Construa um Voltímetro de Alta Impedância com Amp-ops TL082 / LM1458

Peças e Materiais

• Amplificador operacional – TL082 (Radio Shack catálogo #276‑1715)
• Amplificador operacional – LM1458 (Radio Shack catálogo #276‑038)
• Quatro baterias de 6 V
• Movimento de medidor 1 mA (classificação 0‑15 VDC, Radio Shack catálogo #22‑410)
• Resistor de precisão de 15 kΩ (±1 % tolerância)
• Quatro resistores de 1 MΩ (qualquer resistor de alto valor funciona)

O movimento de medidor 1 mA é comercializado como medidor 0‑15 VDC, mas é essencialmente um indicador de 1 mA acoplado a um resistor multiplicador de 15 kΩ. Se você tiver esse medidor, o resistor de 15 kΩ fornecido pode substituir o listado acima.

Usamos um amp-op de entrada JFET, como o TL082, para ilustrar como um voltímetro de alta impedância pode ser construído. O LM1458 é mostrado para comparação, pois não sofre do problema de latch-up que pode ocorrer com o TL082.

Valores de resistência muito altos são aceitáveis para os resistores de 1 MΩ; eles são necessários apenas para definir a impedância de entrada e a faixa do medidor.

Referências Cruzadas

Lessons in Electric Circuits, Vol. 3, Cap. 8: “Amplificadores Operacionais.”

Objetivos de Aprendizado

• Compreender a carga do voltímetro, suas causas e técnicas de mitigação.
• Construir um voltímetro de alta impedância usando um amp-op.
• Reconhecer latch-up de amp-op e aprender como evitá-lo.

Diagrama Esquemático

Ilustração

Instruções

Um voltímetro ideal tem impedância de entrada infinita, não consumindo corrente do circuito sob teste. Quanto maior a corrente consumida pelo medidor, maior o erro de medição causado pela carga — análogo a um medidor de pressão de pneu que afunda ao vazar ar. Esse efeito é especialmente pronunciado em circuitos de alta resistência, como um divisor de tensão de 1 MΩ.

Se você simplesmente conectar o movimento do medidor de 1 mA em série com o resistor de 15 kΩ e usá-lo para ler as tensões em TP1, TP2 ou TP3, observará erros significativos devido à carga do medidor.

Usar a configuração de amp-op descrita abaixo reduz drasticamente a carga. O movimento do medidor fica no laço de realimentação do amp-op, de modo que a corrente que move a agulha é suprida pelos trilhos de alimentação do amp-op, não pelo ponto de teste. O resistor de 15 kΩ estabelece a corrente de fundo de escala para o medidor de 1 mA.

Monte o circuito mostrado no esquemático e re-meça TP1, TP2 e TP3. Agora você deve ler valores próximos a 3 V, 6 V e 9 V, respectivamente.

Observe a extrema sensibilidade deste projeto: tocar a ponta de prova com uma mão e o terminal mais positivo da bateria com a outra fará a agulha se mover, porque a resistência do corpo permite uma pequena corrente fluir pelo laço de realimentação do medidor. Uma ponta tocando a terra lerá corretamente 0 V.

Em seguida, modifique a fonte de alimentação para uma configuração simétrica: remova o centrotap entre a 2ª e a 3ª bateria e aterre o terminal negativo mais distante.

Essa mudança eleva as tensões dos pontos de teste para 6 V, 12 V e 18 V. Embora a leitura de 18 V leve o medidor ao limite, os pontos de 6 V e 12 V ainda serão medidos com precisão.

Aterrar a ponta de prova agora falha em trazer a agulha a zero. Este é um cenário clássico de latch-up de amp-op: a entrada JFET satura quando sua tensão de modo comum se aproxima do trilho negativo. Com alimentação dual (+12 V / –12 V), o trilho negativo está 12 V abaixo da terra, então aterrar a ponta não viola os limites de modo comum. No entanto, com uma alimentação única de +24 V (terra em 0 V), a entrada de 0 V da ponta atinge o trilho negativo, disparando latch-up e fazendo a saída oscilar para alto.

Substituir o TL082 pelo LM1458 elimina esse latch-up, pois ele tolera uma faixa de modo comum mais ampla. Em geral, sempre certifique-se de que os trilhos de alimentação do amp-op excedam a tensão de entrada máxima esperada em pelo menos os limites de modo comum do dispositivo.

Planilha Relacionada

• Planilha de Circuitos Conversores Tensão/Corrente com Amp-Op