Akım olmadan gerilimi ölçün

Diyelim ki bir kapasitörüm var ve zaman içindeki şarj bozulmasını gözlemlemek istiyorum. Ölçüm yoluyla deşarj oranını etkilemeden bunu nasıl yapabilirim?

AFAIK, tipik bir voltmetre, voltajı belirlemek için bilinen bir dirençten geçen akımı çalıştırır, ancak bu süreçte ölçülen kapasitör deşarj olur. Artan karmaşıklıkla birlikte , doğru bir ölçüm yapmak için gereken akımı azaltabilir ve sonra ölçümlerin sıklığını azaltabilir , ancak sınırda ölçümler hala biraz voltaj tüketir.

Hidrolik analojide, basıncı (voltajı) haznenin iki tarafından itilen bir pistonun üzerine yaylı bir ölçer koyarak ölçmek mümkündür. Bir taraftan diğer tarafa su akmaz, ancak basıncı sürekli olarak okuruz.

Yani bunu bir kapasitör veya başka bir güç kaynağındaki voltaj için yapabilen bir sayaç, mekanizma veya devre var mı?

Temiz fizik çözümleri bir yana, bunu yapmanın pratik yolu tampon konfigürasyonunda çalışan çok düşük giriş önyargılı güncel op-amp ile. Düzgün tasarlanmış bir tasarıma sahip bu op-amp'lerden biri, kapaktan akımın tek haneli femtoamp'larına çekilerek rahatsızlıkları ciddi derecede ihmal edilebilir hale getirir, özellikle de bir ölçüm yaparken sadece amplifikatörü başlığa bağlarsanız.

Analog efsane Bob Pease , bu yöntemi kullanarak bir polipropilen kapağın sızıntısını ölçmeyi açıklar :

Şimdi en sevdiğim düşük-sızıntı kapasitörlerin bir kısmını (Panasonic polipropilen 1 µF gibi) bir saatliğine 9,021 V dc (rastgele voltaj) kadar şarj edeceğim. Favori yüksek giriş empedanslı birlik kazanım takipçisi (LMC662, Ib yaklaşık 0,003 pA) ile VOUT okuyacak ve altı basamaklı dijital voltmetre (DVM) (Agilent / HP34401A) ile en sevdiğim altı haneli dijital voltmetre (DVM) içine tamponlayacağım günlerce gün.

[...]

Day 0: 9.0214 V
Day 1: 9.01870 V
Day 2: 9.01756 V
Day 6: 9.0135 V
Day 7: 9.0123 V
Day 8: 9.01018 V
Day 9: 9.00941 V
Day 11: 9.00788 V
Day 12: 9.00544 V
Day 13: 9.00422 V

Bir saat bekletildikten sonraki ilk gün, sızıntı oranı günde 2,7 mV kadar iyiydi. Fena değil.

Böyle bir düzeneği otomatik hale getirmeniz gerekirse, eski moda bir reed röle temelde ihmal edilebilir bir kaçak (modern katı hal analog anahtarlardan bile daha iyidir) vardır ve amplifikatörün bir okuma almak için test edilen kapasitöre kısaca bağlanması için kullanılabilir .

Genel olarak bir elektrik alanını ölçmek için ihtiyacınız olan bir elektrometredir . Daha eski olan altın varak elektroskobu benzer şarjlar arasında statik itme ile çalışır ve eğer ideal malzemelerden yapılmışsa herhangi bir şarj sızdırmaz.

Bununla birlikte, küçük bir akımla mevcut akımın olmaması arasındaki farkla gerçekten ilgilendiğinizde , çok sayıda sorun ortaya çıkar. Tüm deney cihazlarınız sonlu (ama çok büyük) bir dirence sahiptir. Elektronlar, katı cisimlerle kısa sürede tünel açacaktır. Malzemelerde Alfa-bozunması bir yük oluşturur. Kaçak yük rüzgarlar üzerinde sürüklenir veya alan geçerek voltaj indüklenir.

Efsanevi Bob Pease'in konuyla ilgili bazı iyi yazıları var: Bu Teflon'un Nesi Var? ve tüm bu Femtoampere Stuff neyse, nedir?

Daha iyi yöntemler, ölçmeye çalıştığınız voltaj farkına bağlı olacaktır. Hidrolik analojiniz için de aynı şey geçerli.

Ancak hidrolik analojiniz tamamen başka bir konuda başarısız oluyor. Bir iletkendeki elektronlara etki eden hızlanma kuvvetleri çok az şarjdan kaynaklanır. Bir teldeki yükler için önemli ortalama hızları hızlandırmak için bir iletken yüzeyinde elektronların ne kadar azına ihtiyaç duyulduğunu hissetmediğinizi sanmıyorum. Bir teli U şeklinde bükerseniz, akım amperini tamamen yeniden yönlendirmek için bükümde yalnızca bir veya iki ekstra elektron alabilir.

Yüksek voltaj farklarını ölçebilirsiniz, çünkü şarj farkının hassas olduğu noktaya ulaşır (örneğin tüy benzeri bir iplikteki toplar) başarıyla uygulanabilir. Bu durumda, akım üzerindeki etki, çok küçük piston bükülmelerinden dolayı hidrolik örneğinizin anlık etkisinde olduğu kadar gözardı edilebilir.

Küçük voltajlar için bu işe yaramaz çünkü şarj farkı kesinlikle çok küçüktür ve çıplak iletken yüzeyinden uzakta olan herhangi bir sınırlı mesafe minik kuvveti büyük ölçüde azaltır.

Hidrolik basınca eşdeğer elektronik eşittir veya$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}$ . Bakırın oda sıcaklığında iletken elektron yoğunluğu yaklaşık1.346×10$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}$ ve hareket kabiliyetleri yaklaşık4,5×10-$1.346\times 10^{10}\:\frac{\textrm{Coulomb}}{\textrm{m}^3}$ . 1kesitine sahip bir tel varsayalım$4.5\times 10^{-3}\:\frac{\textrm{m}^2}{\textrm{V-s}}$ ve taşıma$1\:\textrm{mm}^2$ . Gereken elektrik alanı yaklaşık$300\:\textrm{mA}$ .$5\:\frac{\mu\textrm{V}}{\textrm{mm}}$

Akımın ihmal edilebilir olması için gereken makul mesafeler üzerindeki şarj farkı (iletkenin tamamen çıplak yüzeyinde bulunur) ve uzaktaki herhangi bir mesafeden ölçmek için bir cihaz ayarlayamazsınız. Sadece bu işi yapmak için bir yol bir noktada bu diğer iletkenin yüzeyine bir iletken ekleyebilir ve inanılmaz güçler de ölçüm aleti elektronları yöneltmek, böylece bu küçük yük farklar onların atomik ölçeklerde hareket etmeye olanak sağlamaktır. Bu çünkü Kısacası, sen bir akım geçişine izin vermeniz gerekir IS elektronikte bu basınç ölçümleri yapmak için (askeri olmayan bütçe seviyelerinde) yararlanabileceğiniz en hassas şekilde.

Elbette, analojiler hakkında düşünmek güzel. Ancak zaten bildiğiniz gibi, ölçek de önemlidir. Gökadaları ayıran mesafeler ve bu seviyede anlamlı hareket eden kuvvetler ile atomları ayıran mesafeler ve bu düzeyde anlamlı hareket eden kuvvetler arasında büyük bir fark var. İnsanların düşünebilecekleri daha dokunsal bir seviyeye koyarsak, yürüyüş ve çekiş için bizim için önemli olan güçler ile duvar yüzeylerine kolayca inebilen meyve sineklerine etki eden kuvvetler arasında büyük bir fark var. Tavan, çünkü yerçekimi, ölçeklerinde statik yük ve onlar için pürüzlülüğünden daha az önemlidir.

Ölçek de önemlidir.

Yani analoji burada başarısız olur. Elektronikte, devrelerde pratik akımları uygulamak için gerekli olan bu son derece hassas ve küçük kuvvetleri ölçmenin en iyi yolu, kendilerine cevap verebilecek bir ölçüm sistemi kurmaktır. Bu, bir akımın etkilenmesine izin vermek anlamına gelir. Bundan daha hassas bir şey yok.

Bununla birlikte, eğer sadece voltaj farklılıkları ölçmek için yeterli şarj farkı kuracak kadar büyükse, akımsız ölçümler yapabileceğiniz gerçeğine geri döneceğim.

Akım akışı olmadan voltajı ölçmenin birkaç yolu vardır.

Akla gelen ilk şey piezoelektrik etkidir. Kristali aynı voltaja şarj etmek için kapasitörünüzden yeterli yük aktarmanız gerekir, ancak bundan sonra akım akışı olmaz. Bu, hidrolik basınç ölçere en yakın benzetmedir; gerilimi kristalin esnettiği miktardan okuyacaksınız.

Kristal fonograf kartuşu gibi bir şey düşünün. Onlarca yüzlerce mikronun hareketi millivoltların sırasındaki gerilimlere neden olur ve bu etki tersine çalışır. Açıkçası, hareketi algılamak için bir tür mikroskoba ihtiyacınız olacak - sıradan bir optik mikroskoptan bir çeşit tünel akım mikroskobuna kadar, gerçekten de çok hassas olan.

İkinci yöntem için, sadece tanıdığımız üç-terminalli değişken rezistöre değil, aynı zamanda doğru bir voltaj referansına ve akımı ölçmek için bir galvanometreye ait olan bir sisteme atıfta bulunan potansiyometrenin orijinal tanımına bakın. .

Tanım olarak, direnç bilinmeyen voltaja ayarlandığında galvanometreden geçen akım sıfırdır.

Açıkçası, bir kapasitörün kendi kendine deşarjını ölçmek için bir potansiyometre kullanmak sorunludur, çünkü kondansatör voltajı biraz düştüğünde, potansiyometrenin kendisi şarj etmek için akım beslemeye başlayacaktır. Bu nedenle, galvanometreyi boş tutmak için direnci sürekli olarak ayarlamanız gerekir.

Tabii ki, basitçe sistemin dengelenmesine izin verin ve kapasitörün kaçak akımını kalibre edilmiş bir ölçeğe sahip olduğunu varsayarak doğrudan galvanometreden okumasını sağlayabilirsiniz.

Voltajınız yeterince yüksekse, bir frezeleme makinesi kullanabilirsiniz.

Buradaki fizikçi, muhtemelen bu teorik cevap için SE bölgesinden gülmek üzere, ama işte:

Neden sürekli olmayan bir akımı ölçmüyorsunuz? fikirler:

1. Kapasitörün bir ayağına bir ampermetre yerleştirin. Akımı zamanla entegre edin.
2. Kayıp yükü sürekli izlenen çok daha büyük bir kapasitöre toplayın.
3. Kapasitör içindeki elektrik alanını ölçün (paralel plakalar veya diğer erişilebilir geometrileri varsayarak).

Birçok düşük basınç göstergesi saniyede sadece birkaç atomun iyonlaşmasına dayanır ve şimdi serbest elektronların bir katoda çarpması sonucu ortaya çıkan akımı ölçer. İyonları yüksek vakumda saptırmak ve yörüngedeki değişimlerini ölçmek için neden tersini yapıp yüklü kapasitör üzerindeki voltajı kullanmıyorsunuz?

Birlik kazanç takipçisi olarak bir AD549 (yaklaşık 30 EUR tutarında) kullanabilirsiniz. Giriş direnci, tipik bir devrede standart kablo yalıtımının veya standart PCB malzemesinin dirençliliğinden daha büyüktür.

Not: AD549 veri sayfasındaki (2014) sayfa 9'da bir yazım hatası var, pin 5'in basıldığı yerde pin 6 olmalıdır.

Düşük akım ölçümlerinde Keithley (şimdi Tektronix) beyaz kağıtlarına bakmalısınız. Maalesef web sitesi o kadar düşmanca ki, bağlantı oluşturmanın bir yolunu bulamadım.

Daha zeki bir şeye ihtiyacınız olursa, kondansatöre voltaj uygulanabilir ve akım olmaması için düzenlenebilir. Ancak bu önemsiz değildir ve laboratuvar koşulları altında çok pahalı, düşük gürültülü kablolar, iyi ekranlama, sabit sıcaklıklar ile anlamlıdır ...

Kılavuzlarına bakınız.

• Keithley Nanovoltmetre Modeli 2182A
• Keysight NanoVolt Mikro-Ohm Ölçer 34420A

Voltaj ölçümü anlayışınız yanlıştır. Bir voltmetre yüksek empedans girişine (> 1M$\Omega$, genellikle 10 milyon civarında$\Omega$). Voltaj ölçümü yaparken, sayaca neredeyse hiç akım girmiyor. Aynı osiloskop için de geçerlidir.

Gerilim ölçümünü akım ölçümüyle karıştırıyor olabilirsiniz. Multimetreler, ölçtüğünüz akımın aktığı düşük dirençli “şöntler” içerir. Şöntler düşük, ancak kesin ve bilinen bir dirence sahiptir. Şönt içinden geçen akım, üzerinde bir voltaj oluşturur. Bu voltaj ölçülür. Şönt direnci bilindiğinden, sayaç hesaplar$I = V_{Shunt}/R_{Shunt}$.

Gerilim kondansatörünün yüksek empedanslı bir metre ile ölçülmesi, şarjın kapasitörden ve sayaçtan akmasına neden olur. Bunun çarpık olup olmayacağının sonuçları eğrinin geri kalanına ve ölçmeye çalıştığın şeye bağlı.

Gerçek kapasitörlerin ideal olmadığını ve zamanla doğal olarak boşalacağını unutmayın. Kapasitör tipine bağlı olarak, bu kendi kendine boşalma önemlidir veya yoktur. Yüksek kaliteli film kapasitörleri çok kararlıdır ve koşullara bağlı olarak saatlerce veya günlerce şarj tutacaktır. Alüminyum elektrolitik, çok değil.

Kondansatör voltajını yüksek giriş empedanslı bir ara belleğe bağlayarak ve ardından bu tamponun çıkışını okuyarak okuma doğruluğunu artırabilirsiniz. Bu şekilde, ölçüm cihazınız kapasitör dışı değil, tampon çıkışından küçük bir akım çekecektir. Bir JFET giriş op amplifikatörü 1G'de giriş dirençlerine sahip olabilir.$\Omega$ 1T’ye$\Omega$. Bu çok yüksek olabilir ve kendi sorunlarına neden olabilir.

Yüksek giriş empedanslı osiloskop ile kapaktaki anlık voltajı ölçün, bu pratik amaçlar için yeterli olacaktır.