Medir voltaje sin corriente

Dejando a un lado las soluciones físicas ordenadas, la forma práctica de hacer esto es con un amplificador operacional de corriente de polarización de entrada muy baja que se ejecuta en una configuración de búfer. Uno de estos amplificadores operacionales con un diseño diseñado correctamente puede reducir la corriente de su tapa a femtoamperios de un solo dígito, lo que hace que las perturbaciones sean prácticamente insignificantes, especialmente si solo conecta el amplificador a la tapa cuando está tomando una medición.

La leyenda analógica Bob Pease describe la medición de fugas de una tapa de polipropileno usando este método:

Ahora cargaré algunos de mis condensadores favoritos de baja fuga (como el polipropileno Panasonic de 1 µF) hasta 9,021 V CC (un voltaje aleatorio) durante una hora. Leeré el VOUT con mi seguidor favorito de ganancia unitaria de alta impedancia de entrada (LMC662, Ib alrededor de 0,003 pA) y lo almacenaré en mi voltímetro digital de seis dígitos (DVM) favorito (Agilent/HP34401A) y monitorearé el VOUT una vez al día durante varios días.

[...]

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

El primer día después de sumergirse durante una hora, su tasa de fuga fue tan buena como 2,7 mV por día. No está mal.

Si necesita automatizar una configuración de este tipo, un buen relé de lengüeta antiguo tiene una fuga básicamente insignificante (mejor que incluso los interruptores analógicos de estado sólido modernos) y puede usarse para conectar brevemente su amplificador al capacitor bajo prueba para tomar una lectura .

Generalmente lo que necesitas para medir un campo eléctrico es un electrómetro . Los electroscopios de pan de oro más antiguos funcionan por repulsión estática entre cargas similares y, si estuvieran hechos de materiales ideales, no perderían ninguna carga.

Sin embargo, cuando realmente se interesa en la diferencia entre una corriente pequeña y ningún flujo de corriente, aparece una gran cantidad de problemas. Todo su aparato experimental tiene una resistencia finita (pero muy grande). Los electrones felizmente harán un pequeño túnel a través de objetos sólidos. La descomposición alfa en los materiales genera una carga. La carga perdida se desplaza con los vientos, o el voltaje es inducido por los campos que pasan.

El legendario Bob Pease tiene algunos buenos artículos sobre el tema: What's All This Teflon Stuff, Anyhow? y ¿Qué es todo esto de los femtoamperios?

Los mejores métodos dependerán de la diferencia de voltaje que esté intentando medir. Lo mismo sería cierto para su analogía hidráulica.

Pero su analogía hidráulica falla por completo en otro aspecto. Las fuerzas de aceleración que actúan sobre los electrones en un conductor son causadas por muy pocas cargas. No creo que tenga una idea de cuán pocos electrones se necesitan en la superficie de un conductor para acelerar velocidades medias significativas para las cargas en un cable. Si dobla un cable en forma de U, es posible que solo se necesiten uno o dos electrones adicionales en la curva para redirigir completamente los amperios de corriente.

Puede medir diferencias de alto voltaje porque la cantidad de diferencia de carga llega al punto en que la sensibilidad (bolas de médula en un hilo similar a un cabello, por ejemplo) se puede aplicar con éxito. En este caso, el impacto en la corriente es tan insignificante como el impacto momentáneo de su ejemplo hidráulico debido a las flexiones muy leves del pistón.

Para voltajes pequeños, esto no funciona porque la diferencia de carga es absolutamente pequeña y cualquier distancia finita lejos de la superficie del conductor desnudo reduce en gran medida la pequeña fuerza.

El equivalente electrónico a la presión hidráulica es$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}$o$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}$. La densidad de electrones de conducción del cobre a temperatura ambiente es de aproximadamente$1.346\times 10^{10}\:\frac{\textrm{Coulomb}}{\textrm{m}^3}$y su movilidad se trata de$4.5\times 10^{-3}\:\frac{\textrm{m}^2}{\textrm{V-s}}$. Suponga un alambre con una sección transversal de$1\:\textrm{mm}^2$y llevando$300\:\textrm{mA}$de corriente El campo eléctrico requerido es de aproximadamente$5\:\frac{\mu\textrm{V}}{\textrm{mm}}$.

La diferencia de carga en distancias razonables necesaria para impulsar esa corriente es insignificante (que reside completamente en la superficie desnuda del conductor) y no podría configurar un instrumento para medirlo a una distancia finita. La única forma de hacer que esto funcione es agregar un conductor a la superficie de ese otro conductor en algún punto y permitir que estas pequeñas diferencias de carga actúen en sus escalas atómicas para que sus increíbles fuerzas también puedan impulsar electrones en su instrumento de medición. En resumen, debe permitir que fluya una corriente, porque esta ES la forma más sensible disponible para usted (a niveles de presupuesto no militares) para realizar esas mediciones de presión en la electrónica.

Es bueno pensar en analogías, por supuesto. Pero como ya sabes, la escala también importa. Hay una gran diferencia entre las distancias que separan las galaxias y las fuerzas que actúan significativamente en ese nivel y las distancias que separan los átomos y las fuerzas que actúan significativamente en ese nivel. Puesto en un nivel más táctil en el que los humanos podemos pensar, hay una gran diferencia entre las fuerzas que son importantes para nosotros para caminar y obtener tracción y las fuerzas que actúan sobre las moscas de la fruta, que pueden aterrizar fácilmente en las superficies de las paredes y el techo porque la gravedad es mucho menos importante en su escala en comparación con la carga estática y la aspereza para ellos.

La escala también importa.

Así que la analogía falla aquí. En electrónica, la mejor manera de medir estas fuerzas diminutas y extremadamente delicadas, que son todo lo que se necesita para impulsar corrientes prácticas en los circuitos, es establecer un sistema de medición que pueda responder a ellas. Esto significa permitir que una corriente sea afectada. No hay nada más sensible que eso.

Dicho esto, volveré al hecho de que aún puede realizar mediciones sin corriente si y solo si las diferencias de voltaje son lo suficientemente grandes como para establecer una diferencia de carga suficiente para medir.

Hay un par de formas de medir el voltaje sin un flujo de corriente.

Lo primero que me viene a la mente es el efecto piezoeléctrico. Necesitaría transferir suficiente carga desde su capacitor para cargar el cristal al mismo voltaje, pero después de eso, no habría flujo de corriente. Esta es la analogía más cercana a su manómetro hidráulico; leería el voltaje a partir de la cantidad que se flexiona el cristal.

Piense en algo como un cartucho de fonógrafo de cristal. Los movimientos de decenas a cientos de micrones dan como resultado voltajes del orden de milivoltios, y este efecto funciona a la inversa. Obviamente, necesitaría algún tipo de microscopio para detectar el movimiento, desde un microscopio óptico ordinario hasta algún tipo de microscopio de corriente de efecto túnel, que sería muy sensible.

Para el segundo método, busque la definición original de potenciómetro , que se refería a un sistema que contenía no solo la resistencia variable de tres terminales con la que todos estamos familiarizados, sino también una referencia de voltaje precisa y un galvanómetro para medir la corriente. .

Por definición, la corriente a través del galvanómetro es cero cuando la resistencia se ajusta al voltaje desconocido.

Obviamente, usar un potenciómetro para medir la autodescarga de un capacitor es problemático, porque tan pronto como el voltaje del capacitor cae un poco, el potenciómetro mismo comenzará a suministrar corriente para recargarlo. Por lo tanto, tendrá que ajustar constantemente la resistencia para mantener el galvanómetro anulado.

Por supuesto, podría simplemente dejar que el sistema alcance el equilibrio y leer la corriente de fuga del capacitor directamente del galvanómetro, suponiendo que tenga una escala calibrada.

Si su voltaje es lo suficientemente alto, puede usar un molino de campo.

Físico aquí, probablemente a punto de reírse del sitio SE por esta respuesta teórica, pero aquí va:

¿Por qué no medir la corriente de forma no pertubativa? Ideas:

1. Coloque un amperímetro en una pata del condensador. Integrar la corriente a lo largo del tiempo.
2. Recoja la carga perdida en un capacitor mucho más grande que se monitorea constantemente.
3. Mida el campo eléctrico dentro del capacitor (suponiendo placas paralelas u otra geometría accesible).

Muchos manómetros de baja presión se basan en la ionización de unos pocos átomos por segundo y miden la corriente causada por los electrones ahora libres que golpean un cátodo. ¿Por qué no hacer lo contrario y usar el voltaje sobre el capacitor cargado para desviar los iones en un alto vacío y medir su cambio en la trayectoria?

Puede usar un AD549 (cuesta alrededor de 30 EUR) como seguidor de ganancia unitaria. La resistividad de entrada es mayor que la resistividad del aislamiento de cables estándar o el material de PCB estándar en un circuito típico.

Nota: Hay un error tipográfico en la página 9 de la hoja de datos AD549 (2014), debe ser el pin 6 donde está impreso el pin 5.

Debe buscar los documentos técnicos de Keithley (ahora Tektronix) sobre mediciones de baja corriente. Desafortunadamente, el sitio web es tan poco amigable para el usuario que no encontré la forma de crear un enlace.

Si se necesita algo más inteligente, se puede aplicar un voltaje al capacitor y regularlo para que no haya corriente. Pero esto no es baladí y solo tiene sentido en condiciones de laboratorio, con cables muy caros de bajo ruido, buen blindaje, temperaturas estables...

Echa un vistazo a los manuales de

• Keithley Nanovoltímetro Modelo 2182A
• Medidor de microohmios Keysight NanoVolt 34420A

Su comprensión de la medición de voltaje es incorrecta. Un voltímetro tiene una entrada de alta impedancia (>1M$\Omega$, típicamente alrededor de 10M$\Omega$). Casi no fluye corriente hacia el medidor mientras se realiza una medición de voltaje. Lo mismo ocurre con un osciloscopio.

Puede estar confundiendo la medición de voltaje con la medición de corriente. Los multímetros contienen "derivaciones" de baja resistencia, a través de las cuales fluye la corriente que está midiendo. Los shunts tienen una resistencia baja, pero precisa y conocida. El flujo de corriente a través de la derivación crea un voltaje a través de él. Ese voltaje es medido. Dado que se conoce la resistencia de derivación, el medidor calcula$I = V_{Shunt}/R_{Shunt}$.

Medir el capacitor de voltaje con un medidor de alta impedancia hará que la carga fluya desde el capacitor hacia el medidor. Si esto distorsionará o no sus resultados depende del resto del circuito y exactamente de lo que está tratando de medir.

Tenga en cuenta que los capacitores reales no son ideales y se descargarán naturalmente con el tiempo. Según el tipo de condensador, esta autodescarga es importante o no. Los condensadores de película de alta calidad son muy estables y mantendrán la carga durante horas o días, según las circunstancias. Electrolíticos de aluminio, no tanto.

Puede mejorar la precisión de su lectura conectando el voltaje del condensador a un búfer de alta impedancia de entrada y luego leyendo la salida de ese búfer. De esta manera, su medidor extraerá una pequeña corriente de la salida del búfer, en lugar de salir del capacitor. Un amplificador operacional de entrada JFET puede tener resistencias de entrada en el 1G$\Omega$a 1T$\Omega$. Esto podría ser demasiado alto y puede causar sus propios problemas.

Mida el voltaje instantáneo a través de la tapa con un osciloscopio de alta impedancia de entrada, esto será lo suficientemente bueno para propósitos prácticos.