Buat Voltmeter Impedansi Tinggi dengan Op-Amp TL082 / LM1458

Bagian dan Bahan

• Operational amplifier – TL082 (Radio Shack catalog #276-1715)
• Operational amplifier – LM1458 (Radio Shack catalog #276-038)
• Empat baterai 6 V
• Gerakan meter 1 mA (rating 0-15 VDC, Radio Shack catalog #22-410)
• Resistor presisi 15 kΩ (±1 % toleransi)
• Empat resistor 1 MΩ (resistor nilai tinggi apa pun akan berfungsi)

Gerakan meter 1 mA dipasarkan sebagai meter 0-15 VDC, tetapi esensinya adalah indikator 1 mA yang dipasangkan dengan resistor pengali 15 kΩ. Jika Anda memiliki meter ini, resistor 15 kΩ yang disediakan dapat menggantikan yang tercantum di atas.

Kami menggunakan op-amp input JFET seperti TL082 untuk menggambarkan bagaimana voltmeter impedansi tinggi dapat dibangun. LM1458 ditampilkan untuk perbandingan karena tidak menderita masalah latch-up yang dapat terjadi dengan TL082.

Nilai resistansi yang sangat tinggi dapat diterima untuk resistor 1 MΩ; mereka hanya diperlukan untuk menetapkan impedansi masukan dan rentang meter.

Referensi Silang

Lessons in Electric Circuits, Vol. 3, Chap. 8: “Operational Amplifiers.”

Tujuan Pembelajaran

• Memahami loading voltmeter, penyebabnya, dan teknik mitigasi.
• Membangun voltmeter impedansi tinggi menggunakan op-amp.
• Mengenal latch-up op-amp dan mempelajari cara menghindarinya.

Diagram Skematik

Ilustrasi

Instruksi

Voltmeter ideal memiliki impedansi masukan tak terhingga, tidak mengeluarkan arus dari rangkaian yang diuji. Semakin tinggi arus yang ditarik meter, semakin besar error pengukuran yang disebabkan oleh loading—analogis dengan manometer ban yang menyusut saat bocor udara. Efek ini sangat terlihat pada rangkaian resistansi tinggi seperti pembagi tegangan 1 MΩ.

Jika Anda langsung menghubungkan gerakan meter 1 mA beruntun dengan resistor 15 kΩ dan menggunakannya untuk membaca tegangan di TP1, TP2, atau TP3, Anda akan mengamati error signifikan karena loading meter.

Menggunakan konfigurasi op-amp yang dijelaskan di bawah ini secara dramatis mengurangi loading. Gerakan meter berada dalam loop umbal balik op-amp, jadi arus yang menggerakkan jarum disuplai oleh rel daya op-amp, bukan dari titik uji. Resistor 15 kΩ menetapkan arus skala penuh untuk meter 1 mA.

Bangun rangkaian yang ditampilkan dalam skematik dan ukur kembali TP1, TP2, dan TP3. Anda sekarang harus membaca nilai mendekati 3 V, 6 V, dan 9 V masing-masing.

Perhatikan sensitivitas ekstrim desain ini: menyentuh probe pengujian dengan satu tangan dan terminal paling positif baterai dengan tangan yang lain akan menyebabkan jarum bergerak, karena resistansi tubuh memungkinkan arus kecil mengalir melalui loop umbal balik meter. Probe yang menyentuh ground akan dengan benar membaca 0 V.

Selanjutnya, ubah suplai daya ke konfigurasi split: hapus center-tap antara baterai ke-2 dan ke-3 dan groundkan terminal negatif terjauh.

Perubahan ini meningkatkan tegangan titik uji menjadi 6 V, 12 V, dan 18 V. Sementara pembacaan 18 V akan mendorong meter ke batasnya, titik 6 V dan 12 V masih akan diukur dengan akurat.

Groundkan probe sekarang gagal membawa jarum ke nol. Ini adalah skenario latch-up klasik op-amp: input JFET menjadi terosilasi saat tegangan common-mode mendekati rel negatif. Dengan suplai dual (+12 V / –12 V), rel negatif 12 V di bawah ground, jadi groundkan probe tidak melanggar batas common-mode. Namun, dengan suplai tunggal +24 V (ground di 0 V), input probe 0 V mencapai rel negatif, memicu latch-up dan menyebabkan keluaran go high.

Mengganti TL082 dengan LM1458 menghilangkan latch-up ini, karena ia menoleransi rentang common-mode yang lebih luas. Secara umum, selalu pastikan rel daya op-amp melebihi tegangan masukan maksimum yang diharapkan sekurang-kurangnya batas common-mode perangkat.

Lembar Kerja Terkait

• Voltage/Current Converter Op-Amp Circuits Worksheet