Вольтметр с высоким сопротивлением

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Операционный усилитель, рекомендуется модель TL082 (каталог Radio Shack № 276-1715)
• Рекомендуется операционный усилитель, модель LM1458 (каталог Radio Shack № 276-038)
• Четыре батареи по 6 вольт.
• Движение на один метр, отклонение на полную шкалу 1 мА (каталог Radio Shack № 22-410)
• Прецизионный резистор 15 кОм.
• Четыре резистора по 1 МОм.

Механизм измерителя 1 мА, продаваемый Radio Shack, рекламируется как измеритель 0-15 В постоянного тока, но на самом деле это механизм 1 мА, продаваемый с резистором множителя с допуском 15 кОм +/- 1%. Если у вас есть этот механизм для измерителя Radio Shack, вы можете использовать прилагаемый резистор 15 кОм для резистора, указанного в списке деталей.

Этот эксперимент с измерителем основан на операционном усилителе с JFET-входом, таком как TL082. Другой операционный усилитель (модель 1458) используется в этом эксперименте, чтобы продемонстрировать отсутствие фиксации:проблема, присущая TL082. Резисторы на 1 МОм не нужны, ровно . Подойдут любые резисторы с очень высоким сопротивлением.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 8:«Операционные усилители»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Для иллюстрации нагрузки вольтметра:причины и решения
• Чтобы показать, как сделать вольтметр с высоким сопротивлением, используя операционный усилитель.
• Чтобы проиллюстрировать, что такое «защелкивание» операционного усилителя и как его избежать.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Идеальный вольтметр имеет бесконечное входное сопротивление, что означает, что он потребляет нулевой ток из тестируемой цепи. Таким образом, не будет «воздействия» на цепь при измерении напряжения.

Чем больше тока вольтметр потребляет от тестируемой цепи, тем больше измеряемое напряжение будет «проседать» под действием нагрузки измерителя, как манометр, выпускающий воздух из измеряемой шины:тем больше воздуха выходит из шина, тем больше давление в шине будет зависеть от процесса измерения. Эта нагрузка более выражена в цепях с высоким сопротивлением, таких как делитель напряжения из резисторов 1 МОм, показанных на принципиальной схеме.

Если бы вы построили простой вольтметр с диапазоном 0-15 В, подключив механизм измерителя 1 мА последовательно с прецизионным резистором 15 кОм, и попытаетесь использовать этот вольтметр для измерения напряжения на TP1, TP2 или TP3 (относительно грунт), вы столкнетесь с серьезным погрешности измерения, вызванные «воздействием» измерителя:

Попробуйте использовать измерительный механизм и резистор 15 кОм, как показано, для измерения этих трех напряжений. Глюкометр показывает ложно высокий или ложно низкий? Как вы думаете, почему?

Если бы мы увеличили входное сопротивление измерителя, мы бы уменьшили потребляемый им ток или «нагрузку» на тестируемую цепь и, следовательно, повысили бы точность ее измерения. Операционный усилитель с входами с высоким импедансом (использующий входной каскад JFET-транзистора, а не входной каскад BJT) хорошо подходит для этого приложения.

Обратите внимание, что движение измерителя является частью контура обратной связи операционного усилителя от выхода к инвертирующему входу. Эта схема управляет движением измерителя током, пропорциональным напряжению, приложенному на неинвертирующем (+) входе, необходимый ток подается непосредственно от батарей через контакты источника питания операционного усилителя, а не от тестируемой схемы через испытательный щуп. Диапазон измерителя устанавливается резистором, соединяющим инвертирующий (-) вход с землей.

Постройте схему измерителя операционного усилителя, как показано, и повторно измерьте напряжение на TP1, TP2 и TP3. На этот раз у вас должен получиться гораздо больший успех, поскольку движение счетчика точно измеряет эти напряжения (примерно 3, 6 и 9 вольт соответственно).

Вы можете убедиться в чрезвычайной чувствительности этого вольтметра, прикоснувшись одной рукой к щупу, а другой к самому положительному полюсу аккумулятора. Обратите внимание, как вы можете направить стрелку вверх по шкале, просто измерив напряжение батареи через сопротивление своего тела:невозможный подвиг с оригинальной схемой вольтметра без усиления. Если вы прикоснетесь щупом к земле, прибор должен показать ровно 0 вольт.

После того, как вы убедились, что эта схема работает, модифицируйте ее, изменив источник питания с двойного на разделенный. Это влечет за собой удаление центрального заземляющего соединения между 2-й и 3-й батареями и вместо этого заземление дальней отрицательной клеммы батареи:

Это изменение в источнике питания увеличивает напряжения на TP1, TP2 и TP3 до 6, 12 и 18 вольт соответственно. С резистором диапазона 15 кОм и движением измерителя 1 мА измерение 18 вольт будет мягко «фиксировать» измеритель, но вы сможете легко измерить контрольные точки 6 и 12 вольт.

Попробуйте прикоснуться щупом измерительного прибора к земле. Это должно установите стрелку счетчика точно на 0 вольт, как и раньше, но этого не произойдет! Здесь происходит феномен операционного усилителя, называемый фиксацией . :когда на выходе операционного усилителя появляется положительное напряжение, когда входное синфазное напряжение превышает допустимый предел.

В этом случае, как и во многих операционных усилителях с полевым транзистором, ни один из входов не должен приближаться к напряжению на шине источника питания. При однополярном питании отрицательная шина питания операционного усилителя имеет потенциал земли (0 вольт), поэтому заземление испытательного щупа приводит неинвертирующий (+) вход точно к напряжению этой шины. Это плохо для операционного усилителя с полевыми транзисторами и приводит к сильному положительному выходу на выходе, хотя это не кажется так, как должно, в зависимости от того, как операционные усилители должны функционировать.

Когда операционный усилитель работал от «двойного» источника питания (+ 12 / -12 В, а не «одиночного» источника +24 В), отрицательная шина источника питания находилась на расстоянии 12 В от земли (0 В), поэтому заземление тестовый пробник не нарушил предел синфазного напряжения операционного усилителя.

Однако с «одиночным» питанием +24 В у нас проблема. Обратите внимание, что некоторые операционные усилители не «защелкиваются», как модель TL082. Вы можете заменить TL082 операционным усилителем LM1458, который совместим по выводам (никаких изменений в разводке макетной платы не требуется).

Модель 1458 не будет «фиксироваться», когда испытательный щуп заземлен, хотя вы все равно можете получить неверные показания счетчика, если измеренное напряжение точно равно отрицательной шине источника питания. Как правило, вы всегда должны быть уверены, что напряжение на шине источника питания операционного усилителя превышает ожидаемые входные напряжения.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Таблица схем операционного усилителя преобразователя напряжения / тока