Ukur voltase tanpa arus

Misalkan saya memiliki kapasitor dan saya ingin mengamati peluruhan muatannya dari waktu ke waktu. Bagaimana saya bisa melakukan itu tanpa mempengaruhi tingkat debit melalui pengukuran?

AFAIK voltmeter khas menjalankan arus melalui resistansi yang diketahui untuk menentukan tegangan, tetapi dalam proses ini akan melepaskan kapasitor yang sedang diukur. Dengan meningkatnya kompleksitas, seseorang dapat mengurangi arus yang diperlukan untuk membuat pengukuran yang akurat, dan kemudian mengurangi frekuensi pengukuran, tetapi dalam batas pengukuran masih akan menguras beberapa tegangan.

Dalam analogi hidrolik, adalah mungkin untuk mengukur tekanan (voltase) dengan meletakkan pegas pada piston yang dilubangi oleh kedua sisi reservoir. Tidak ada air yang mengalir dari satu sisi ke sisi lainnya, tetapi kami mendapatkan tekanan konstan.

Jadi apakah ada meter, mekanisme, atau rangkaian yang dapat melakukan itu untuk tegangan pada kapasitor atau catu daya lainnya?

Di samping solusi fisika yang rapi, cara praktis untuk melakukan ini adalah dengan op-amp arus masukan bias sangat rendah yang berjalan dalam konfigurasi penyangga. Salah satu dari op-amp ini dengan tata letak yang dirancang dengan baik dapat menarik ke femtoamps satu digit saat ini dari topi Anda, membuat gangguan cukup banyak diabaikan, terutama jika Anda hanya menghubungkan amplifier ke tutup ketika Anda melakukan pengukuran.

Legenda analog Bob Pease menjelaskan pengukuran kebocoran tutup polipropilen menggunakan metode ini:

Sekarang saya akan mengisi beberapa kapasitor kebocoran rendah favorit saya (seperti Panasonic polypropylene 1 µF) hingga 9.021 V dc (tegangan acak) selama satu jam. Saya akan membaca VOUT dengan pengikut gain-gain-impedansi input-tinggi favorit saya (LMC662, Ib sekitar 0,003 pA) dan buffer yang menjadi voltmeter digital enam digit favorit saya (DVM) (Agilent / HP34401A) dan memonitor VOUT sekali hari selama beberapa hari.

[...]

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

Hari pertama setelah berendam selama satu jam, tingkat kebocoran mereka sama baiknya dengan 2,7 mV per hari. Tidak buruk.

Jika Anda perlu mengotomatiskan pengaturan seperti itu, relay buluh kuno yang baik pada dasarnya memiliki kebocoran yang dapat diabaikan (lebih baik daripada switch analog keadaan padat modern) dan dapat digunakan untuk menyambungkan amplifier Anda secara singkat ke kapasitor yang diuji untuk mengambil bacaan .

Umumnya yang Anda butuhkan untuk mengukur medan listrik adalah elektrometer . Elektroskop daun emas yang lebih tua beroperasi oleh tolakan statis antara muatan sejenis, dan jika terbuat dari bahan ideal tidak akan membocorkan muatan apa pun.

Namun, ketika Anda benar-benar tertarik pada perbedaan antara arus kecil dan tidak ada arus, banyak masalah muncul. Semua peralatan eksperimental Anda memiliki resistensi yang terbatas (tetapi sangat besar). Elektron akan dengan senang hati menggali jalan pendek melalui benda padat. Peluruhan alfa dalam bahan menghasilkan muatan. Muatan liar melayang di atas angin, atau voltase diinduksi oleh medan yang lewat.

Bob Pease yang legendaris memiliki beberapa artikel bagus tentang masalah ini: Apa Semua Ini Barang Teflon, Bagaimana? dan Apa Semua Hal Femtoampere Ini?

Metode yang lebih baik akan tergantung pada perbedaan voltase yang Anda coba ukur. Hal yang sama berlaku untuk analogi hidrolik Anda.

Tetapi analogi hidrolik Anda gagal sepenuhnya dalam hal lain. Gaya akselerasi yang bekerja pada elektron dalam konduktor disebabkan oleh sangat sedikit muatan. Saya tidak berpikir Anda merasakan betapa sedikit elektron yang dibutuhkan pada permukaan konduktor untuk mempercepat kecepatan rata-rata yang signifikan untuk muatan dalam kawat. Jika Anda membengkokkan kawat menjadi bentuk-U, itu mungkin hanya membutuhkan satu atau dua elektron ekstra di tikungan untuk mengarahkan ulang ampli arus sepenuhnya.

Anda dapat mengukur perbedaan tegangan tinggi karena jumlah perbedaan muatan mencapai titik di mana sensitif (bola empulur pada benang seperti rambut, misalnya) dapat diterapkan dengan sukses. Dalam hal ini, dampak pada arus sama diabaikannya dengan dampak sesaat dari contoh hidraulik Anda karena kelenturan piston yang sangat kecil.

Untuk voltase kecil, ini tidak berfungsi karena perbedaan muatannya sangat kecil dan jarak berjauhan dari permukaan konduktor kosong sangat mengurangi gaya kecil tersebut.

Setara elektronik dengan tekanan hidrolik adalah atau$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}$ . Kepadatan elektron konduksi tembaga pada suhu kamar adalah sekitar1,346$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}$ dan mobilitasnya sekitar4,5×$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}}$ .

Perbedaan muatan pada jarak wajar yang diperlukan untuk mendorong agar arus dapat diabaikan (yang sepenuhnya berada di permukaan telanjang konduktor) dan Anda tidak akan dapat mengatur instrumen untuk mengukurnya pada jarak berjauhan. Itu satunya cara untuk membuat pekerjaan ini adalah dengan menambahkan konduktor ke permukaan konduktor lain di beberapa titik dan memungkinkan perbedaan muatan kecil ini untuk bekerja pada skala atom mereka sehingga kekuatan luar biasa mereka dapat mendorong elektron dalam instrumen pengukuran Anda juga. Singkatnya, Anda perlu membiarkan arus mengalir, karena ini ADALAH cara paling sensitif yang tersedia bagi Anda (pada tingkat anggaran non-militer) untuk melakukan pengukuran tekanan dalam elektronik.

Senang memikirkan analogi, tentu saja. Tapi seperti yang sudah Anda ketahui, skalanya juga penting. Ada perbedaan besar antara jarak yang memisahkan galaksi-galaksi dan gaya-gaya yang bertindak secara bermakna pada tingkat itu dan jarak yang memisahkan atom-atom dan gaya-gaya yang bertindak secara bermakna pada tingkat itu. Dimasukkan ke tingkat yang lebih taktil kita manusia dapat berpikir dalam hal, ada perbedaan besar antara kekuatan yang penting bagi kita untuk berjalan dan mendapatkan traksi dan kekuatan yang bekerja pada lalat buah, yang dapat dengan mudah mendarat di permukaan dinding dan langit-langit karena gravitasi jauh kurang penting pada skala mereka dibandingkan dengan muatan statis dan kekasaran untuk mereka.

Skala juga penting.

Jadi analoginya gagal di sini. Dalam elektronik, cara terbaik untuk mengukur kekuatan yang sangat halus dan mungil ini, yang semuanya diperlukan untuk mendorong arus praktis di sirkuit, adalah membuat sistem pengukuran yang dapat meresponsnya. Ini berarti membiarkan arus terpengaruh. Tidak ada yang lebih sensitif dari itu.

Yang mengatakan, saya akan kembali ke fakta bahwa Anda masih dapat melakukan pengukuran tanpa arus jika dan hanya jika perbedaan tegangan cukup besar untuk mengatur perbedaan muatan yang cukup untuk diukur.

Ada beberapa cara untuk mengukur tegangan tanpa aliran arus.

Hal pertama yang muncul dalam pikiran adalah efek piezoelektrik. Anda perlu mentransfer muatan yang cukup dari kapasitor Anda untuk mengisi kristal ke tegangan yang sama, tetapi setelah itu, tidak akan ada aliran arus. Ini adalah analogi terdekat dengan pengukur tekanan hidrolik Anda; Anda akan membaca tegangan dari jumlah yang dilenturkan kristal.

Pikirkan sesuatu seperti kartrid fonograf kristal. Pergerakan puluhan hingga ratusan mikron menghasilkan tegangan pada urutan milivolt, dan efek ini bekerja secara terbalik. Tentunya, Anda membutuhkan mikroskop untuk mendeteksi pergerakan - apa pun dari mikroskop optik biasa hingga semacam mikroskop tunneling-current, yang tentunya sangat sensitif.

Untuk metode kedua, lihat definisi asli potensiometer , yang merujuk pada sistem yang tidak hanya berisi resistor variabel tiga terminal yang kita semua kenal, tetapi juga referensi tegangan yang akurat dan galvanometer untuk mengukur arus .

Menurut definisi, arus melalui galvanometer adalah nol ketika resistor diatur ke tegangan yang tidak diketahui.

Jelas, menggunakan potensiometer untuk mengukur self-discharge kapasitor bermasalah, karena segera setelah tegangan kapasitor turun sedikit, potensiometer itu sendiri akan mulai memasok arus untuk mengisi ulang kapasitor. Karena itu, Anda harus terus-menerus menyesuaikan resistor untuk menjaga agar galvanometer tetap nulled.

Tentu saja, Anda bisa membiarkan sistem mencapai kesetimbangan dan membaca arus kebocoran kapasitor langsung dari galvanometer, dengan asumsi ia memiliki skala yang dikalibrasi.

Jika voltase Anda cukup tinggi, Anda dapat menggunakan pabrik feild.

Fisikawan di sini, mungkin akan ditertawakan dari situs SE untuk jawaban teoretis ini, tetapi begini:

Mengapa tidak mengukur arus non-pertubatif? Ide ide:

1. Letakkan ammeter di atas satu kaki kapasitor. Integrasikan arus dari waktu ke waktu.
2. Kumpulkan biaya yang hilang ke kapasitor yang jauh lebih besar yang terus-menerus dipantau.
3. Ukur medan listrik dalam kapasitor (dengan asumsi pelat paralel atau geometri yang dapat diakses lainnya).

Banyak alat pengukur tekanan rendah mengandalkan ionisasi hanya beberapa atom per detik dan mengukur arus yang disebabkan oleh elektron yang sekarang bebas mengenai katoda. Mengapa tidak melakukan kebalikan dan menggunakan tegangan di atas kapasitor yang dibebankan untuk membelokkan ion dalam ruang hampa tinggi dan mengukur perubahan mereka dalam lintasan?

Anda dapat menggunakan AD549 (biaya sekitar 30 EUR) sebagai pengikut mendapatkan kesatuan. Resistivitas input lebih besar dari resistivitas isolasi kawat standar atau bahan PCB standar dalam rangkaian tipikal.

Catatan: Ada kesalahan ketik pada datashet AD549 (2014) halaman 9 itu harus pin 6 di mana pin 5 dicetak.

Anda harus mencari whiteboard Keithley (sekarang Tektronix) pada pengukuran arus rendah. Sayangnya situs web ini sangat tidak ramah pengguna sehingga saya tidak menemukan cara untuk membuat tautan.

Jika Anda membutuhkan sesuatu yang lebih cerdas, seseorang dapat menerapkan tegangan ke kapasitor dan mengaturnya sehingga tidak ada arus. Tapi ini tidak sepele dan hanya masuk akal dalam kondisi laboratorium, dengan kabel kebisingan rendah yang sangat mahal, pelindung yang baik, suhu stabil ...

Lihat di manual

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

$\Omega$$\Omega$

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

Mengukur kapasitor tegangan dengan meter impedansi tinggi akan menyebabkan muatan mengalir dari kapasitor ke meter. Apakah ini akan memengaruhi hasil Anda atau tidak tergantung pada sisa rangkaian dan apa yang ingin Anda ukur.

Perhatikan bahwa kapasitor nyata tidak ideal, dan akan keluar secara alami seiring waktu. Tergantung pada jenis kapasitor, pemakaian sendiri ini signifikan atau tidak. Kapasitor film berkualitas tinggi sangat stabil dan dapat mengisi daya selama berjam-jam atau berhari-hari tergantung keadaan. Elektrolitik aluminium, tidak banyak.

$\Omega$$\Omega$

Ukur voltase seketika melintasi tutup dengan osiloskop impedansi masukan tinggi, ini akan cukup baik untuk tujuan praktis.