Zmierz napięcie bez prądu

Załóżmy, że mam kondensator i chcę obserwować jego zanikanie w miarę upływu czasu. Jak mogę to zrobić bez wpływu na szybkość rozładowania poprzez pomiar?

AFAIK typowy woltomierz przepływa prąd przez znaną rezystancję w celu ustalenia napięcia, ale w procesie rozładowałoby to kondensator, który był mierzony. Wraz ze wzrostem złożoności można zmniejszyć prąd wymagany do wykonania dokładnego pomiaru, a następnie zmniejszyć częstotliwość pomiarów, ale w limicie pomiary nadal będą powodować rozładowanie pewnego napięcia.

W analogii hydraulicznej można zmierzyć ciśnienie (napięcie), umieszczając miernik sprężyny na tłoku uderzonym o dwie strony zbiornika. Żadna woda nie przepływa z jednej strony na drugą, ale uzyskujemy stały odczyt ciśnienia.

Czy istnieje miernik, mechanizm lub obwód, który może to zrobić dla napięcia na kondensatorze lub innym zasilaczu?

Pomijając schludne rozwiązania fizyki, praktycznym sposobem na osiągnięcie tego jest bardzo niski prąd wejściowy wzmacniacza operacyjnego działający w konfiguracji buforowej. Jeden z tych wzmacniaczy operacyjnych o odpowiednio zaprojektowanym układzie może czerpać z jednocyfrowych femtoampów prądu z czapki, powodując, że zakłócenia są prawie nieistotne, szczególnie jeśli podłączasz wzmacniacz tylko do czapki podczas wykonywania pomiaru.

Legenda analogowa Bob Pease opisuje pomiar wycieku polipropylenu za pomocą tej metody:

Teraz ładuję niektóre z moich ulubionych kondensatorów o niskiej upływności (takich jak polipropylen Panasonic 1 µF) do 9,021 V prądu stałego (napięcie losowe) przez godzinę. Przeczytam VOUT moim ulubionym obserwatorem wzmocnienia jedności o wysokim impedancji wejściowej (LMC662, Ib około 0,003 pA) i buforuję go w moim ulubionym sześciocyfrowym woltomierzu cyfrowym (DVM) (Agilent / HP34401A) i monitoruję VOUT raz na dzień przez kilka dni.

[...]

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

Pierwszego dnia po namoczeniu przez godzinę ich wskaźnik wycieku wyniósł 2,7 mV dziennie. Nie jest zły.

Jeśli potrzebujesz zautomatyzować taką konfigurację, dobry, stary przekaźnik kontaktronowy ma w zasadzie nieistotny wyciek (lepszy niż nawet nowoczesne półprzewodnikowe przełączniki analogowe) i można go użyć do krótkotrwałego podłączenia wzmacniacza do testowanego kondensatora w celu dokonania odczytu .

Zasadniczo do pomiaru pola elektrycznego potrzebny jest elektrometr . Starsze elektroskopy ze złotymi liśćmi działają przez odpychanie statyczne między podobnymi ładunkami, a jeśli wykonane z idealnych materiałów, nie wyciekłyby żadnego ładunku.

Jednak gdy naprawdę zainteresuje Cię różnica między małym prądem a brakiem przepływu prądu, pojawia się duża liczba problemów. Wszystkie aparaty eksperymentalne mają skończony (ale bardzo duży) opór. Elektrony z radością tunelują krótką drogę przez obiekty stałe. Rozpad alfa w materiałach generuje ładunek. Błądzący ładunek unosi się na wiatrach lub napięcie jest indukowane przez pola przechodzące.

Legendarny Bob Pease ma kilka dobrych artykułów na ten temat: Co to za teflon, w każdym razie? a co to wszystko za Femtoampere?

Lepsze metody będą zależeć od różnicy napięcia, którą próbujesz zmierzyć. To samo dotyczy analogii hydraulicznej.

Ale twoja analogia hydrauliczna zawodzi całkowicie pod innym względem. Siły przyspieszające działające na elektrony w przewodniku są powodowane przez bardzo niewiele ładunków. Nie sądzę, żebyś wyczuwał, jak mało elektronów jest potrzebnych na powierzchni przewodnika, aby przyspieszyć znaczne prędkości średnie dla ładunków w przewodzie. Jeśli zgniesz drut w kształcie litery U, może to zająć tylko jeden lub dwa dodatkowe elektrony na zakręcie, aby całkowicie skierować wzmacniacze prądu.

Można mierzyć różnice w wysokich napięciach, ponieważ wielkość różnicy ładunku osiąga punkt, w którym można z powodzeniem zastosować czułe (na przykład kulki na nitce podobnej do włosa). W takim przypadku wpływ na prąd jest tak samo znikomy, jak chwilowe uderzenie twojego przykładu hydraulicznego z powodu bardzo niewielkich ugięć tłoka.

W przypadku małych napięć nie działa to, ponieważ różnica ładunków jest tak niewielka, a każda skończona odległość od nagiej powierzchni przewodnika znacznie zmniejsza niewielką siłę.

$\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}}$

Różnica ładunków w rozsądnych odległościach potrzebnych do wywołania tego prądu jest znikoma (która znajduje się całkowicie na czystej powierzchni przewodu) i nie byłoby możliwe ustawienie przyrządu do pomiaru go w dowolnej skończonej odległości. Jedyny sposób, aby tej pracy jest dodanie przewodu do powierzchni tej drugiej żyły w pewnym momencie i pozostawić te małe różnice ładowania do działania w ich skalach atomowych, tak aby ich niesamowite siły mogą pobudzać elektrony w swojej przyrządu pomiarowego, jak również. Krótko mówiąc, musisz zezwolić na przepływ prądu, ponieważ jest to najbardziej wrażliwy sposób (na pozamilitarnym poziomie budżetu) na wykonanie pomiarów ciśnienia w elektronice.

Oczywiście miło jest pomyśleć o analogiach. Ale jak już wiesz, ważna jest również skala . Istnieje ogromna różnica między odległościami oddzielającymi galaktyki a siłami, które w sposób znaczący działają na tym poziomie, a odległościami oddzielającymi atomy i siłami, które w sposób znaczący działają na tym poziomie. Ustanawiając bardziej dotykowy poziom, o którym ludzie mogą myśleć, istnieje ogromna różnica między siłami, które są dla nas ważne podczas chodzenia i uzyskania przyczepności, a siłami działającymi na muszki owocowe, które mogą z łatwością wylądować na powierzchni ścian i sufit, ponieważ grawitacja jest znacznie mniej ważna w ich skali w porównaniu do ładunku statycznego i szorstkości.

Skala też ma znaczenie.

Więc analogia tutaj zawodzi. W elektronice najlepszym sposobem pomiaru tych niezwykle delikatnych i niewielkich sił, które są potrzebne do pobudzenia praktycznych prądów w obwodach, jest skonfigurowanie systemu pomiarowego, który będzie na nie reagował. Oznacza to umożliwienie wpływu na prąd. Nie ma nic bardziej wrażliwego niż to.

To powiedziawszy, powrócę do faktu, że nadal możesz wykonywać pomiary bez prądu tylko wtedy, gdy różnice napięć są wystarczająco duże, aby ustawić wystarczającą różnicę ładunku do zmierzenia.

Istnieje kilka sposobów pomiaru napięcia bez przepływu prądu.

Pierwszą rzeczą, jaka przychodzi mi do głowy, jest efekt piezoelektryczny. Trzeba będzie przenieść wystarczającą ilość ładunku z kondensatora, aby naładować kryształ do tego samego napięcia, ale potem nie będzie przepływu prądu. Jest to najbliższa analogia do manometru hydraulicznego; odczytywałbyś napięcie z wielkości, którą wygina kryształ.

Pomyśl o czymś w rodzaju kryształowej wkładki do fonografu. Przesunięcia od dziesiątek do setek mikronów powodują napięcia rzędu miliwoltów, a efekt ten działa odwrotnie. Oczywiście potrzebujesz jakiegoś mikroskopu do wykrycia ruchu - od zwykłego mikroskopu optycznego po mikroskop z prądem tunelowym, który byłby naprawdę bardzo czuły.

W przypadku drugiej metody sprawdź oryginalną definicję potencjometru , która odnosiła się do układu, który zawierał nie tylko trójstopniowy rezystor zmienny, z którym wszyscy jesteśmy zaznajomieni, ale także dokładne odniesienie napięcia i galwanometr do pomiaru prądu .

Z definicji prąd przepływający przez galwanometr wynosi zero, gdy rezystor jest ustawiony na nieznane napięcie.

Oczywiście użycie potencjometru do pomiaru samorozładowania kondensatora jest problematyczne, ponieważ jak tylko nieco spadnie napięcie kondensatora, sam potencjometr zacznie dostarczać prąd, aby go naładować. Dlatego będziesz musiał ciągle dostosowywać rezystor, aby utrzymać zerowany galwanometr.

Oczywiście można po prostu pozwolić układowi dojść do równowagi i odczytać prąd upływowy kondensatora bezpośrednio z galwanometru, zakładając, że ma skalibrowaną skalę.

Jeśli twoje napięcie jest wystarczająco wysokie, możesz użyć młyna feild.

Fizyk tutaj, prawdopodobnie zostanie wyśmiany ze strony SE za tę teoretyczną odpowiedź, ale oto:

Dlaczego nie zmierzyć prądu niepobocznie? Pomysły:

1. Umieść amperomierz na jednej nodze kondensatora. Zintegruj prąd w czasie.
2. Zbierz utracony ładunek na znacznie większym, stale monitorowanym kondensatorze.
3. Zmierz pole elektryczne w kondensatorze (zakładając równoległe płytki lub inną dostępną geometrię).

Wiele manometrów niskociśnieniowych polega na jonizacji zaledwie kilku atomów na sekundę i mierzy prąd wywołany przez wolne elektrony uderzające w katodę. Dlaczego nie zrobić odwrotności i użyć napięcia na naładowanym kondensatorze do odchylenia jonów w wysokiej próżni i zmierzenia ich zmiany trajektorii?

Możesz użyć AD549 (kosztuje około 30 EUR) jako zwolennika zdobywania jedności. Rezystywność wejściowa jest większa niż rezystywność standardowej izolacji drutowej lub standardowego materiału PCB w typowym obwodzie.

Uwaga: literówka w zestawie danych AD549 (2014) strona 9 powinna zawierać literę 6, na której drukowany jest pin 5.

Powinieneś poszukać białych ksiąg Keithleya (obecnie Tektronix) na pomiarze przy niskim prądzie. Niestety strona jest tak nieprzyjazna dla użytkownika, że ​​nie znalazłem sposobu na utworzenie linku.

Jeśli potrzebujesz czegoś bardziej inteligentnego, możesz przyłożyć napięcie do kondensatora i wyregulować go tak, aby nie było prądu. Nie jest to jednak trywialne i ma sens tylko w warunkach laboratoryjnych, z bardzo drogimi drutami o niskim poziomie hałasu, dobrym ekranowaniem, stabilnymi temperaturami ...

Zajrzyj do instrukcji obsługi

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

$\Omega$$\Omega$

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

Pomiar kondensatora napięcia za pomocą miernika o wysokiej impedancji spowoduje, że ładunek wypłynie z kondensatora do miernika. To, czy spowoduje to zniekształcenie wyników, zależy od reszty obwodu i dokładnie tego, co próbujesz zmierzyć.

Należy pamiętać, że prawdziwe kondensatory nie są idealne i z czasem rozładują się naturalnie. W zależności od rodzaju kondensatora samorozładowanie jest znaczące lub nie. Wysokiej jakości kondensatory foliowe są bardzo stabilne i utrzymają ładunek przez wiele godzin lub dni, w zależności od okoliczności. Elektrolityczność aluminium, nie tyle.

$\Omega$$\Omega$

Zmierz napięcie chwilowe na trzonku za pomocą oscyloskopu o wysokiej impedancji wejściowej, będzie to wystarczające do celów praktycznych.