Voltímetro de alta impedância

PEÇAS E MATERIAIS

• Amplificador operacional, modelo TL082 recomendado (catálogo Radio Shack # 276-1715)
• Amplificador operacional, modelo LM1458 recomendado (catálogo Radio Shack # 276-038)
• Quatro baterias de 6 volts
• Movimento de um metro, deflexão de escala total de 1 mA (catálogo Radio Shack # 22-410)
• resistor de precisão de 15 kΩ
• Quatro resistores de 1 MΩ

O movimento do medidor de 1 mA vendido pela Radio Shack é anunciado como um medidor de 0-15 VCC, mas na verdade é um movimento de 1 mA vendido com um resistor multiplicador de tolerância de 15 kΩ +/- 1%. Se você obtiver o movimento do medidor Radio Shack, poderá usar o resistor de 15 kΩ incluído para o resistor especificado na lista de peças.

Este experimento de medidor é baseado em um amplificador operacional de entrada JFET, como o TL082. O outro op-amp (modelo 1458) é usado neste experimento para demonstrar a ausência de travamento:um problema inerente ao TL082. Você não precisa de resistores de 1 MΩ, exatamente . Qualquer resistor de resistência muito alta será suficiente.



REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionais"



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Para ilustrar o carregamento do voltímetro:suas causas e soluções
• Para mostrar como fazer um voltímetro de alta impedância usando um amplificador operacional
• Para ilustrar o que é “travamento” do amplificador operacional e como evitá-lo

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

Um voltímetro ideal tem impedância de entrada infinita, o que significa que ele extrai corrente zero do circuito em teste. Desta forma, não haverá “impacto” no circuito enquanto a tensão está sendo medida.

Quanto mais corrente um voltímetro extrai do circuito em teste, mais a tensão medida vai "afundar" sob o efeito de carga do medidor, como um medidor de pressão do pneu liberando ar do pneu sendo medido:mais ar é liberado do pneu, mais a pressão do pneu será afetada pelo ato da medição. Este carregamento é mais pronunciado em circuitos de alta resistência, como o divisor de tensão feito de resistores de 1 MΩ, mostrado no diagrama esquemático.

Se você fosse construir um voltímetro simples de 0-15 volts conectando o movimento do medidor de 1 mA em série com o resistor de precisão de 15 kΩ e tente usar este voltímetro para medir a tensão em TP1, TP2 ou TP3 (em relação a solo), você encontrará severo erros de medição induzidos pelo “impacto” do medidor:







Tente usar o movimento do medidor e o resistor de 15 kΩ conforme mostrado para medir essas três tensões. O medidor lê falsamente alto ou falsamente baixo? Por que você acha que isso acontece?

Se aumentássemos a impedância de entrada do medidor, diminuiríamos seu consumo de corrente ou "carga" no circuito em teste e, consequentemente, melhoraríamos sua precisão de medição. Um amplificador operacional com entradas de alta impedância (usando um estágio de entrada de transistor JFET em vez de um estágio de entrada BJT) funciona bem para esta aplicação.

Observe que o movimento do medidor é parte do ciclo de feedback do amplificador operacional da saída para a entrada inversa. Este circuito aciona o movimento do medidor com uma corrente proporcional à tensão impressa na entrada não inversora (+), a corrente necessária fornecida diretamente das baterias através dos pinos de alimentação do amplificador operacional, não do circuito em teste através da sonda de teste. A faixa do medidor é definida pelo resistor conectando a entrada inversora (-) ao aterramento.

Construa o circuito do medidor de amp op conforme mostrado e refaça as medições de tensão em TP1, TP2 e TP3. Você deve ter muito mais sucesso desta vez, com o movimento do medidor medindo com precisão essas tensões (aproximadamente 3, 6 e 9 volts, respectivamente).

Você pode testemunhar a extrema sensibilidade deste voltímetro tocando a ponta de prova com uma mão e o terminal mais positivo da bateria com a outra. Observe como você pode impulsionar a agulha para cima na escala simplesmente medindo a tensão da bateria através da resistência de seu corpo:uma façanha impossível com o circuito voltímetro original não amplificado. Se você encostar a ponta de prova no aterramento, o medidor deve ler exatamente 0 volts.

Depois de provar que este circuito funciona, modifique-o mudando a fonte de alimentação de dupla para dividida. Isso envolve a remoção da conexão de aterramento da derivação central entre a 2ª e a 3ª baterias e, em vez disso, aterrar o terminal negativo da bateria:







Essa alteração na fonte de alimentação aumenta as tensões em TP1, TP2 e TP3 para 6, 12 e 18 volts, respectivamente. Com um resistor de faixa de 15 kΩ e um movimento do medidor de 1 mA, medir 18 volts irá “prender” suavemente o medidor, mas você deve ser capaz de medir os pontos de teste de 6 e 12 volts perfeitamente.

Tente tocar a sonda de teste do medidor no aterramento. Isso deveria conduza a agulha do medidor para exatamente 0 volts como antes, mas não vai! O que está acontecendo aqui é um fenômeno do amplificador operacional chamado latch-up :onde a saída do amplificador operacional leva a uma tensão positiva quando a tensão de modo comum de entrada excede o limite permitido.

Neste caso, como acontece com muitos amplificadores operacionais de entrada JFET, nenhuma entrada deve ser permitida se aproximar da tensão do barramento de fonte de alimentação. Com uma única fonte, o barramento de alimentação negativo do amplificador operacional está com potencial de aterramento (0 volts), então o aterramento da ponta de prova traz a entrada não inversora (+) exatamente para a tensão do barramento. Isso é ruim para um amplificador operacional JFET e impulsiona a saída fortemente positiva, embora não pareça que deveria, com base em como os amplificadores operacionais devem funcionar.

Quando o op-amp funcionou em uma fonte "dupla" (+ 12 / -12 volts, em vez de uma fonte "única" de +24 volts), o barramento de alimentação negativa estava a 12 volts de distância do aterramento (0 volts), portanto, aterramento a ponta de prova não violou o limite de tensão de modo comum do amplificador operacional.

Porém, com a fonte “única” de +24 volts, temos um problema. Observe que alguns amplificadores operacionais não "travam" da maneira que o modelo TL082 faz. Você pode substituir o TL082 por um LM1458 op-amp, que é compatível pino a pino (não são necessárias alterações na fiação da placa de ensaio).

O modelo 1458 não “travará” quando a ponta de prova de teste estiver aterrada, embora você ainda possa obter leituras incorretas do medidor com a tensão medida exatamente igual ao barramento de fonte de alimentação negativo. Como regra geral, você deve sempre se certificar de que as tensões do barramento de alimentação do amplificador operacional excedem as tensões de entrada esperadas.



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