Voltímetro de alta impedancia

PIEZAS Y MATERIALES

• Amplificador operacional, modelo TL082 recomendado (catálogo de Radio Shack # 276-1715)
• Amplificador operacional, modelo LM1458 recomendado (catálogo de Radio Shack # 276-038)
• Cuatro baterías de 6 voltios
• Movimiento de un metro, deflexión de escala completa de 1 mA (catálogo de Radio Shack n. ° 22-410)
• Resistencia de precisión de 15 kΩ
• Cuatro resistencias de 1 MΩ

El movimiento del medidor de 1 mA vendido por Radio Shack se anuncia como un medidor de 0-15 VCC, pero en realidad es un movimiento de 1 mA vendido con una resistencia multiplicadora de tolerancia de 15 kΩ +/- 1%. Si obtiene este movimiento del medidor Radio Shack, puede usar la resistencia de 15 kΩ incluida para la resistencia especificada en la lista de piezas.

Este experimento de medidor se basa en un amplificador operacional de entrada JFET como el TL082. El otro amplificador operacional (modelo 1458) se utiliza en este experimento para demostrar la ausencia de enganche:un problema inherente al TL082. No necesitas resistencias de 1 MΩ, exactamente . Cualquier resistencia de muy alta resistencia será suficiente.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionales"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Para ilustrar la carga del voltímetro:sus causas y soluciones
• Para mostrar cómo hacer un voltímetro de alta impedancia usando un amplificador operacional
• Para ilustrar qué es el "enganche" del amplificador operacional y cómo evitarlo

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Un voltímetro ideal tiene una impedancia de entrada infinita, lo que significa que extrae corriente cero del circuito bajo prueba. De esta manera, no habrá "impacto" en el circuito mientras se mide el voltaje.

Cuanta más corriente extrae un voltímetro del circuito bajo prueba, más se "hundirá" el voltaje medido bajo el efecto de carga del medidor, como un manómetro que libera aire del neumático que se está midiendo:más aire se libera del neumático, más se verá afectada la presión del neumático por el acto de medición. Esta carga es más pronunciada en circuitos de alta resistencia, como el divisor de voltaje compuesto por resistencias de 1 MΩ, que se muestra en el diagrama esquemático.

Si tuviera que construir un voltímetro de rango de 0-15 voltios simple conectando el movimiento del medidor de 1 mA en serie con la resistencia de precisión de 15 kΩ, y tratar de usar este voltímetro para medir el voltaje en TP1, TP2 o TP3 (con respecto a tierra), encontraría severa errores de medición inducidos por el "impacto" del medidor:

Intente usar el movimiento del medidor y la resistencia de 15 kΩ como se muestra para medir estos tres voltajes. ¿El medidor lee falsamente alto o falsamente bajo? ¿Por qué crees que es esto?

Si tuviéramos que aumentar la impedancia de entrada del medidor, disminuiríamos su consumo de corriente o "carga" en el circuito bajo prueba y, en consecuencia, mejoraríamos su precisión de medición. Un amplificador operacional con entradas de alta impedancia (que usa una etapa de entrada de transistor JFET en lugar de una etapa de entrada BJT) funciona bien para esta aplicación.

Tenga en cuenta que el movimiento del medidor es parte del bucle de retroalimentación del amplificador operacional desde la salida hasta la entrada inversora. Este circuito impulsa el movimiento del medidor con una corriente proporcional al voltaje impreso en la entrada no inversora (+), la corriente requerida suministrada directamente desde las baterías a través de los pines de la fuente de alimentación del amplificador operacional, no desde el circuito bajo prueba a través de la sonda de prueba. El rango del medidor lo establece la resistencia que conecta la entrada inversora (-) a tierra.

Construya el circuito del medidor del amplificador operacional como se muestra y vuelva a tomar las mediciones de voltaje en TP1, TP2 y TP3. Debería disfrutar de un éxito mucho mayor esta vez, con el movimiento del medidor midiendo con precisión estos voltajes (aproximadamente 3, 6 y 9 voltios, respectivamente).

Puede presenciar la extrema sensibilidad de este voltímetro tocando la sonda de prueba con una mano y el terminal más positivo de la batería con la otra. Observe cómo puede conducir la aguja hacia arriba en la escala simplemente midiendo el voltaje de la batería a través de la resistencia de su cuerpo:una hazaña imposible con el circuito voltímetro original sin amplificar. Si toca la sonda de prueba a tierra, el medidor debe leer exactamente 0 voltios.

Una vez que haya probado que este circuito funciona, modifíquelo cambiando la fuente de alimentación de dual a split. Esto implica quitar la conexión a tierra de la toma central entre la segunda y la tercera batería y, en su lugar, conectar a tierra el terminal negativo lejano de la batería:

Esta alteración en la fuente de alimentación aumenta los voltajes en TP1, TP2 y TP3 a 6, 12 y 18 voltios, respectivamente. Con un resistor de rango de 15 kΩ y un movimiento de medidor de 1 mA, medir 18 voltios "fijará" suavemente el medidor, pero debería poder medir los puntos de prueba de 6 y 12 voltios sin problemas.

Intente tocar tierra con la sonda de prueba del medidor. Esto debería dirija la aguja del medidor exactamente a 0 voltios como antes, ¡pero no lo hará! Lo que está sucediendo aquí es un fenómeno de amplificador operacional llamado latch-up :donde la salida del amplificador operacional conduce a un voltaje positivo cuando el voltaje de modo común de entrada excede el límite permitido.

En este caso, al igual que con muchos amplificadores operacionales de entrada JFET, no se debe permitir que ninguna entrada se acerque al voltaje del riel de la fuente de alimentación. Con un solo suministro, el riel de alimentación negativo del amplificador operacional está a potencial de tierra (0 voltios), por lo que la conexión a tierra de la sonda de prueba lleva la entrada no inversora (+) exactamente a ese voltaje del riel. Esto es malo para un amplificador operacional JFET y genera una salida fuertemente positiva, aunque no parezca que debería hacerlo, según cómo se supone que funcionan los amplificadores operacionales.

Cuando el amplificador operacional funcionaba con un suministro "dual" (+ 12 / -12 voltios, en lugar de un suministro "único" de +24 voltios), el riel de suministro de energía negativo estaba a 12 voltios de la tierra (0 voltios), por lo que la conexión a tierra la sonda de prueba no violó el límite de voltaje de modo común del amplificador operacional.

Sin embargo, con el suministro “único” de +24 voltios, tenemos un problema. Tenga en cuenta que algunos amplificadores operacionales no se “enganchan” como lo hace el modelo TL082. Puede reemplazar el TL082 con un amplificador operacional LM1458, que es compatible pin por pin (no se necesitan cambios en el cableado de la placa de pruebas).

El modelo 1458 no se “engancha” cuando la sonda de prueba está conectada a tierra, aunque es posible que aún obtenga lecturas incorrectas del medidor con el voltaje medido exactamente igual al riel de suministro de energía negativo. Como regla general, siempre debe asegurarse de que los voltajes del riel de la fuente de alimentación del amplificador operacional excedan los voltajes de entrada esperados.

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de circuitos del convertidor de voltaje / corriente OpAmp