Misurare la tensione senza corrente

Supponiamo di avere un condensatore e che voglio osservarne il decadimento nel tempo. Come posso farlo senza influire sulla sua velocità di scarico attraverso la misurazione?

AFAIK un voltmetro tipico fa passare corrente attraverso una resistenza nota per determinare la tensione, ma nel processo questo scarica il condensatore da misurare. Con l'aumentare della complessità si potrebbe ridurre la corrente richiesta per effettuare una misurazione accurata e quindi ridurre la frequenza delle misurazioni, ma nel limite le misure prosciugheranno comunque un po 'di tensione.

Nell'analogia idraulica è possibile misurare la pressione (tensione) posizionando un calibro a molla su un pistone incastrato dai due lati del serbatoio. Non scorre acqua da un lato all'altro, ma otteniamo una lettura costante della pressione.

Quindi esiste un misuratore, un meccanismo o un circuito che può farlo per la tensione su un condensatore o un altro alimentatore?

A parte le soluzioni di fisica ordinata, il modo pratico per farlo è con un op-amp di corrente di polarizzazione in ingresso molto basso in esecuzione in una configurazione buffer. Uno di questi amplificatori operazionali con un layout ben progettato può assorbire femtoamplificatori a una cifra di corrente dal proprio cappuccio, rendendo i disturbi praticamente trascurabili, in particolare se si collega l'amplificatore al cappuccio solo quando si esegue una misurazione.

La leggenda analogica Bob Pease descrive la misurazione della perdita di un cappuccio in polipropilene usando questo metodo:

Ora caricherò alcuni dei miei condensatori a bassa perdita preferiti (come il polipropilene Panasonic 1 µF) fino a 9,021 V cc (una tensione casuale) per un'ora. Leggerò il VOUT con il mio follower di unità-guadagno ad alta impedenza di ingresso (LMC662, Ib circa 0,003 pA) preferito e lo inserirò nel mio voltmetro digitale a sei cifre preferito (DVM) (Agilent / HP34401A) e monitorerò il VOUT una volta giorno per diversi giorni.

[...]

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

Il primo giorno dopo un'immersione di un'ora, il loro tasso di perdita era pari a 2,7 mV al giorno. Non male.

Se è necessario automatizzare una tale configurazione, un buon relè reed vecchio stile ha una perdita sostanzialmente trascurabile (meglio dei moderni interruttori analogici a stato solido) e può essere utilizzato per collegare brevemente l'amplificatore al condensatore in prova per prendere una lettura .

Generalmente ciò che serve per misurare un campo elettrico è un elettrometro . Gli elettroscopi a foglia d'oro più vecchi funzionano con la repulsione statica tra cariche simili e se fatti di materiali ideali non perderebbero alcuna carica.

Tuttavia, quando sei veramente interessato alla differenza tra una corrente minuscola e nessun flusso di corrente, compaiono molti problemi. Tutto il tuo apparato sperimentale ha una resistenza finita (ma molto grande). Gli elettroni attraverseranno felicemente un tunnel attraverso oggetti solidi. Il decadimento alfa nei materiali genera una carica. La carica vagante si sposta sui venti, oppure la tensione è indotta dal passaggio dei campi.

Il leggendario Bob Pease ha alcuni buoni articoli sull'argomento: cos'è tutta questa roba di teflon, comunque? e cos'è tutta questa roba di Femtoampere, comunque?

I metodi migliori dipenderanno dalla differenza di tensione che si sta tentando di misurare. Lo stesso sarebbe vero per la tua analogia idraulica.

Ma la tua analogia idraulica fallisce completamente sotto un altro aspetto. Le forze acceleranti che agiscono sugli elettroni in un conduttore sono causate da pochissime cariche. Non penso che tu abbia un'idea di quanto siano necessari pochi elettroni sulla superficie di un conduttore per accelerare velocità medie significative per le cariche in un filo. Se pieghi un filo a forma di U, potrebbero essere necessari solo uno o due elettroni extra alla curva per reindirizzare completamente gli amplificatori di corrente.

È possibile misurare le differenze di alta tensione perché la quantità di differenza di carica raggiunge il punto in cui le sfere sensibili su un filo simile ad un capello, ad esempio, possono essere applicate con successo. In questo caso, l'impatto sulla corrente è altrettanto trascurabile dell'impatto momentaneo del tuo esempio idraulico a causa di flessioni molto lievi del pistone.

Per piccole tensioni, ciò non funziona perché la differenza di carica è così minuscola e qualsiasi distanza finita dalla superficie del conduttore nudo riduce notevolmente la forza minuscola.

$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}$$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}$$1.346\times 10^{10}\:\frac{\textrm{Coulomb}}{\textrm{m}^3}$$4.5\times 10^{-3}\:\frac{\textrm{m}^2}{\textrm{V-s}}$$1\:\textrm{mm}^2$$300\:\textrm{mA}$$5\:\frac{\mu\textrm{V}}{\textrm{mm}}$

La differenza di carica su distanze ragionevoli è necessaria per spingere la corrente a essere trascurabile (che risiede interamente sulla superficie nuda del conduttore) e non si sarebbe in grado di installare uno strumento per misurarlo a qualsiasi distanza finita. L' unico modo per fare questo lavoro è aggiungere un conduttore alla superficie di quell'altro conduttore ad un certo punto e consentire a queste minuscole differenze di carica di agire sulle loro scale atomiche in modo che le loro incredibili forze possano spingere anche gli elettroni nel tuo strumento di misura. In breve, è necessario consentire il flusso di una corrente, poiché questo è il modo più sensibile disponibile per l'utente (a livello di budget non militare) per effettuare le misurazioni della pressione nell'elettronica.

È bello pensare alle analogie, ovviamente. Ma, come già sapete, la scala anche conta. C'è un'enorme differenza tra le distanze che separano le galassie e le forze che agiscono in modo significativo a quel livello e le distanze che separano gli atomi e le forze che agiscono in modo significativo a quel livello. Mettiamo a un livello più tattile che possiamo pensare in termini umani, c'è un'enorme differenza tra le forze che sono importanti per noi per camminare e ottenere trazione e le forze che agiscono sui moscerini della frutta, che possono facilmente atterrare sulla superficie delle pareti e il soffitto perché la gravità è molto meno importante alla loro scala rispetto alla carica statica e alla rugosità per loro.

Anche la scala conta.

Quindi l'analogia fallisce qui. In elettronica, il modo migliore per misurare queste forze estremamente delicate e minuscole, che sono tutto ciò che è necessario per spingere le correnti pratiche nei circuiti, è quello di istituire un sistema di misurazione in grado di rispondere ad esse. Ciò significa consentire a una corrente di essere influenzata. Non c'è niente di più sensibile di così.

Detto questo, tornerò al fatto che è ancora possibile effettuare misurazioni senza corrente se e solo se le differenze di tensione sono abbastanza grandi da impostare una differenza di carica sufficiente per misurare.

Esistono un paio di modi per misurare la tensione senza un flusso di corrente.

La prima cosa che mi viene in mente è l'effetto piezoelettrico. Dovresti trasferire abbastanza carica dal tuo condensatore per caricare il cristallo alla stessa tensione, ma successivamente non ci sarebbe flusso di corrente. Questa è l'analogia più vicina al tuo manometro idraulico; leggeresti la tensione dalla quantità che il cristallo flette.

Pensa a qualcosa come una cartuccia di fonografo di cristallo. I movimenti da decine a centinaia di micron provocano tensioni nell'ordine dei millivolt e questo effetto agisce al contrario. Ovviamente, avresti bisogno di un microscopio di qualche tipo per rilevare il movimento: qualsiasi cosa, da un normale microscopio ottico a una sorta di microscopio a corrente a tunnel, che sarebbe davvero molto sensibile.

Per il secondo metodo, cercare la definizione originale di potenziometro , che si riferiva a un sistema che conteneva non solo il resistore variabile a tre terminali con cui tutti abbiamo familiarità, ma anche un riferimento di tensione accurato e un galvanometro per misurare la corrente .

Per definizione, la corrente attraverso il galvanometro è zero quando il resistore è impostato su una tensione sconosciuta.

Ovviamente, l'uso di un potenziometro per misurare l'autoscarica di un condensatore è problematico, poiché non appena la tensione del condensatore scende un po ', il potenziometro stesso inizierà a fornire corrente per ricaricarlo. Pertanto, dovrai regolare costantemente la resistenza per mantenere il galvanometro azzerato.

Naturalmente, potresti semplicemente lasciare che il sistema raggiunga l'equilibrio e leggere la corrente di dispersione del condensatore direttamente dal galvanometro, supponendo che abbia una scala calibrata.

Se la tensione è abbastanza alta, è possibile utilizzare un mulino a feild.

Qui il fisico, probabilmente sta per essere deriso dal sito SE per questa risposta teorica, ma qui va:

Perché non misurare la corrente in modo non perturbativo? idee:

1. Metti un amperometro su una gamba del condensatore. Integra la corrente nel tempo.
2. Raccogli la carica persa su un condensatore molto più grande che viene costantemente monitorato.
3. Misurare il campo elettrico all'interno del condensatore (presupponendo piastre parallele o altra geometria accessibile).

Molti manometri a bassa pressione si basano sulla ionizzazione di pochi atomi al secondo e misurano la corrente causata dagli elettroni ora liberi che colpiscono un catodo. Perché non fare l'inverso e usare la tensione sul condensatore carico per deviare gli ioni in un vuoto elevato e misurare il loro cambiamento nella traiettoria?

Puoi usare un AD549 (costa circa 30 EUR) come follower del guadagno unitario. La resistività di ingresso è maggiore della resistività dell'isolamento del filo standard o del materiale PCB standard in un circuito tipico.

Nota: esiste un errore di battitura nel datashet AD549 (2014) pagina 9, dovrebbe essere il pin 6 in cui è stampato il pin 5.

Dovresti cercare i bianchi Keithley (ora Tektronix) con misurazioni a bassa corrente. Sfortunatamente il sito web è così ostile per l'utente che non ho trovato il modo di creare un collegamento.

Se hai bisogno di qualcosa di più intelligente, puoi applicare una tensione al condensatore e regolarlo in modo che non ci sia corrente. Ma questo non è banale e ha senso solo in condizioni di laboratorio, con fili a basso rumore molto costosi, buona schermatura, temperature stabili ...

Dai un'occhiata ai manuali di

• Keithley Nanovoltmeter Modello 2182A
• Keysight NanoVolt Micro-Ohm Meter 34420A

$\Omega$$\Omega$

$I = V_{Shunt}/R_{Shunt}$

La misurazione del condensatore di tensione con un misuratore di impedenza elevata provocherà la fuoriuscita della carica dal condensatore e nel misuratore. La differenza tra i risultati dipende dal resto del circuito e da ciò che si sta tentando di misurare.

Si noti che i condensatori reali non sono ideali e si scaricano naturalmente nel tempo. A seconda del tipo di condensatore, questa autoscarica è significativa o meno. I condensatori a film di alta qualità sono molto stabili e si mantengono in carica per ore o giorni a seconda delle circostanze. Elettrolitici di alluminio, non tanto.

$\Omega$$\Omega$

Misura la tensione istantanea attraverso il cappuccio con un oscilloscopio ad alta impedenza di ingresso, questo sarà abbastanza buono per scopi pratici.