TL082 / LM1458オペアンプによる高インピーダンス電圧計の構築

部品と材料

• オペレーショナルアンプ — TL082（Radio Shackカタログ#276‑1715）
• オペレーショナルアンプ — LM1458（Radio Shackカタログ#276‑038）
• 6V電池4個
• 1mAメータムーブメント（0‑15VDC定格、Radio Shackカタログ#22‑410）
• 15kΩ精密抵抗（±1%公差）
• 1MΩ抵抗4個（任意の高抵抗値で可）

1mAメータムーブメントは0‑15VDCメータとして販売されていますが、本質的には1mA指示計と15kΩの倍率抵抗の組み合わせです。このメータをお持ちの場合、付属の15kΩ抵抗を上記のものに代用できます。

JFET入力オペアンプであるTL082を使用して、高インピーダンス電圧計の構築方法を説明します。LM1458は、TL082で発生しうるラッチアップ問題がないため、比較用に示しています。

1MΩ抵抗には非常に高い抵抗値を使用できます。これらはメータの入力インピーダンスとレンジを設定するためにのみ必要です。

関連リファレンス

Lessons in Electric Circuits、第3巻、第8章：「オペレーショナルアンプ」

学習目標

• 電圧計の負荷効果、その原因、軽減技術を理解する
• オペアンプを使用して高インピーダンス電圧計を構築する
• オペアンプのラッチアップを認識し、回避方法を学ぶ

回路図

イラストレーション

手順

理想的な電圧計は無限の入力インピーダンスを持ち、被測定回路から電流を一切引きません。メータの消費電流が大きいほど、負荷による測定誤差が大きくなります。これは、空気が漏れると針が下がるタイヤゲージに似ています。この効果は、1MΩの分圧回路など高抵抗回路で特に顕著です。

1mAメータムーブメントを15kΩ抵抗と直列に接続し、TP1、TP2、TP3の電圧を読もうとすると、メータ負荷により大きな誤差が観測されます。

以下に説明するオペアンプ構成を使用すると、負荷を劇的に減らせます。メータムーブメントはオペアンプのフィードバックループ内に配置されるため、針を駆動する電流はテストポイントではなくオペアンプの電源レールから供給されます。15kΩ抵抗は1mAメータのフルスケール電流を設定します。

回路図の通りに回路を構築し、TP1、TP2、TP3を再測定してください。それぞれ3V、6V、9Vに近い値が読み取れるはずです。

この設計の極めて高い感度に注目してください：片手でテストプローブに触れ、もう片方の手で電池の最も正の端子に触れると、身体の抵抗を通じて微小電流がメータのフィードバックループに流れ、針が動きます。プローブをグラウンドに触れると、正しく0Vを示します。

次に、電源を分離構成に変更します：第2と第3の電池間のセンタータップを取り外し、最も負の端子をグラウンドにします。

この変更により、テストポイント電圧は6V、12V、18Vになります。18Vの読み取りはメータを限界まで押し上げますが、6Vと12Vのポイントは依然として正確に測定できます。

ここでテストプローブをグラウンドにしても、針はゼロに戻りません。これは典型的なオペアンプのラッチアップシナリオです：JFET入力が、そのコモンモード電圧が負レールに近づくと飽和します。デュアル電源（+12V/‑12V）では、負レールはグラウンドより12V下にあるため、プローブをグラウンドにしてもコモンモード制限を超えません。しかし、単一+24V電源（グラウンドが0V）では、プローブの0V入力が負レールに達し、ラッチアップを引き起こして出力がハイ側にスイングします。

TL082をLM1458に置き換えると、より広いコモンモード範囲を許容するためラッチアップが解消されます。一般に、オペアンプの電源レールが最大予想入力電圧を、デバイスのコモンモード制限以上に超えることを常に確認してください。

関連ワークシート

• 電圧/電流変換オペアンプ回路ワークシート