6.5: Voltímetro de alta impedancia

PARTES Y MATERIALES

• Amplificador operacional, modelo TL082 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-1715)
• Amplificador operacional, modelo LM1458 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-038)
• Cuatro baterías de 6 voltios
• Movimiento de un metro, desviación a escala completa de 1 mA (Catálogo Radio Shack #22 -410)
• Resistencia de precisión de 15 kΩ
• Cuatro resistencias de 1 MΩ

El movimiento de medidor de 1 mA vendido por Radio Shack se anuncia como un medidor de 0-15 VCC pero en realidad es un movimiento de 1 mA que se vende con una resistencia multiplicadora de tolerancia de 15 kΩ +/- 1%. Si obtiene este movimiento del medidor Radio Shack, puede usar la resistencia de 15 kΩ incluida para la resistencia especificada en la lista de piezas.

Este experimento de medidor se basa en un amplificador operacional de entrada JFET como el TL082. El otro op-amp (modelo 1458) se utiliza en este experimento para demostrar la ausencia de enganche: un problema inherente al TL082.

No necesitas resistencias de 1 MΩ, exactamente. Cualquier resistencia de muy alta resistencia bastará.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Carga del voltímetro: sus causas y su solución
• Cómo hacer un voltímetro de alta impedancia usando un amplificador operacional
• Qué es el “latch-up” del amplificador operacional y cómo evitarlo

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Un voltímetro ideal tiene impedancia de entrada infinita, lo que significa que extrae corriente cero del circuito bajo prueba. De esta manera, no habrá “impacto” en el circuito ya que se está midiendo el voltaje. Cuanta más corriente consume un voltímetro del circuito bajo prueba, más se “comba” el voltaje medido bajo el efecto de carga del medidor, como un manómetro de presión de neumáticos que libera aire del neumático que se está midiendo: cuanto más aire se libere del neumático, más se verá impactada la presión del neumático por el acto de medición. Esta carga es más pronunciada en circuitos de alta resistencia, como el divisor de voltaje hecho de resistencias de 1 MΩ, mostrado en el diagrama esquemático.

Si construyera un voltímetro simple de rango de 0-15 voltios conectando el movimiento del medidor de 1 mA en serie con la resistencia de precisión de 15 kΩ, e intentara usar este voltímetro para medir el voltaje en TP1, TP2 o TP3 (con respecto a tierra), encontraría graves errores de medición inducidos por medidor” impacto:”

Intente usar el movimiento del medidor y la resistencia de 15 kΩ como se muestra para medir estos tres voltajes. ¿El medidor lee falsamente alto o falsamente bajo? ¿Por qué crees que es esto?

Si aumentáramos la impedancia de entrada del medidor, disminuiríamos su consumo de corriente o “carga” en el circuito bajo prueba y, en consecuencia, mejoraríamos su precisión de medición. Un amplificador operacional con entradas de alta impedancia (usando una etapa de entrada de transistor JFET en lugar de una etapa de entrada BJT) funciona bien para esta aplicación.

Tenga en cuenta que el movimiento del medidor es parte del bucle de retroalimentación del amplificador operacional desde la salida hasta la entrada inversora. Este circuito acciona el movimiento del medidor con una corriente proporcional al voltaje impreso en la entrada no inversora (+), la corriente requerida suministrada directamente desde las baterías a través de los pines de la fuente de alimentación del amplificador operacional, no desde el circuito bajo prueba a través de la sonda de prueba. El rango del medidor es establecido por la resistencia que conecta la entrada inversora (-) a tierra.

Construya el circuito del medidor de amperios operacionales como se muestra y vuelva a tomar las mediciones de voltaje en TP1, TP2 y TP3. Esta vez deberías disfrutar de un éxito mucho mejor, con el movimiento del medidor midiendo con precisión estos voltajes (aproximadamente 3, 6 y 9 voltios, respectivamente).

Podrá presenciar la extrema sensibilidad de este voltímetro tocando la sonda de prueba con una mano y el terminal de batería más positivo con la otra. Observe cómo puede conducir la aguja hacia arriba en la báscula simplemente midiendo el voltaje de la batería a través de la resistencia de su cuerpo: una hazaña imposible con el circuito voltímetro original sin amplificar. Si toca la sonda de prueba a tierra, el medidor debe leer exactamente 0 voltios.

Después de haber demostrado que este circuito funciona, modifíquelo cambiando la fuente de alimentación de dual a split. Esto implica quitar la conexión a tierra del grifo central entre las baterías 2ª y 3ª, y poner a tierra el terminal negativo lejano de la batería en su lugar:

Esta alteración en la fuente de alimentación aumenta los voltajes en TP1, TP2 y TP3 a 6, 12 y 18 voltios, respectivamente. Con una resistencia de rango de 15 kΩ y un movimiento de medidor de 1 mA, medir 18 voltios “pegará” suavemente el medidor, pero debería poder medir bien los puntos de prueba de 6 y 12 voltios.

Intente tocar la sonda de prueba del medidor a tierra. Esto debería conducir la aguja del medidor a exactamente 0 voltios como antes, ¡pero no lo hará! Lo que está sucediendo aquí es un fenómeno de amplificador operacional llamado enganche: donde la salida de amplificador operacional conduce a un voltaje positivo cuando el voltaje de modo común de entrada excede el límite permitido. En este caso, como ocurre con muchos amplificadores operacionales de entrada JFET, ninguna de las entradas se debe permitir que se acerque a la tensión del riel de la fuente de alimentación. Con una sola fuente, el riel de alimentación negativo del amplificador operacional está a potencial de tierra (0 voltios), por lo que poner a tierra la sonda de prueba lleva la entrada no inversora (+) exactamente a ese voltaje del riel. Esto es malo para un amplificador operacional JFET, e impulsa la salida fuertemente positiva, aunque no parezca que debería, en función de cómo se supone que funcionan los amplificadores operacionales.

Cuando el amplificador operacional funcionaba con una fuente “dual” (+12/-12 voltios, en lugar de una fuente “única” de +24 voltios), el riel de la fuente de alimentación negativa estaba a 12 voltios de tierra (0 voltios), por lo que poner a tierra la sonda de prueba no violó el límite de voltaje de modo común del amplificador operacional. Sin embargo, con el suministro “único” de +24 voltios, tenemos un problema. Tenga en cuenta que algunos amplificadores operacionales no se “traban” como lo hace el modelo TL082. Puede reemplazar el TL082 con un amplificador operacional LM1458, que es compatible con pin por pin (no se necesitan cambios en el cableado de la placa de pruebas). El modelo 1458 no se “trabará” cuando la sonda de prueba esté conectada a tierra, aunque aún puede obtener lecturas incorrectas del medidor con el voltaje medido exactamente igual al riel de fuente de alimentación negativa. Como regla general, siempre debe estar seguro de que los voltajes del riel de la fuente de alimentación del amplificador operacional excedan los voltajes de entrada esperados.