Voltmètre haute impédance

PIÈCES ET MATÉRIAUX

• Amplificateur opérationnel, modèle TL082 recommandé (catalogue Radio Shack n° 276-1715)
• Amplificateur opérationnel, modèle LM1458 recommandé (catalogue Radio Shack n° 276-038)
• Quatre piles 6 volts
• Mouvement d'un mètre, déviation à pleine échelle de 1 mA (catalogue Radio Shack #22-410)
• Résistance de précision 15 kΩ
• Quatre résistances de 1 MΩ

Le mouvement de compteur 1 mA vendu par Radio Shack est annoncé comme un compteur 0-15 VDC mais est en fait un mouvement 1 mA vendu avec une résistance multiplicatrice de tolérance de 15 kΩ +/- 1%. Si vous obtenez ce mouvement de compteur Radio Shack, vous pouvez utiliser la résistance de 15 kΩ incluse pour la résistance spécifiée dans la liste des pièces.

Cette expérience de compteur est basée sur un amplificateur opérationnel à entrée JFET tel que le TL082. L'autre ampli-op (modèle 1458) est utilisé dans cette expérience pour démontrer l'absence de verrouillage :un problème inhérent au TL082. Vous n'avez pas besoin de résistances de 1 MΩ, exactement . Toute résistance à très haute résistance suffira.

REFERENCES CROISEES

Leçons En Circuits Électriques , Volume 3, chapitre 8 :« Amplificateurs opérationnels »

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Pour illustrer la charge du voltmètre :ses causes et ses solutions
• Pour montrer comment fabriquer un voltmètre à haute impédance à l'aide d'un amplificateur opérationnel
• Pour illustrer ce qu'est le « latch-up » d'un ampli opérationnel et comment l'éviter

SCHÉMA SCHÉMA

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Un voltmètre idéal a une impédance d'entrée infinie, ce qui signifie qu'il tire un courant nul du circuit testé. De cette façon, il n'y aura pas d'« impact » sur le circuit pendant la mesure de la tension.

Plus un voltmètre tire du courant du circuit à tester, plus la tension mesurée « s'affaissera » sous l'effet de charge du compteur, comme un manomètre pour pneu libérant de l'air hors du pneu mesuré :plus il y a d'air libéré du pneu, plus la pression du pneu sera impactée par l'acte de mesure. Cette charge est plus prononcée sur les circuits à haute résistance, comme le diviseur de tension constitué de résistances de 1 MΩ, illustré sur le schéma de principe.

Si vous deviez construire un simple voltmètre de gamme 0-15 volts en connectant le mouvement du mètre 1 mA en série avec la résistance de précision de 15 kΩ, et essayez d'utiliser ce voltmètre pour mesurer la tension à TP1, TP2 ou TP3 (par rapport à sol), vous rencontreriez grave erreurs de mesure induites par « impact » du compteur :

Essayez d'utiliser le mouvement du compteur et la résistance de 15 kΩ comme indiqué pour mesurer ces trois tensions. Le compteur indique-t-il faussement haut ou faussement bas ? Pourquoi pensez-vous que c'est ?

Si nous devions augmenter l'impédance d'entrée du compteur, nous diminuerions sa consommation de courant ou sa « charge » sur le circuit à tester et améliorerions par conséquent sa précision de mesure. Un ampli-op avec des entrées à haute impédance (utilisant un étage d'entrée à transistor JFET plutôt qu'un étage d'entrée BJT) fonctionne bien pour cette application.

Notez que le mouvement du compteur fait partie de la boucle de rétroaction de l'ampli-op de la sortie à l'entrée inverse. Ce circuit entraîne le mouvement du compteur avec un courant proportionnel à la tension appliquée à l'entrée non inverseuse (+), le courant requis fourni directement par les batteries via les broches d'alimentation de l'amplificateur opérationnel, et non par le circuit testé via la sonde de test. La plage du compteur est définie par la résistance reliant l'entrée inverseuse (-) à la terre.

Construisez le circuit du compteur d'amplificateur opérationnel comme indiqué et reprenez les mesures de tension à TP1, TP2 et TP3. Vous devriez profiter d'un bien meilleur succès cette fois, avec le mouvement du compteur mesurant avec précision ces tensions (environ 3, 6 et 9 volts, respectivement).

Vous pouvez constater l'extrême sensibilité de ce voltmètre en touchant la sonde de test d'une main et la borne la plus positive de la batterie de l'autre. Remarquez comment vous pouvez faire monter l'aiguille sur la balance simplement en mesurant la tension de la batterie à travers la résistance de votre corps :un exploit impossible avec le circuit de voltmètre d'origine non amplifié. Si vous touchez la sonde de test à la terre, le compteur devrait indiquer exactement 0 volt.

Après avoir prouvé que ce circuit fonctionne, modifiez-le en changeant l'alimentation de double en split. Cela implique de retirer la connexion à la terre à prise centrale entre les 2e et 3e batteries et de mettre à la terre la borne négative la plus éloignée de la batterie :

Cette modification de l'alimentation augmente les tensions à TP1, TP2 et TP3 à 6, 12 et 18 volts, respectivement. Avec une résistance de plage de 15 kΩ et un mouvement de compteur de 1 mA, mesurer 18 volts « ancrera » doucement le compteur, mais vous devriez pouvoir mesurer très bien les points de test de 6 et 12 volts.

Essayez de mettre la sonde de test du compteur à la terre. Cela devrait conduire l'aiguille du compteur à exactement 0 volt comme avant, mais ce ne sera pas le cas ! Ce qui se passe ici est un phénomène d'amplificateur opérationnel appelé latch-up  :où la sortie de l'ampli-op conduit à une tension positive lorsque la tension de mode commun d'entrée dépasse la limite autorisée.

Dans ce cas, comme pour de nombreux amplificateurs opérationnels à entrée JFET, aucune entrée ne doit être autorisée à s'approcher de la tension du rail d'alimentation. Avec une seule alimentation, le rail d'alimentation négatif de l'amplificateur opérationnel est au potentiel de terre (0 volt), donc la mise à la terre de la sonde de test amène l'entrée non inverseuse (+) exactement à cette tension de rail. C'est mauvais pour un ampli-op JFET, et rend la sortie fortement positive, même si cela ne semble pas comme cela devrait, en fonction de la façon dont les amplis-op sont censés fonctionner.

Lorsque l'ampli-op fonctionnait sur une alimentation "double" (+12/-12 volts, plutôt qu'une alimentation "simple" +24 volts), le rail d'alimentation négatif était à 12 volts de la terre (0 volts), donc la mise à la terre la sonde de test n'a pas violé la limite de tension de mode commun de l'ampli-op.

Cependant, avec l'alimentation "simple" +24 volts, nous avons un problème. Notez que certains amplis-op ne "se verrouillent" pas comme le modèle TL082. Vous pouvez remplacer le TL082 par un amplificateur opérationnel LM1458, qui est compatible broche à broche (aucun changement de câblage de la maquette n'est nécessaire).

Le modèle 1458 ne « se verrouille » pas lorsque la sonde de test est mise à la terre, bien que vous puissiez toujours obtenir des lectures de compteur incorrectes avec la tension mesurée exactement égale au rail d'alimentation négatif. En règle générale, vous devez toujours vous assurer que les tensions du rail d'alimentation de l'amplificateur opérationnel dépassent les tensions d'entrée attendues.

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Feuille de travail sur les circuits d'amplificateur opérationnel du convertisseur de tension/courant