Construye un Voltímetro de Alta Impedancia con Op-Amps TL082 / LM1458

Partes y Materiales

• Amplificador operacional – TL082 (Radio Shack catálogo #276‑1715)
• Amplificador operacional – LM1458 (Radio Shack catálogo #276‑038)
• Cuatro baterías de 6 V
• Movimiento de medidor de 1 mA (clasificación 0‑15 VDC, Radio Shack catálogo #22‑410)
• Resistencia de precisión de 15 kΩ (±1 % tolerancia)
• Cuatro resistencias de 1 MΩ (cualquier resistencia de alto valor funcionará)

El movimiento de medidor de 1 mA se comercializa como un medidor de 0‑15 VDC, pero es esencialmente un indicador de 1 mA emparejado con una resistencia multiplicadora de 15 kΩ. Si tienes este medidor, la resistencia de 15 kΩ suministrada puede reemplazar a la listada arriba.

Usamos un op-amp de entrada JFET como el TL082 para ilustrar cómo se puede construir un voltímetro de alta impedancia. El LM1458 se muestra para comparación porque no sufre del problema de latch-up que puede ocurrir con el TL082.

Valores de resistencia muy altos son aceptables para las resistencias de 1 MΩ; solo se requieren para establecer la impedancia de entrada y el rango del medidor.

Referencias Cruzadas

Lessons in Electric Circuits, Vol. 3, Cap. 8: "Amplificadores Operacionales".

Objetivos de Aprendizaje

• Comprender la carga del voltímetro, sus causas y técnicas de mitigación.
• Construir un voltímetro de alta impedancia usando un op-amp.
• Reconocer el latch-up del op-amp y aprender cómo evitarlo.

Diagrama Esquemático

Ilustración

Instrucciones

Un voltímetro ideal tiene impedancia de entrada infinita, sin consumir corriente del circuito bajo prueba. Cuanta más corriente consuma el medidor, mayor será el error de medición causado por la carga —análogo a un manómetro de neumáticos que se hunde al perder aire. Este efecto es especialmente pronunciado en circuitos de alta resistencia como un divisor de voltaje de 1 MΩ.

Si simplemente conectas el movimiento del medidor de 1 mA en serie con la resistencia de 15 kΩ y lo usas para leer los voltajes en TP1, TP2 o TP3, observarás errores significativos debido a la carga del medidor.

Usar la configuración de op-amp descrita abajo reduce drásticamente la carga. El movimiento del medidor se sitúa en el bucle de realimentación del op-amp, por lo que la corriente que mueve la aguja es suministrada por los rieles de alimentación del op-amp, no por el punto de prueba. La resistencia de 15 kΩ establece la corriente de fondo de escala para el medidor de 1 mA.

Construye el circuito mostrado en el esquema y vuelve a medir TP1, TP2 y TP3. Ahora deberías leer valores cercanos a 3 V, 6 V y 9 V respectivamente.

Observa la extrema sensibilidad de este diseño: tocar la sonda de prueba con una mano y el terminal más positivo de la batería con la otra hará que la aguja se mueva, porque la resistencia del cuerpo permite que una pequeña corriente fluya a través del bucle de realimentación del medidor. Una sonda tocando tierra leerá correctamente 0 V.

A continuación, modifica la fuente de alimentación a una configuración dividida: quita el grifo central entre la 2ª y 3ª batería y conecta a tierra el terminal negativo lejano.

Este cambio eleva los voltajes de los puntos de prueba a 6 V, 12 V y 18 V. Aunque la lectura de 18 V llevará el medidor a su límite, los puntos de 6 V y 12 V seguirán midiendo con precisión.

Conectar a tierra la sonda de prueba ahora no lleva la aguja a cero. Este es un escenario clásico de latch-up del op-amp: la entrada JFET se satura cuando su voltaje de modo común se acerca al riel negativo. Con una alimentación dual (+12 V / –12 V), el riel negativo está 12 V por debajo de tierra, por lo que conectar a tierra la sonda no viola los límites de modo común. Sin embargo, con una alimentación única de +24 V (tierra en 0 V), la entrada de 0 V de la sonda alcanza el riel negativo, disparando el latch-up y causando que la salida oscile a alto.

Reemplazar el TL082 con el LM1458 elimina este latch-up, ya que tolera un rango de modo común más amplio. En general, siempre asegúrate de que los rieles de alimentación del op-amp excedan el voltaje de entrada máximo esperado al menos por los límites de modo común del dispositivo.

Hoja de Trabajo Relacionada

• Hoja de Trabajo de Circuitos Conversores Voltaje/Corriente Op-Amp