ハイインピーダンス電圧計

部品と材料

• オペアンプ、モデルTL082を推奨（Radio Shackカタログ番号276-1715）
• オペアンプ、モデルLM1458を推奨（Radio Shackカタログ番号276-038）
• 6ボルトのバッテリー4個
• 1メートルの動き、1 mAのフルスケール偏向（Radio Shackカタログ＃22-410）
• 15kΩの高精度抵抗器
• 4つの1MΩ抵抗

RadioShackによって販売されている1mAメーターのムーブメントは、0〜15 VDCメーターとして宣伝されていますが、実際には15kΩ+/- 1％の許容差の乗算器抵抗で販売されている1mAのムーブメントです。このラジオシャックメーターの動きがあれば、パーツリストで指定されている抵抗器に付属の15kΩ抵抗器を使用できます。

このメーター実験は、TL082などのJFET入力オペアンプに基づいています。この実験では、TL082に固有の問題であるラッチアップがないことを示すために、もう1つのオペアンプ（モデル1458）を使用します。 1MΩの抵抗は必要ありません。正確に 。非常に高い抵抗の抵抗で十分です。

相互参照

電気回路の教訓 、第3巻、第8章：「オペアンプ」

学習目標

• 電圧計の負荷を説明する：その原因と解決策
• オペアンプを使用して高インピーダンス電圧計を作成する方法を示すため
• オペアンプの「ラッチアップ」とは何か、およびそれを回避する方法を説明するため

回路図

イラスト

手順

理想的な電圧計の入力インピーダンスは無限大です。つまり、テスト対象の回路からゼロ電流が流れます。このように、電圧が測定されている間、回路に「影響」はありません。

電圧計がテスト対象の回路から引き込む電流が多いほど、測定対象のタイヤから空気を放出するタイヤ圧力計のように、メーターの負荷効果の下で測定された電圧が「低下」します。タイヤが多いほど、タイヤの圧力は測定行為によって影響を受けます。この負荷は、回路図に示されている1MΩ抵抗で作られた分圧器のような高抵抗の回路でより顕著になります。

1 mAメーターの動きを15kΩの高精度抵抗器と直列に接続して単純な0〜15ボルト範囲の電圧計を作成する場合は、この電圧計を使用してTP1、TP2、またはTP3の電圧を測定してみてください（地面）、あなたは重度に遭遇するでしょう メーターの「影響」によって引き起こされる測定誤差：

図のようにメーターの動きと15kΩの抵抗を使用して、これら3つの電圧を測定してみてください。メーターは誤って高いまたは誤って低いを読み取りますか？なぜだと思いますか？

メーターの入力インピーダンスを上げると、被試験回路の電流引き込みまたは「負荷」が減少し、その結果、測定精度が向上します。ハイインピーダンス入力を備えたオペアンプ（BJT入力段ではなくJFETトランジスタ入力段を使用）は、このアプリケーションに適しています。

メーターの動きは、出力から反転入力へのオペアンプのフィードバックループの一部であることに注意してください。この回路は、非反転（+）入力に印加される電圧に比例する電流でメーターの動きを駆動します。必要な電流は、テストプローブを介してテスト対象の回路からではなく、オペアンプの電源ピンを介してバッテリーから直接供給されます。メーターの範囲は、反転（-）入力をグランドに接続する抵抗によって設定されます。

図のようにオペアンプメータ回路を構築し、TP1、TP2、およびTP3で電圧測定を再実行します。今回は、メーターの動きがこれらの電圧（それぞれ約3、6、および9ボルト）を正確に測定することで、はるかに優れた成功を享受できるはずです。

片方の手でテストプローブに触れ、もう一方の手で最もプラスのバッテリー端子に触れることで、この電圧計の極端な感度を目の当たりにすることができます。体の抵抗を介してバッテリー電圧を測定するだけで、針をスケール上で上向きに駆動する方法に注目してください。これは、元の増幅されていない電圧計回路では不可能なことです。テストプローブをアースに接触させると、メーターは正確に0ボルトを読み取る必要があります。

この回路が機能することを証明したら、電源をデュアルからスプリットに変更して変更します。これには、2番目と3番目のバッテリー間のセンタータップアース接続を取り外し、代わりに遠い負のバッテリー端子をアースする必要があります。

電源のこの変更により、TP1、TP2、およびTP3の電圧がそれぞれ6、12、および18ボルトに増加します。 15kΩの範囲の抵抗と1mAのメーターの動きで、18ボルトを測定するとメーターが穏やかに「ペグ」されますが、6ボルトと12ボルトのテストポイントを問題なく測定できるはずです。

メーターのテストプローブをアースに接触させてみてください。これはすべき 以前と同じようにメーターの針を正確に0ボルトに駆動しますが、そうではありません！ ここで起こっているのは、ラッチアップと呼ばれるオペアンプの現象です。 ：入力コモンモード電圧が許容限界を超えたときにオペアンプ出力が正の電圧に駆動する場合。

この場合、多くのJFET入力オペアンプと同様に、どちらの入力もどちらの電源レール電圧にも近づけないようにする必要があります。単一電源の場合、オペアンプの負の電源レールは接地電位（0ボルト）にあるため、テストプローブを接地すると、非反転（+）入力が正確にそのレール電圧になります。これはJFETオペアンプにとっては悪いことであり、オペアンプの機能に基づいて、本来あるべきではないように見えても、出力を強く正に駆動します。

オペアンプが「デュアル」電源（「シングル」+24ボルト電源ではなく+ 12 / -12ボルト）で動作している場合、負の電源レールはグランドから12ボルト（0ボルト）離れていたため、接地しました。テストプローブは、オペアンプのコモンモード電圧制限に違反していませんでした。

ただし、「単一」の+24ボルト電源では、問題が発生します。一部のオペアンプは、モデルTL082のように「ラッチアップ」しないことに注意してください。 TL082をピンごとに互換性のあるLM1458オペアンプに置き換えることができます（ブレッドボードの配線を変更する必要はありません）。

モデル1458は、テストプローブが接地されている場合、「ラッチアップ」しませんが、測定された電圧が負の電源レールに正確に等しい場合でも、誤ったメーターの読み取り値が得られる可能性があります。原則として、オペアンプの電源レール電圧が予想される入力電圧を超えていることを常に確認する必要があります。

関連ワークシート：

• 電圧/電流コンバータオペアンプ回路ワークシート