Hoogimpedante Voltmeter Bouwen met TL082 / LM1458 Op-amps

Onderdelen en Materialen

• Operationele versterker – TL082 (Radio Shack catalogus #276‑1715)
• Operationele versterker – LM1458 (Radio Shack catalogus #276‑038)
• Vier 6 V batterijen
• 1 mA meterbeweging (0‑15 VDC nominal, Radio Shack catalogus #22‑410)
• 15 kΩ precisieweerstand (±1 % tolerantie)
• Vier 1 MΩ weerstanden (elke hoge-waarde weerstand werkt)

De 1 mA meterbeweging wordt vermarkt als een 0‑15 VDC meter, maar is eigenlijk een 1 mA indicator gekoppeld aan een 15 kΩ vermenigvuldigerweerstand. Als je deze meter hebt, kan de meegeleverde 15 kΩ weerstand de bovenstaande vervangen.

We gebruiken een JFET-invoer op-amp zoals de TL082 om te illustreren hoe een hoogimpedante voltmeter gebouwd kan worden. De LM1458 wordt getoond ter vergelijking, omdat deze niet lijdt aan het latch-up probleem dat bij de TL082 kan optreden.

Zeer hoge weerstandswaarden zijn acceptabel voor de 1 MΩ weerstanden; ze zijn alleen vereist om de invoerimpedantie en het meetbereik van de meter in te stellen.

Naslagwerken

Lessons in Electric Circuits, Deel 3, Hoofdstuk 8: "Operationele Versterkers."

Leerdoelen

• Voltmeterbelasting begrijpen, de oorzaken en mitigatietechnieken.
• Een hoogimpedante voltmeter bouwen met een op-amp.
• Op-amp latch-up herkennen en leren hoe het te vermijden.

Schematisch Diagram

Illustratie

Instructies

Een ideale voltmeter heeft oneindige invoerimpedantie en trekt geen stroom uit het te meten circuit. Hoe hoger de stroom die de meter trekt, hoe groter de meetfout door belasting – vergelijkbaar met een bandenspanningsmeter die zak door lekkage. Dit effect is met name uitgesproken in hoogohmige circuits zoals een 1 MΩ spanningsdeler.

Als je de 1 mA meterbeweging gewoon in serie met de 15 kΩ weerstand schakelt en hem gebruikt om de spanningen op TP1, TP2 of TP3 te lezen, zul je significante fouten waarnemen door meterbelasting.

De op-amp configuratie hieronder reduceert de belasting drastisch. De meterbeweging zit in de terugkoppellus van de op-amp, zodat de stroom die de wijzer aandrijft geleverd wordt door de voedingsrails van de op-amp, niet door het meetpunt. De 15 kΩ weerstand stelt de volschaalstroom in voor de 1 mA meter.

Bouw het circuit zoals in het schema getoond en meet TP1, TP2 en TP3 opnieuw. Je zou nu waarden dichtbij 3 V, 6 V en 9 V respectievelijk moeten lezen.

Let op de extreme gevoeligheid van dit ontwerp: het aanraken van de meetpunt met de ene hand en de meest positieve batterijpool met de ander zal de wijzer doen bewegen, omdat de lichaamsweerstand een kleine stroom laat lopen door de terugkoppellus van de meter. Een punt dat grond aanraakt, leest correct 0 V.

Vervolgens, wijzig de voeding in een gesplitste configuratie: verwijder de middentap tussen de 2e en 3e batterij en ground de ver uiterste negatieve pool.

Deze verandering verhoogt de meetpuntspanningen tot 6 V, 12 V en 18 Hoewel de 18 V meting de meter aan zijn limiet drijft, zullen de 6 V en 12 V punten nog steeds accuraat gemeten worden.

Het grounden van de meetpunt brengt de wijzer nu niet meer naar nul. Dit is een klassiek op-amp latch-up scenario: de JFET-invoer verzadigt wanneer de common-mode spanning de negatieve rail benadert. Met een dubbele voeding (+12 V / –12 V) is de negatieve rail 12 V onder grond, dus het grounden van de meetpunt schendt de common-mode limieten niet. Echter, met een enkele +24 V voeding (geground op 0 V), bereikt de 0 V invoer van de meetpunt de negatieve rail, wat latch-up triggert en de uitgang hoog laat gaan.

Het vervangen van de TL082 door de LM1458 elimineert deze latch-up, omdat deze een bredere common-mode bereik tolereren. In het algemeen, zorg er altijd voor dat de voedingsrails van de op-amp de maximaal verwachte invoerspanning overschrijden met ten minste de common-mode limieten van het apparaat.

Gerelateerd Werkblad

• Spanning/Stroom Converter Op‑Amp Circuits Werkblad