Voltmeter impedansi tinggi

BAGIAN DAN BAHAN

• Penguat operasional, model TL082 direkomendasikan (Katalog Radio Shack # 276-1715)
• Penguat operasional, model LM1458 direkomendasikan (Katalog Radio Shack # 276-038)
• Empat baterai 6 volt
• Gerakan satu meter, defleksi skala penuh 1 mA (Katalog Radio Shack #22-410)
• Resistor presisi 15 kΩ
• Empat resistor 1 MΩ

Gerakan 1 mA meter yang dijual oleh Radio Shack diiklankan sebagai 0-15 VDC meter tetapi sebenarnya adalah gerakan 1 mA yang dijual dengan resistor pengali toleransi 15 kΩ +/- 1%. Jika Anda mendapatkan gerakan meteran Radio Shack ini, Anda dapat menggunakan resistor 15 kΩ yang disertakan untuk resistor yang ditentukan dalam daftar bagian.

Eksperimen meter ini didasarkan pada op-amp input JFET seperti TL082. Op-amp lain (model 1458) digunakan dalam percobaan ini untuk menunjukkan tidak adanya latch-up:masalah yang melekat pada TL082. Anda tidak perlu resistor 1 MΩ, tepat . Resistor resistansi yang sangat tinggi akan cukup.

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 3, bab 8:“Penguat Operasional”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Untuk mengilustrasikan pembebanan Voltmeter:penyebab dan solusinya
• Untuk menunjukkan cara membuat voltmeter impedansi tinggi menggunakan op-amp
• Untuk mengilustrasikan apa itu "latch-up" op-amp dan bagaimana cara menghindarinya

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Voltmeter yang ideal memiliki impedansi input yang tidak terbatas, artinya voltmeter tersebut menarik arus nol dari rangkaian yang diuji. Dengan cara ini, tidak akan ada "dampak" pada sirkuit saat tegangan sedang diukur.

Semakin banyak arus yang ditarik voltmeter dari sirkuit yang diuji, semakin banyak voltase yang diukur akan "melorot" di bawah efek pemuatan meteran, seperti pengukur tekanan ban yang melepaskan udara dari ban yang diukur:semakin banyak udara yang dilepaskan dari ban, semakin besar tekanan ban akan dipengaruhi oleh tindakan pengukuran. Pembebanan ini lebih jelas pada sirkuit dengan resistansi tinggi, seperti pembagi tegangan yang terbuat dari resistor 1 MΩ, yang ditunjukkan pada diagram skematik.

Jika Anda ingin membuat voltmeter rentang 0-15 volt sederhana dengan menghubungkan gerakan 1 mA meter secara seri dengan resistor presisi 15 kΩ, dan coba gunakan voltmeter ini untuk mengukur tegangan pada TP1, TP2, atau TP3 (berkenaan dengan tanah), Anda akan mengalami parah kesalahan pengukuran yang disebabkan oleh “dampak:” meteran

Coba gunakan gerakan meteran dan resistor 15 kΩ seperti yang ditunjukkan untuk mengukur ketiga tegangan ini. Apakah meteran terbaca salah tinggi atau rendah palsu? Menurut Anda mengapa demikian?

Jika kita ingin meningkatkan impedansi input meter, kita akan mengurangi penarikan arus atau "beban" pada rangkaian yang diuji dan akibatnya meningkatkan akurasi pengukurannya. Op-amp dengan masukan impedansi tinggi (menggunakan tahap masukan transistor JFET daripada tahap masukan BJT) bekerja dengan baik untuk aplikasi ini.

Perhatikan bahwa gerakan meteran adalah bagian dari loop umpan balik op-amp dari output ke input pembalik. Sirkuit ini menggerakkan gerakan meter dengan arus yang sebanding dengan tegangan yang diberikan pada input non-pembalik (+), arus yang diperlukan disuplai langsung dari baterai melalui pin catu daya op-amp, bukan dari rangkaian yang diuji melalui probe uji. Rentang meteran diatur oleh resistor yang menghubungkan input pembalik (-) ke ground.

Bangun rangkaian op-amp meter seperti pada gambar dan lakukan kembali pengukuran tegangan pada TP1, TP2, dan TP3. Anda seharusnya menikmati kesuksesan yang jauh lebih baik kali ini, dengan gerakan meteran yang secara akurat mengukur voltase ini (masing-masing sekitar 3, 6, dan 9 volt).

Anda dapat menyaksikan sensitivitas ekstrim voltmeter ini dengan menyentuh probe uji dengan satu tangan dan terminal baterai paling positif dengan tangan lainnya. Perhatikan bagaimana Anda dapat mendorong jarum ke atas pada skala hanya dengan mengukur tegangan baterai melalui ketahanan tubuh Anda:suatu prestasi yang mustahil dengan rangkaian voltmeter asli yang tidak diperkuat. Jika Anda menyentuhkan probe uji ke ground, pengukur harus membaca persis 0 volt.

Setelah Anda membuktikan rangkaian ini berfungsi, modifikasi dengan mengubah catu daya dari ganda menjadi split. Ini memerlukan pelepasan koneksi ground tap tengah antara baterai ke-2 dan ke-3, dan sebagai gantinya menghubungkan terminal baterai negatif jauh:

Perubahan catu daya ini meningkatkan tegangan pada TP1, TP2, dan TP3 masing-masing menjadi 6, 12, dan 18 volt. Dengan resistor rentang 15 kΩ dan gerakan meteran 1 mA, mengukur 18 volt akan dengan lembut "mematok" meteran, tetapi Anda seharusnya dapat mengukur titik uji 6 dan 12 volt dengan baik.

Coba sentuhkan probe uji meteran ke ground. Ini harus dorong jarum pengukur tepat 0 volt seperti sebelumnya, tetapi tidak! Apa yang terjadi di sini adalah fenomena op-amp yang disebut latch-up :di mana output op-amp bergerak ke tegangan positif ketika tegangan mode-umum input melebihi batas yang diizinkan.

Dalam hal ini, seperti banyak op-amp input JFET, tidak ada input yang boleh mendekati tegangan rel catu daya. Dengan catu daya tunggal, rel daya negatif op-amp berada pada potensial arde (0 volt), jadi pentanahan probe uji membawa input non-pembalik (+) tepat ke tegangan rel tersebut. Ini buruk untuk op-amp JFET, dan mendorong output sangat positif, meskipun tampaknya tidak seharusnya, berdasarkan bagaimana op-amp seharusnya berfungsi.

Ketika op-amp bekerja dengan catu daya "ganda" (+12/-12 volt, bukan catu daya "tunggal" +24 volt), rel catu daya negatif berjarak 12 volt dari ground (0 volt), jadi pentanahan probe uji tidak melanggar batas tegangan mode umum op-amp.

Namun, dengan pasokan "tunggal" +24 volt, kami memiliki masalah. Perhatikan bahwa beberapa op-amp tidak "mengunci" seperti yang dilakukan model TL082. Anda dapat mengganti TL082 dengan op-amp LM1458, yang kompatibel dengan pin-untuk-pin (tidak perlu mengubah kabel papan tempat memotong roti).

Model 1458 tidak akan "mengunci" saat probe uji diarde, meskipun Anda mungkin masih mendapatkan pembacaan meter yang salah dengan voltase terukur persis sama dengan rel catu daya negatif. Sebagai aturan umum, Anda harus selalu memastikan tegangan rel catu daya op-amp melebihi tegangan input yang diharapkan.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Sirkuit OpAmp Konverter Tegangan/Arus