Hochohmiges Voltmeter mit TL082 / LM1458 Op-Amps bauen

Benötigte Bauteile und Materialien

• Operationsverstärker – TL082 (Radio Shack Katalog #276‑1715)
• Operationsverstärker – LM1458 (Radio Shack Katalog #276‑038)
• Vier 6-V-Batterien
• 1 mA Messwerk (0‑15 VDC Nennwert, Radio Shack Katalog #22‑410)
• 15 kΩ Präzisionswiderstand (±1 % Toleranz)
• Vier 1 MΩ Widerstände (jeder hochohmige Widerstand funktioniert)

Das 1-mA-Messwerk wird als 0‑15 VDC-Messgerät vermarktet, ist aber im Wesentlichen ein 1-mA-Anzeiger, der mit einem 15-kΩ-Vielfachwiderstand gepaart ist. Wenn Sie dieses Messwerk haben, kann der mitgelieferte 15-kΩ-Widerstand den oben aufgeführten ersetzen.

Wir verwenden einen JFET-Eingangs-Op-Amp wie den TL082, um zu veranschaulichen, wie ein hochohmiges Voltmeter gebaut werden kann. Der LM1458 wird zum Vergleich gezeigt, da er nicht unter dem Latch-up-Problem leidet, das beim TL082 auftreten kann.

Sehr hohe Widerstandswerte sind für die 1-MΩ-Widerstände akzeptabel; sie dienen nur dazu, den Eingangswiderstand und Messbereich des Messwerks festzulegen.

Querverweise

Lessons in Electric Circuits, Bd. 3, Kap. 8: „Operationsverstärker“.

Lernziele

• Voltmeter-Belastung verstehen, ihre Ursachen und Gegenmaßnahmen.
• Ein hochohmiges Voltmeter mit einem Op-Amp aufbauen.
• Op-Amp-Latch-up erkennen und vermeiden lernen.

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Ein ideales Voltmeter hat unendlichen Eingangsstrom, zieht also keinen Strom aus der zu messenden Schaltung. Je mehr Strom das Messwerk zieht, desto größer der Messfehler durch Belastung – analog zu einem Reifendruckmesser, der absinkt, während er Luft verliert. Dieser Effekt ist besonders stark in hochohmigen Schaltungen wie einem 1-MΩ-Spannungsteiler.

Wenn Sie das 1-mA-Messwerk einfach in Reihe mit dem 15-kΩ-Widerstand schalten und es zum Ablesen der Spannungen an TP1, TP2 oder TP3 verwenden, beobachten Sie signifikante Fehler durch Messwerkbelastung.

Die unten beschriebene Op-Amp-Konfiguration reduziert die Belastung drastisch. Das Messwerk sitzt in der Rückkopplungsschleife des Op-Amps, sodass der Strom, der die Nadel antreibt, von den Versorgungsrails des Op-Amps geliefert wird, nicht vom Messpunkt. Der 15-kΩ-Widerstand legt den Vollausschlag-Strom für das 1-mA-Messwerk fest.

Bauen Sie die im Schaltplan gezeigte Schaltung auf und messen Sie TP1, TP2 und TP3 erneut. Sie sollten nun Werte nahe 3 V, 6 V und 9 V erhalten.

Beachten Sie die extreme Empfindlichkeit dieses Designs: Berühren Sie die Testspitze mit einer Hand und den positiven Batteriepol mit der anderen, bewegt sich die Nadel, weil der Körperwiderstand einen kleinen Strom durch die Rückkopplungsschleife des Messwerks fließen lässt. Eine Spitze, die Masse berührt, zeigt korrekt 0 V an.

Ändern Sie nun die Stromversorgung in eine symmetrische Konfiguration: Entfernen Sie den Mitteltap zwischen der 2. und 3. Batterie und erden Sie den äußeren negativen Pol stattdessen.

Dies hebt die Testpunkspannungen auf 6 V, 12 V und 18 V an. Während die 18-V-Messung das Messwerk an sein Limit bringt, werden 6 V und 12 V weiterhin genau gemessen.

Das Erden der Testspitze bringt die Nadel nun nicht mehr auf null. Dies ist ein klassisches Op-Amp-Latch-up-Szenario: Der JFET-Eingang sättigt, wenn seine Common-Mode-Spannung sich der negativen Rail nähert. Bei einer dualen Versorgung (+12 V / –12 V) liegt die negative Rail 12 V unter Masse, sodass das Erden der Spitze die Common-Mode-Grenzen nicht verletzt. Bei einer einzelnen +24-V-Versorgung (Masse bei 0 V) erreicht der 0-V-Eingang der Spitze die negative Rail, löst Latch-up aus und lässt den Ausgang hochschnellen.

Der Austausch des TL082 gegen den LM1458 beseitigt dieses Latch-up, da er einen breiteren Common-Mode-Bereich toleriert. Generell sollten Sie stets sicherstellen, dass die Versorgungsrails des Op-Amps die maximal erwartete Eingangsspannung um mindestens die Common-Mode-Grenzen des Bauelements übersteigen.

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Voltage/Current Converter Op-Amp Circuits Worksheet