Hochohmiges Voltmeter

TEILE UND MATERIALIEN

• Operationsverstärker, Modell TL082 empfohlen (Radio Shack Katalog # 276-1715)
• Operationsverstärker, Modell LM1458 empfohlen (Radio Shack Katalog # 276-038)
• Vier 6-Volt-Batterien
• Ein Meter Bewegung, 1 mA Vollausschlag (Radio Shack Katalog #22-410)
• 15 kΩ Präzisionswiderstand
• Vier 1-MΩ-Widerstände

Das von Radio Shack verkaufte 1-mA-Messwerk wird als 0-15-VDC-Messgerät beworben, ist jedoch tatsächlich ein 1-mA-Uhrwerk, das mit einem Multiplikatorwiderstand von 15 kΩ +/- 1% Toleranz verkauft wird. Wenn Sie dieses Radio Shack Meterwerk erhalten, können Sie den mitgelieferten 15 kΩ Widerstand für den in der Stückliste angegebenen Widerstand verwenden.

Dieses Messgerätexperiment basiert auf einem Operationsverstärker mit JFET-Eingang wie dem TL082. Der andere Operationsverstärker (Modell 1458) wird in diesem Experiment verwendet, um das Fehlen von Latch-up zu demonstrieren:ein Problem, das dem TL082 inhärent ist. Sie brauchen keine 1 MΩ Widerstände, genau . Alle Widerstände mit sehr hohem Widerstand reichen aus.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 8:„Operationsverstärker“

LERNZIELE

• Um das Laden des Voltmeters zu veranschaulichen:seine Ursachen und Lösungen
• Um zu zeigen, wie man ein hochohmiges Voltmeter mit einem Operationsverstärker herstellt
• Um zu veranschaulichen, was „Latch-up“ von Operationsverstärkern ist und wie man sie vermeidet

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Ein ideales Voltmeter hat eine unendliche Eingangsimpedanz, was bedeutet, dass es keinen Strom aus dem zu testenden Stromkreis zieht. Auf diese Weise wird der Stromkreis nicht „beeinflusst“, während die Spannung gemessen wird.

Je mehr Strom ein Voltmeter aus dem zu prüfenden Stromkreis zieht, desto mehr „sackt“ die gemessene Spannung unter der Belastung des Messgeräts ab, wie ein Reifendruckmesser, der Luft aus dem zu messenden Reifen entlässt:Reifen, desto stärker wird der Druck des Reifens durch die Messung beeinflusst. Diese Belastung ist bei hochohmigen Schaltungen, wie dem im Schaltplan gezeigten Spannungsteiler aus 1 MΩ-Widerständen, stärker ausgeprägt.

Wenn Sie ein einfaches 0-15-Volt-Voltmeter bauen möchten, indem Sie das 1-mA-Messwerk in Reihe mit dem 15-kΩ-Präzisionswiderstand schalten und versuchen, dieses Voltmeter zu verwenden, um die Spannung an TP1, TP2 oder TP3 zu messen (in Bezug auf Boden), würden Sie auf schwer stoßen Messfehler durch „Auswirkung des Messgeräts“:

Versuchen Sie, diese drei Spannungen mit dem Messwerk und dem 15-kΩ-Widerstand wie gezeigt zu messen. Zeigt der Zähler falsch hoch oder falsch niedrig an? Warum denkst du ist das so?

Wenn wir die Eingangsimpedanz des Messgeräts erhöhen würden, würden wir seine Stromaufnahme oder „Belastung“ des zu prüfenden Stromkreises verringern und folglich seine Messgenauigkeit verbessern. Ein Operationsverstärker mit hochohmigen Eingängen (mit einer JFET-Transistoreingangsstufe anstelle einer BJT-Eingangsstufe) eignet sich gut für diese Anwendung.

Beachten Sie, dass die Meterbewegung Teil der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers vom Ausgang zum invertierenden Eingang ist. Diese Schaltung treibt die Zählerbewegung mit einem Strom proportional zu der am nichtinvertierenden (+) Eingang angelegten Spannung, dem erforderlichen Strom, der direkt von den Batterien über die Stromversorgungspins des Operationsverstärkers geliefert wird, nicht von dem zu prüfenden Schaltkreis durch die Prüfsonde. Der Messbereich wird durch den Widerstand eingestellt, der den invertierenden (-) Eingang mit Masse verbindet.

Bauen Sie die Op-Amp-Meter-Schaltung wie gezeigt auf und nehmen Sie die Spannungsmessungen an TP1, TP2 und TP3 erneut vor. Sie sollten dieses Mal einen weitaus besseren Erfolg haben, da das Messgerät diese Spannungen genau misst (ungefähr 3, 6 bzw. 9 Volt).

Sie können die extreme Empfindlichkeit dieses Voltmeters erleben, indem Sie die Prüfspitze mit einer Hand und den positivsten Batteriepol mit der anderen berühren. Beachten Sie, wie Sie die Nadel auf der Skala einfach nach oben treiben können, indem Sie die Batteriespannung über Ihren Körperwiderstand messen:eine unmögliche Leistung mit der ursprünglichen, unverstärkten Voltmeterschaltung. Wenn Sie die Messsonde mit Masse berühren, sollte das Messgerät genau 0 Volt anzeigen.

Nachdem Sie bewiesen haben, dass diese Schaltung funktioniert, ändern Sie sie, indem Sie die Stromversorgung von Dual auf Split ändern. Dazu muss die mittlere Erdungsverbindung zwischen der 2. und 3. Batterie entfernt und stattdessen der weit entfernte Minuspol der Batterie geerdet werden:

Diese Änderung der Stromversorgung erhöht die Spannungen an TP1, TP2 und TP3 auf 6, 12 bzw. 18 Volt. Mit einem 15-kΩ-Bereichswiderstand und einem 1-mA-Messwerk wird das Messen von 18 Volt das Messgerät sanft „anheften“, aber Sie sollten in der Lage sein, die 6- und 12-Volt-Testpunkte gut zu messen.

Versuchen Sie, die Messspitze des Messgeräts mit Masse zu berühren. Dies sollte treibe die Messnadel wie zuvor auf genau 0 Volt, wird sie aber nicht! Was hier passiert, ist ein Operationsverstärker-Phänomen namens Latch-up :wobei der Ausgang des Operationsverstärkers auf eine positive Spannung ansteuert, wenn die Eingangsgleichtaktspannung den zulässigen Grenzwert überschreitet.

In diesem Fall sollte, wie bei vielen Operationsverstärkern mit JFET-Eingang, keiner der Eingänge in die Nähe einer der Versorgungsschienenspannungen kommen darf. Bei einer einzelnen Versorgung liegt die negative Stromschiene des Operationsverstärkers auf Erdpotential (0 Volt), sodass das Erden der Testsonde den nicht invertierenden (+) Eingang genau auf diese Schienenspannung bringt. Dies ist schlecht für einen JFET-Operationsverstärker und treibt den Ausgang stark positiv, auch wenn es nicht so aussieht, wie es sollte, basierend auf der Funktionsweise von Operationsverstärkern.

Wenn der Operationsverstärker mit einer „doppelten“ Versorgung (+12/-12 Volt anstelle einer „einzelnen“ +24-Volt-Versorgung) betrieben wurde, war die negative Stromversorgungsschiene 12 Volt von Masse (0 Volt) entfernt, also Erdung die Prüfspitze hat die Gleichtaktspannungsgrenze des Operationsverstärkers nicht verletzt.

Mit der „einzigen“ +24-Volt-Versorgung haben wir jedoch ein Problem. Beachten Sie, dass einige Operationsverstärker nicht „latch-up“ wie das Modell TL082. Sie können den TL082 durch einen LM1458-Operationsverstärker ersetzen, der Pin-für-Pin-kompatibel ist (keine Änderungen an der Steckbrettverkabelung erforderlich).

Das Modell 1458 wird nicht "einrasten", wenn die Prüfspitze geerdet ist, obwohl Sie möglicherweise immer noch falsche Zählerstände erhalten, wenn die gemessene Spannung genau gleich der negativen Stromversorgungsschiene ist. Als allgemeine Regel sollten Sie immer sicherstellen, dass die Spannungen der Stromversorgungsschiene des Operationsverstärkers die erwarteten Eingangsspannungen überschreiten.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für Spannungs-/Stromwandler-OpAmp-Schaltungen