オペアンプはボードと同じ電圧で動かす：12 Vで動かしたオペアンプは、ゲインを間違えるとESP32やPicoのピンに10 V以上を加えてしまうことがあります。
• GNDを共通にする：センサー、オペアンプ、ボードのグラウンドはつながっている必要があります。理由は共通GNDのガイドで解説しています。
• 使わないチャンネルを浮かせたままにしない：LM358の余った片側はフォロワとして配線し（出力を−入力へ）、+入力をGNDか中点につなぎます。浮いた入力は発振や無駄な電流消費の原因になります。

マイクの信号を増幅する：エレクトレットコンデンサーマイクのプリアンプ

エレクトレットコンデンサーマイクの感度は一般に−44 dBV/Pa前後で、94 dBという大きな音圧でも約6 mVしか出力しません。1 m離れた場所での普通の話し声は0.1 mV程度にとどまり、マイクのすぐ横で手をたたいても数十ミリボルトです。Arduinoの4.88 mV刻みでは、この信号はまったく現れないか、数ステップ動くだけです。KY-038サウンドセンサーのようなモジュールのアナログ出力がとても弱いのも、これで説明がつきます。解決策は、ゲイン約100の非反転交流増幅回路です。次の回路ではLM358のAチャンネルを使います。

コンデンサC2のおかげで、この回路は直流に対してはゲイン1のフォロワになり、無音時の出力は中点の約1.8 Vで落ち着きます。一方、音声周波数ではC2がショートのように働き、ゲインは1 + 100k / 1k = 101（40 dB）になります。下側のカットオフ周波数はRgとC2で決まり、1 / (2π × 1 kΩ × 10 µF) ≈ 16 Hzです。上限はオペアンプの利得帯域幅積で決まり、LM358では0.7 MHz / 101 ≈ 7 kHzです。話し声にはこれで十分です。ゲインを上げたい場合は、帯域幅が同じ割合で狭くなることを忘れないでください。1000のゲインが必要なら、約32ずつの2段に分けるほうが適しています。

1// LM358 mikrofon ön yükselteci ile ses seviyesi / Sound level with an LM358 mic preamp
2const int MIC_PIN = A0;                // LM358 pin 1 (1OUT)
3const float GAIN = 101.0;              // 1 + 100k / 1k
4const unsigned long WINDOW_MS = 50;    // ölçüm penceresi / sampling window
5
6void setup() {
7  Serial.begin(115200);
8}
9
10void loop() {
11  int minV = 1023, maxV = 0;
12  unsigned long start = millis();
13  while (millis() - start < WINDOW_MS) {   // 50 ms boyunca örnekle / sample for 50 ms
14    int v = analogRead(MIC_PIN);
15    if (v < minV) minV = v;
16    if (v > maxV) maxV = v;
17  }
18  float ppVolt = (maxV - minV) * 5.0 / 1023.0;   // tepe-tepe çıkış / peak-to-peak output
19  float micMv = ppVolt * 1000.0 / GAIN;          // mikrofonun kendi sinyali / the mic's own signal
20
21  Serial.print("Çıkış / output: ");
22  Serial.print(ppVolt, 3);
23  Serial.print(" V p-p   Mikrofon / mic: ");
24  Serial.print(micMv, 2);
25  Serial.println(" mV p-p");
26}

このコードは50 msの間にできるだけ多くのサンプルを取り、最小値と最大値を求めて、その差を電圧に換算します。これが音のピークツーピーク振幅です。結果を101で割ると、マイク自体が出している電圧がわかります。静かな部屋では出力はADCで数ステップ（0.01〜0.02 V）しか動きませんが、近くで手をたたくと簡単に1 Vを超えます。信号がクリッピングする、つまり出力が0 Vや3.5 Vに達する場合は、Rfを47 kΩに下げてください。測定値をもっと安定させる方法はセンサーデータのフィルタリングのガイドで紹介しています。

熱電対を増幅する：K型熱電対とLM358

K型熱電対は、異なる2種類の金属が接する接点の温度差に比例した小さな電圧、約41 µV/°Cを出力します。100 °Cで4.1 mV、500 °Cで20.6 mV、1000 °Cで41.3 mVです。Arduinoに直接つなぐと、ADCの1ステップ（4.88 mV）はおよそ119 °Cに相当し、これでは測定になりません。LM358のBチャンネルでゲイン101の非反転増幅回路を組むと、信号は4.14 mV/°Cになります。これで1ステップは約1.2 °Cになり、LM358の出力上限3.5 Vなら、オフセットにもよりますが約700〜800 °Cまで読み取れます。配線は次のとおりです。熱電対の+端子を5番ピン（2IN+）へ、−端子をGNDへ。Rf = 100 kΩを7番ピンと6番ピンの間に、Rg = 1 kΩを6番ピンとGNDの間に入れます。7番ピンはArduinoのA1へつなぎます。K型では−端子であるアルメル線がわずかに磁性をもつので、端子を見分けるのに便利です。

熱電対が実際に測っているのは、温接点と、熱電対の線が銅の接続部とつながる冷接点との温度差です。実際の温度を得るには冷接点の温度を別に測って足す必要があり、これを冷接点補償といいます。次のコードでは、そのために接続端子のすぐ横に置いたLM35を使います（出力はA2へ）。さらに、LM358の3〜7 mVの入力オフセットも101倍され、出力で0.3〜0.7 V、つまり70〜170 °Cの誤差になります。コードは起動時にこのオフセットを測り、その後の読み取り値から差し引くので、プローブが室温のときにボードの電源を入れてください。

1// K tipi termokupl + LM358 (kazanç 101) + LM35 soğuk uç / K-type thermocouple + LM358 (gain 101) + LM35 cold junction
2const int TC_PIN = A1;           // LM358 pin 7 (2OUT)
3const int LM35_PIN = A2;         // LM35 çıkışı / LM35 output
4const float GAIN = 101.0;        // 1 + 100k / 1k
5const float MV_PER_C = 0.041;    // K tipi: yaklaşık 41 µV/°C / K-type: about 41 µV/°C
6float zeroMv = 0;                // açılışta ölçülen ofset / offset measured at power-up
7
8float readMv(int pin) {
9  long sum = 0;
10  for (int i = 0; i < 64; i++) sum += analogRead(pin);   // 64 okumanın ortalaması / average of 64 readings
11  return sum / 64.0 * 5000.0 / 1023.0;
12}
13
14void setup() {
15  Serial.begin(115200);
16  delay(500);
17  zeroMv = readMv(TC_PIN);       // prob oda sıcaklığında olmalı / probe must be at room temperature
18  Serial.print("Ofset / offset: ");
19  Serial.print(zeroMv, 1);
20  Serial.println(" mV");
21}
22
23void loop() {
24  float coldC = readMv(LM35_PIN) / 10.0;           // LM35: 10 mV/°C
25  float tcMv = (readMv(TC_PIN) - zeroMv) / GAIN;   // termokupl gerilimi / thermocouple voltage
26  float hotC = coldC + tcMv / MV_PER_C;            // soğuk uç telafisi / cold-junction compensation
27
28  Serial.print("Ortam / ambient: ");
29  Serial.print(coldC, 1);
30  Serial.print(" °C   Prob / probe: ");
31  Serial.print(hotC, 1);
32  Serial.println(" °C");
33  delay(500);
34}

ArduinoのADCに合わせる：信号を適切な範囲に収める

Arduinoのプロジェクトでのオペアンプの本当の役割は、センサーの信号を、ADCが最も効率よく使える範囲に移すことです。ルールは簡単です。信号の最大値はADCの範囲の上端に近づけますが、オペアンプやADCが直線的でなくなる両端にははみ出さないようにします。たとえばLM35は0〜50 °Cで0〜500 mVを出力します。Unoで直接読むと、分解能は1ステップあたり0.49 °Cです。同じ信号をゲイン6.6で0〜3.3 Vに増幅すると、分解能は0.074 °Cまで細かくなります。設計の手順は次のとおりです。

1. センサーの出力範囲を調べる：データシートから出力電圧の最小値と最大値を確認します（LM35、0〜50 °C：0〜0.5 V）。
2. 目標の範囲を決める：安全な範囲は、LM358を使ったUnoで約0.02〜3.5 V、ESP32で0.15〜2.5 V、MCP6002を使ったPicoで0.03〜3.25 Vです。
3. ゲインを計算する：G = 目標の最大値 / センサーの最大値 = 3.3 / 0.5 = 6.6です。非反転増幅回路で1 + Rf / Rg = 6.6にするには、Rf = 56 kΩ、Rg = 10 kΩを選びます。
4. オフセットを取り除く：センサーが1〜2 Vのようにゼロから始まらない範囲で動く場合は、まず基準電圧を差し引いてから（反転増幅回路のVrefや差動増幅回路を使います）増幅します。
5. 保護とフィルタ：オペアンプの出力とADCピンの間に1 kΩの直列抵抗を、ピンとGNDの間に100 nFを入れます。このRCフィルタは約1.6 kHz以上のノイズを抑え、ピンに流れ込む異常電流も制限します。
6. ソフトウェアで逆算する：測定した電圧をゲインで割ると、センサーの実際の電圧が得られます（Vsensor = Vadc / G）。ゲインを正確に求めるために、抵抗の値をテスターで測っておきましょう。

ESP32でオペアンプの出力を読む：拍手スイッチ

ESP32は3.3 Vで動くので、同じマイク回路をMCP6002で組み、3V3ピンから給電します。中点には100 kΩの抵抗を2本使います（1.65 V）。LM358を5 Vで動かすと出力が3.5 Vに達し、ESP32のピンに負担をかけることがあります。オペアンプの出力は、Wi-Fiがオンのときも使えるADC1チャンネルの1つ、GPIO 34につなぎます。次のコードは20 msごとの区間でピークツーピーク振幅を測り、analogReadMilliVolts()で補正済みのミリボルト値を使い、2つのしきい値でソフトウェア的にヒステリシスをかけます。手をたたくたびに、ボード上のLEDが切り替わります。初めてこのボードを使う場合は、ESP32とは？のガイドのセットアップ手順から始めてください。

1// ESP32: MCP6002 mikrofon yükselteci ile el çırpma anahtarı / ESP32: clap switch with an MCP6002 mic preamp
2const int MIC_PIN = 34;      // MCP6002 çıkışı, ADC1 kanalı / MCP6002 output, ADC1 channel
3const int LED_PIN = 2;       // dahili LED / onboard LED
4const int ON_MV = 800;       // üst eşik, mV tepe-tepe / upper threshold, mV peak-to-peak
5const int OFF_MV = 300;      // alt eşik: histerezis / lower threshold: hysteresis
6
7bool loud = false;
8bool ledOn = false;
9
10void setup() {
11  Serial.begin(115200);
12  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
13}
14
15void loop() {
16  int minMv = 3300, maxMv = 0;
17  unsigned long start = millis();
18  while (millis() - start < 20) {                // 20 ms pencere / 20 ms window
19    int mv = analogReadMilliVolts(MIC_PIN);      // kalibre edilmiş mV / calibrated mV
20    if (mv < minMv) minMv = mv;
21    if (mv > maxMv) maxMv = mv;
22  }
23  int pp = maxMv - minMv;
24
25  if (!loud && pp > ON_MV) {                     // üst eşik aşıldı: alkış / upper threshold crossed: a clap
26    loud = true;
27    ledOn = !ledOn;
28    digitalWrite(LED_PIN, ledOn ? HIGH : LOW);
29    Serial.printf("Alkış / clap: %d mV p-p\n", pp);
30    delay(250);                                  // yankıları yok say / ignore echoes
31  } else if (loud && pp < OFF_MV) {              // ses alt eşiğin altına indi / sound fell below the lower threshold
32    loud = false;
33  }
34}

Raspberry Pi PicoとMicroPython：シャント抵抗で電流を測る

オペアンプのもう1つの実用的な用途が電流の測定です。モーターやLEDテープのマイナス側とGNDの間に0.1 Ωのシャント抵抗を入れると、1 Aの電流でもその両端の電圧降下はわずか100 mVです。MCP6002で組んだ非反転増幅回路（Rf = 100 kΩ、Rg = 4.7 kΩ）はこの電圧を22.3倍にします。これで1 Aが2.23 Vになり、Picoの3.3 Vの範囲なら約1.45 Aまで測れます。シャントの上側をMCP6002の3番ピンに、オペアンプの出力（1番ピン）をPicoのGP26（ADC0）ピンにつなぎます。オペアンプは3V3(OUT)ピンから給電し、負荷用電源のGNDはPicoのGNDとつなぎます。1.5 Aではシャントの消費電力が0.225 Wになるので、定格0.5 W以上の抵抗を使ってください。

1# Pico: 0,1 Ω şönt + MCP6002 (kazanç 22,3) ile akım ölçümü / current sensing with a 0.1 Ω shunt + MCP6002 (gain 22.3)
2from machine import ADC
3import time
4
5adc = ADC(26)                 # GP26 = ADC0, MCP6002 pin 1
6VREF = 3.3
7GAIN = 1 + 100000 / 4700      # Rf = 100k, Rg = 4.7k -> 22.3
8SHUNT = 0.1                   # şönt direnci, ohm / shunt resistance, ohms
9
10def read_volts(n=100):
11    total = 0
12    for _ in range(n):        # 100 okumanın ortalaması / average of 100 readings
13        total += adc.read_u16()
14    return total / n * VREF / 65535
15
16zero = read_volts()           # yük kapalıyken ofset / offset with the load off
17print("Sıfır / zero: {:.3f} V".format(zero))
18
19while True:
20    v_out = read_volts() - zero
21    amps = v_out / GAIN / SHUNT           # I = V / R
22    print("Akım / current: {:.3f} A".format(max(amps, 0)))
23    time.sleep(0.5)

コードは起動時に負荷をオフにした状態でオペアンプのオフセットを測り、その後の読み取り値から差し引きます。100回の読み取りを平均することで、ADCのノイズを抑えています。もっと大きな電流を測るには、シャントの抵抗値かゲインを下げます。シャントの両端の電圧と消費電力はオームの法則計算ツールで確認しましょう。既製の部品を使いたい場合は、ホール効果を利用したACS712電流センサーなら、負荷を回路から絶縁したまま電流を測れます。初めてPicoをセットアップする場合は、Raspberry Pi Picoとは？のガイドでMicroPythonのインストール方法を解説しています。

そのほかのオペアンプ回路

ロードセルのようなブリッジ型センサーでは、2つの出力がどちらも電源電圧の中央付近にあり、その差はわずか数ミリボルトです。こうした用途には専用のチップのほうが便利です。HX711は、最大128倍のゲインをもつアンプと24ビットのADCを内蔵しています。また、脈拍センサーの基板に載っているオペアンプは光センサーの弱い信号を増幅すると同時にフィルタもかけているので、Arduinoは最初からはっきりした脈波を受け取れます。

オペアンプを使ったプロジェクトのアイデア

• 拍手で点くランプ：マイクのプリアンプと、ヒステリシスを組み込んだESP32のコードでリレーモジュールを駆動します。
• VUメーター：ピークツーピーク振幅を、WS2812BのLEDテープ上で音楽に合わせて伸び縮みするバーに変えます。
• オーブン用温度計：熱電対の増幅回路で500 °Cまで測り、値をOLEDディスプレイに表示します。
• コード不要の常夜灯：マイコンを使わず、LDRとLM358のコンパレーターだけで、暗くなると点灯するLEDを作ります。
• デジタルはかり：HX711でロードセルを読み取り、1グラム単位で量れるキッチンスケールを作ります。
• モーター電流モニター：ロボットカーのモーター電流をシャント抵抗とオペアンプで測り、モーターが拘束されて電流が上がったら停止させます。

よくある間違いと対処法

オペアンプは、アナログの世界をマイコンが理解できる言葉に変える翻訳者です。2つのルールと2つのゲインの式を覚えれば、マイク、熱電対、シャント抵抗、ブリッジ型センサーのどれから来た信号でも、ADCに適した形にできます。値を試すにはオペアンプ計算ツールを使ってください。BlueGraysアプリでは、LDRで光の強さを測定、LDRで作る常夜灯、デジタル電圧計、NTCで温度を測定、炎センサーやガスセンサーといったアナログのプロジェクトを、回路図とコード付きでステップごとに紹介しています。