Сборка высокоомного вольтметра на ОУ TL082 / LM1458

Детали и материалы

• Операционный усилитель – TL082 (каталог Radio Shack #276‑1715)
• Операционный усилитель – LM1458 (каталог Radio Shack #276‑038)
• Четыре батареи 6 В
• Магнитоэлектрическая головка 1 мА (рейтинг 0‑15 В постоянного тока, каталог Radio Shack #22‑410)
• Точный резистор 15 кОм (±1 % допуск)
• Четыре резистора 1 МОм (любые высокоомные подойдут)

Магнитоэлектрическая головка 1 мА продаётся как вольтметр 0‑15 В, но по сути это индикатор 1 мА с мультипликативным резистором 15 кОм. Если у вас есть этот вольтметр, его встроенный резистор 15 кОм может заменить указанный выше.

Мы используем ОУ с JFET-входом, такой как TL082, чтобы продемонстрировать построение высокоомного вольтметра. LM1458 показан для сравнения, так как он не страдает от проблемы защёлкивания, возможной у TL082.

Очень высокие значения сопротивления допустимы для резисторов 1 МОм; они нужны только для установки входного сопротивления и диапазона измерений вольтметра.

Перекрёстные ссылки

Lessons in Electric Circuits, Т. 3, Гл. 8: «Операционные усилители».

Цели обучения

• Понять нагрузку вольтметра, её причины и методы устранения.
• Построить высокоомный вольтметр с использованием ОУ.
• Распознать защёлкивание ОУ и научиться его предотвращать.

Схема

Иллюстрация

Инструкции

Идеальный вольтметр имеет бесконечное входное сопротивление, не потребляя тока из измеряемой схемы. Чем больше ток, потребляемый вольтметром, тем больше ошибка измерения из-за нагрузки — аналогично манометру шины, который проседает, когда выкачивается воздух. Этот эффект особенно проявляется в высокоомных схемах, таких как делитель напряжения 1 МОм.

Если просто подключить головку 1 мА последовательно с резистором 15 кОм и использовать её для измерения напряжений в точках TP1, TP2 или TP3, вы заметите значительные ошибки из-за нагрузки вольтметра.

Использование описанной ниже конфигурации ОУ драматически снижает нагрузку. Головка находится в цепи обратной связи ОУ, поэтому ток, отклоняющий стрелку, поставляется от шин питания ОУ, а не от контрольной точки. Резистор 15 кОм задаёт полный ток шкалы для головки 1 мА.

Соберите схему, показанную на схеме, и снова измерьте TP1, TP2 и TP3. Теперь вы должны получить значения, близкие к 3 В, 6 В и 9 В соответственно.

Обратите внимание на экстремальную чувствительность этого дизайна: касание зонда одной рукой и самого положительного терминала батареи другой заставит стрелку двигаться, потому что сопротивление тела позволяет малому току течь через цепь обратной связи вольтметра. Зонд, касающийся земли, правильно покажет 0 В.

Далее измените питание на раздвоенное: уберите центральный отвод между 2-й и 3-й батареями и заземлите дальний отрицательный терминал.

Это изменение поднимает напряжения в контрольных точках до 6 В, 12 В и 18 В. Хотя показание 18 В выведет головку на предел, точки 6 В и 12 В всё ещё будут измерены точно.

Заземление зонда теперь не возвращает стрелку к нулю. Это классический сценарий защёлкивания ОУ: JFET-вход насыщается, когда его общее напряжение приближается к отрицательной шине. При двуполярном питании (+12 В / –12 В) отрицательная шина находится на 12 В ниже земли, поэтому заземление зонда не нарушает пределы входного общего режима. Однако при однополярном питании +24 В (земля на 0 В) вход зонда 0 В достигает отрицательной шины, вызывая защёлкивание и перевод выхода в высокое состояние.

Замена TL082 на LM1458 устраняет это защёлкивание, так как он допускает более широкий диапазон входного общего режима. В общем, всегда обеспечивайте, чтобы шины питания ОУ превышали максимальное ожидаемое входное напряжение как минимум на величину пределов входного общего режима устройства.

Связанный рабочий лист

• Рабочий лист по схемам преобразователей напряжения/тока на ОУ