Hoge impedantie voltmeter

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Operationele versterker, model TL082 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-1715)
• Operationele versterker, model LM1458 aanbevolen (Radio Shack-catalogus # 276-038)
• Vier 6 volt batterijen
• Beweging van één meter, volledige afbuiging van 1 mA (Radio Shack-catalogus #22-410)
• 15 kΩ precisieweerstand
• Vier weerstanden van 1 MΩ

De beweging van 1 mA die door Radio Shack wordt verkocht, wordt geadverteerd als een 0-15 VDC-meter, maar is in feite een beweging van 1 mA die wordt verkocht met een tolerantievermenigvuldigingsweerstand van 15 kΩ +/- 1%. Als u deze Radio Shack-meterbeweging krijgt, kunt u de meegeleverde 15 kΩ-weerstand gebruiken voor de weerstand die is gespecificeerd in de onderdelenlijst.

Dit meterexperiment is gebaseerd op een JFET-input op-amp zoals de TL082. De andere op-amp (model 1458) wordt in dit experiment gebruikt om de afwezigheid van latch-up aan te tonen:een probleem dat inherent is aan de TL082. Je hebt geen weerstanden van 1 MΩ nodig, precies . Elke weerstand met zeer hoge weerstand is voldoende.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 3, hoofdstuk 8:"Operationele versterkers"

LEERDOELSTELLINGEN

• Om het laden van de voltmeter te illustreren:de oorzaken en oplossingen
• Om te laten zien hoe je een voltmeter met hoge impedantie maakt met een op-amp
• Om te illustreren wat op-amp "latch-up" is en hoe je het kunt vermijden

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Een ideale voltmeter heeft een oneindige ingangsimpedantie, wat betekent dat hij nul stroom trekt van het te testen circuit. Op deze manier is er geen "impact" op het circuit terwijl de spanning wordt gemeten.

Hoe meer stroom een ​​voltmeter trekt van het te testen circuit, hoe meer de gemeten spanning zal "zakken" onder het belastingseffect van de meter, zoals een bandenspanningsmeter die lucht uit de te meten band laat ontsnappen:hoe meer lucht er vrijkomt uit de band, hoe meer de bandenspanning door de meting wordt beïnvloed. Deze belasting is meer uitgesproken op circuits met hoge weerstand, zoals de spanningsdeler gemaakt van 1 MΩ-weerstanden, weergegeven in het schematische diagram.

Als u een eenvoudige voltmeter met een bereik van 0-15 volt zou bouwen door de beweging van 1 mA-meter in serie te schakelen met de precisieweerstand van 15 kΩ, en deze voltmeter zou proberen te gebruiken om de spanning op TP1, TP2 of TP3 te meten (met betrekking tot grond), zou je ernstige . tegenkomen meetfouten veroorzaakt door meter “impact:”

Probeer de meterbeweging en de weerstand van 15 kΩ te gebruiken zoals weergegeven om deze drie spanningen te meten. Geeft de meter vals hoog of vals laag aan? Waarom denk je dat dit is?

Als we de ingangsimpedantie van de meter zouden verhogen, zouden we de stroomafname of "belasting" op het te testen circuit verminderen en bijgevolg de meetnauwkeurigheid verbeteren. Een op-amp met ingangen met hoge impedantie (met een JFET-transistoringangstrap in plaats van een BJT-ingangstrap) werkt goed voor deze toepassing.

Merk op dat de beweging van de meter deel uitmaakt van de feedbacklus van de op-amp van output naar inverterende input. Dit circuit drijft de beweging van de meter aan met een stroom die evenredig is met de spanning die wordt aangelegd op de niet-inverterende (+) ingang, de vereiste stroom die rechtstreeks door de batterijen wordt geleverd via de voedingspinnen van de op-amp, niet van het te testen circuit via de testsonde. Het bereik van de meter wordt ingesteld door de weerstand die de inverterende (-) ingang met aarde verbindt.

Bouw het op-amp-metercircuit zoals weergegeven en voer de spanningsmetingen opnieuw uit op TP1, TP2 en TP3. U zou deze keer veel meer succes moeten hebben, aangezien de beweging van de meter deze spanningen nauwkeurig meet (respectievelijk ongeveer 3, 6 en 9 volt).

U kunt getuige zijn van de extreme gevoeligheid van deze voltmeter door de testsonde met de ene hand en de meest positieve accupool met de andere aan te raken. Merk op hoe je de naald op de weegschaal omhoog kunt duwen door simpelweg de batterijspanning door je lichaamsweerstand te meten:een onmogelijke prestatie met het originele, onversterkte voltmetercircuit. Als u de testsonde tegen aarde aanraakt, moet de meter precies 0 volt aangeven.

Nadat je hebt bewezen dat dit circuit werkt, pas je het aan door de voeding van dual naar split te veranderen. Dit houdt in dat de middelste aftakkingsverbinding tussen de 2e en 3e accu moet worden verwijderd en in plaats daarvan de ver-negatieve accupool moet worden geaard:

Deze wijziging in de voeding verhoogt de spanningen bij TP1, TP2 en TP3 tot respectievelijk 6, 12 en 18 volt. Met een weerstand van 15 kΩ en een beweging van 1 mA meter, zal het meten van 18 volt de meter voorzichtig "vastzetten", maar je zou de testpunten van 6 en 12 volt prima moeten kunnen meten.

Probeer de testsonde van de meter met aarde aan te raken. Dit moet drijf de meternaald naar precies 0 volt zoals voorheen, maar dat zal niet! Wat hier gebeurt is een op-amp fenomeen genaamd latch-up :waarbij de op-amp-uitgang naar een positieve spanning rijdt wanneer de common-mode ingangsspanning de toegestane limiet overschrijdt.

In dit geval, zoals bij veel JFET-input-op-amps, mag geen van beide inputs in de buurt komen van de spanning van de voedingsrails. Met een enkele voeding bevindt de negatieve stroomrail van de op-amp zich op aardpotentiaal (0 volt), dus het aarden van de testsonde brengt de niet-inverterende (+) ingang precies op die railspanning. Dit is slecht voor een JFET-op-amp en zorgt voor een sterk positieve output, ook al lijkt het niet zoals het zou moeten, gebaseerd op hoe op-amps zouden moeten functioneren.

Toen de op-amp liep op een "dubbele" voeding (+12/-12 volt, in plaats van een "enkele" +24 volt voeding), was de negatieve voedingsrail 12 volt verwijderd van aarde (0 volt), dus aarding de testsonde heeft de common-mode spanningslimiet van de op-amp niet geschonden.

Met de “enkele” +24 volt voeding hebben we echter een probleem. Merk op dat sommige op-amps niet "vergrendelen" zoals het model TL082 dat doet. U kunt de TL082 vervangen door een LM1458 op-amp, die pin-voor-pin-compatibel is (geen wijzigingen in de breadboard-bedrading nodig).

Het model 1458 zal niet "vergrendelen" wanneer de testsonde geaard is, hoewel u nog steeds onjuiste meterstanden kunt krijgen met de gemeten spanning precies gelijk aan de negatieve voedingsrail. Als algemene regel geldt dat u er altijd zeker van moet zijn dat de voedingsrailspanningen van de op-amp hoger zijn dan de verwachte ingangsspanningen.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Werkblad OpAmp-circuits voor spannings-/stroomomzetter