Construction d'un voltmètre à haute impédance avec les AO TL082 / LM1458

Composants et matériel

• Amplificateur opérationnel — TL082 (Radio Shack catalogue #276‑1715)
• Amplificateur opérationnel — LM1458 (Radio Shack catalogue #276‑038)
• Quatre piles 6 V
• Mouvement de galvanomètre 1 mA (calibre 0‑15 VDC, Radio Shack catalogue #22‑410)
• Résistance de précision 15 kΩ (±1 % de tolérance)
• Quatre résistances de 1 MΩ (toute résistance de haute valeur conviendra)

Le mouvement de galvanomètre 1 mA est commercialisé comme un voltmètre 0‑15 VDC, mais il s'agit essentiellement d'un indicateur 1 mA associé à une résistance multiplicatrice de 15 kΩ. Si vous possédez ce galvanomètre, la résistance de 15 kΩ fournie peut remplacer celle listée ci-dessus.

Nous utilisons un AO à entrée JFET tel que le TL082 pour illustrer comment construire un voltmètre à haute impédance. Le LM1458 est présenté pour comparaison car il ne souffre pas du problème de verrouillage (latch-up) qui peut survenir avec le TL082.

Des valeurs de résistance très élevées sont acceptables pour les résistances de 1 MΩ ; elles sont requises uniquement pour définir l'impédance d'entrée et la gamme du voltmètre.

Références croisées

Lessons in Electric Circuits, Vol. 3, Chap. 8 : « Amplificateurs opérationnels ».

Objectifs d'apprentissage

• Comprendre l'effet de charge du voltmètre, ses causes et les techniques d'atténuation.
• Construire un voltmètre à haute impédance utilisant un AO.
• Reconnaître le verrouillage (latch-up) de l'AO et apprendre à l'éviter.

Schéma électrique

Illustration

Instructions

Un voltmètre idéal a une impédance d'entrée infinie, ne tirant aucun courant du circuit testé. Plus le courant consommé par le voltmètre est élevé, plus l'erreur de mesure due à l'effet de charge est grande — analogue à un manomètre de pneu qui s'affaisse en perdant de l'air. Cet effet est particulièrement prononcé dans les circuits à haute résistance comme un diviseur de tension de 1 MΩ.

Si vous connectez simplement le mouvement de galvanomètre 1 mA en série avec la résistance de 15 kΩ et l'utilisez pour lire les tensions aux points TP1, TP2 ou TP3, vous observerez des erreurs significatives dues à la charge du voltmètre.

L'utilisation de la configuration à AO décrite ci-dessous réduit drastiquement la charge. Le mouvement de galvanomètre se trouve dans la boucle de rétroaction de l'AO, donc le courant qui actionne l'aiguille est fourni par les rails d'alimentation de l'AO, et non par le point de test. La résistance de 15 kΩ établit le courant de plein échelle pour le galvanomètre 1 mA.

Construisez le circuit montré dans le schéma et re-mesurez TP1, TP2 et TP3. Vous devriez maintenant lire des valeurs proches de 3 V, 6 V et 9 V respectivement.

Remarquez l'extrême sensibilité de cette conception : toucher la sonde de test d'une main et la borne la plus positive de la pile de l'autre fera bouger l'aiguille, car la résistance du corps permet à un petit courant de circuler dans la boucle de rétroaction du galvanomètre. Une sonde touchant la masse indiquera correctement 0 V.

Ensuite, modifiez l'alimentation pour une configuration symétrique : retirez la prise centrale entre la 2e et la 3e pile et mettez à la masse la borne négative la plus éloignée.

Ce changement élève les tensions des points de test à 6 V, 12 V et 18 V. Bien que la lecture de 18 V pousse le galvanomètre à sa limite, les points 6 V et 12 V seront encore mesurés avec précision.

Mettre la sonde de test à la masse n'amène plus l'aiguille à zéro. C'est un scénario classique de verrouillage (latch-up) de l'AO : l'entrée JFET se sature lorsque sa tension de mode commun approche le rail négatif. Avec une alimentation double (+12 V / –12 V), le rail négatif est 12 V en dessous de la masse, donc mettre la sonde à la masse ne viole pas les limites de mode commun. Cependant, avec une alimentation simple +24 V (masse à 0 V), l'entrée de 0 V de la sonde atteint le rail négatif, déclenchant le verrouillage et faisant basculer la sortie vers le haut.

Remplacer le TL082 par le LM1458 élimine ce verrouillage, car il tolère une plage de mode commun plus large. En général, assurez-vous toujours que les rails d'alimentation de l'AO dépassent la tension d'entrée maximale attendue d'au moins les limites de mode commun du composant.

Feuille de travail associée

• Feuille de travail : Circuits convertisseurs tension/courant à AO