Spannung ohne Strom messen

Angenommen, ich habe einen Kondensator und möchte dessen Ladungsabfall mit der Zeit beobachten. Wie kann ich das tun, ohne die Entladerate durch Messung zu beeinflussen?

AFAIK ein typisches Voltmeter lässt Strom durch einen bekannten Widerstand fließen, um die Spannung zu bestimmen, dies würde jedoch den zu messenden Kondensator entladen. Mit zunehmender Komplexität man könnte verringern den Strom erforderlich ist, um eine genaue Messung zu machen, und dann verringern die Häufigkeit der Messungen, sondern in der Grenze Die Messungen werden noch Drain einige Spannung.

In der hydraulischen Analogie ist es möglich, den Druck (die Spannung) zu messen, indem ein Federmesser auf einen Kolben aufgesetzt wird, der auf die beiden Seiten des Reservoirs auftrifft. Es fließt kein Wasser von einer Seite zur anderen, aber wir erhalten eine konstante Anzeige des Drucks.

Gibt es ein Messgerät, einen Mechanismus oder eine Schaltung, die dies für die Spannung an einem Kondensator oder einer anderen Stromversorgung tun können?

Abgesehen von den praktischen Lösungen für die Physik besteht die praktische Möglichkeit darin, einen Operationsverstärker mit sehr geringem Eingangsvorspannungsstrom in einer Pufferkonfiguration zu betreiben. Einer dieser Operationsverstärker mit einem richtig gestalteten Layout kann bis zu einstelligen Femtoampere des Stroms aus Ihrer Kappe ziehen, was Störungen so gut wie vernachlässigbar macht, insbesondere wenn Sie den Verstärker nur an die Kappe anschließen, wenn Sie eine Messung durchführen.

Die analoge Legende Bob Pease beschreibt die Messung der Leckage einer Polypropylenkappe mit dieser Methode:

Jetzt lade ich einige meiner Lieblingskondensatoren mit geringen Leckströmen (z. B. Panasonic Polypropylen 1 µF) für eine Stunde auf 9,021 V Gleichspannung (eine Zufallsspannung) auf. Ich lese den VOUT mit meinem bevorzugten Gleichverstärkungsfolger mit hoher Eingangsimpedanz (LMC662, Ib, ca. 0,003 pA) und puffere ihn in meinen bevorzugten sechsstelligen Digitalvoltmeter (DVM) (Agilent / HP34401A) und überwache den VOUT einmal a Tag für mehrere Tage.

[...]

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

Am ersten Tag nach einer Stunde Einweichen betrug ihre Leckrate so gut wie 2,7 mV pro Tag. Nicht schlecht.

Wenn Sie einen solchen Aufbau automatisieren müssen, weist ein gutes, altmodisches Reed-Relais im Grunde genommen einen vernachlässigbaren Verlust auf (besser als sogar moderne analoge Halbleiterschalter) und kann verwendet werden, um Ihren Verstärker kurz an den zu testenden Kondensator anzuschließen, um einen Messwert abzulesen .

Im Allgemeinen benötigen Sie zur Messung eines elektrischen Feldes ein Elektrometer . Die älteren Blattgold-Elektroskope arbeiten durch die statische Abstoßung zwischen gleichen Ladungen, und wenn sie aus idealen Materialien hergestellt sind, würde keine Ladung auslaufen.

Wenn Sie jedoch wirklich in der Differenz zwischen einem winzigen Strom und zu interessieren , ohne Stromfluss, eine große Anzahl von Problemen auftreten. Alle Ihre Versuchsapparate haben einen endlichen (aber sehr großen) Widerstand. Elektronen tunneln gerne einen kurzen Weg durch feste Objekte. Alpha-Zerfall in den Materialien erzeugt eine Ladung. Streuladung driftet in die Winde, oder Spannung wird durch vorbeiziehende Felder induziert.

Der legendäre Bob Pease hat einige gute Artikel zu diesem Thema: What's All This Teflon Stuff, Anyhow? und was ist das für ein Femtoampere-Zeug?

Die besseren Methoden hängen von der Spannungsdifferenz ab, die Sie messen möchten. Gleiches gilt für Ihre hydraulische Analogie.

Aber Ihre hydraulische Analogie versagt in einer anderen Hinsicht völlig. Die auf Elektronen in einem Leiter wirkenden Beschleunigungskräfte werden durch sehr wenige Ladungen verursacht. Ich glaube nicht, dass Sie ein Gefühl dafür haben, wie wenig Elektronen an der Oberfläche eines Leiters benötigt werden, um signifikante mittlere Geschwindigkeiten für Ladungen in einem Draht zu beschleunigen. Wenn Sie einen Draht in eine U-Form biegen, sind möglicherweise nur ein oder zwei zusätzliche Elektronen an der Biegung erforderlich, um die Stromstärke vollständig umzuleiten.

Sie können Hochspannungsunterschiede messen, da die Ladungsdifferenz den Punkt erreicht, an dem empfindliche Stellen (z. B. Markkugeln auf einem haarähnlichen Faden) erfolgreich angewendet werden können. In diesem Fall ist die Auswirkung auf den Strom aufgrund sehr geringer Kolbenbiegungen genauso vernachlässigbar wie die momentane Auswirkung Ihres Hydraulikbeispiels.

Bei kleinen Spannungen funktioniert dies nicht, da der Ladungsunterschied so klein ist und ein endlicher Abstand von der blanken Leiteroberfläche die winzige Kraft stark verringert.

$\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}}$

Die Ladungsdifferenz über vernünftige Entfernungen, die erforderlich ist, um diesen Strom anzutreiben, ist vernachlässigbar (sie liegt vollständig auf der bloßen Oberfläche des Leiters), und Sie wären nicht in der Lage, ein Instrument einzurichten, um ihn in einer endlichen Entfernung zu messen. Die einzige Möglichkeit, diese Arbeit zu erledigen, besteht darin, irgendwann einen Leiter zur Oberfläche dieses anderen Leiters hinzuzufügen und diese winzigen Ladungsunterschiede auf ihre atomaren Skalen einwirken zu lassen, sodass ihre unglaublichen Kräfte auch Elektronen in Ihrem Messgerät antreiben können. Kurz gesagt, müssen Sie einen Strom fließen lassen, da dies IST die empfindlichste Art und Weise zur Verfügung (bei nicht-Militärhaushalt Ebenen) , um diese Druckmessungen in der Elektronik zu machen.

Natürlich ist es schön, über Analogien nachzudenken. Aber wie Sie bereits wissen, ist die Waage auch ankommt. Es gibt einen großen Unterschied zwischen den Abständen, die Galaxien trennen, und den Kräften, die auf dieser Ebene sinnvoll wirken, und den Abständen, die Atome trennen, und den Kräften, die auf dieser Ebene sinnvoll wirken. In einer taktileren Ebene, als wir Menschen denken können, gibt es einen großen Unterschied zwischen den Kräften, die für uns wichtig sind, um zu gehen und die Traktion zu erlangen, und den Kräften, die auf Fruchtfliegen wirken, die leicht auf den Oberflächen von Wänden und landen können die Decke, weil die Schwerkraft in ihrem Maßstab weit weniger wichtig ist als die statische Aufladung und die Rauheit für sie.

Auch der Maßstab spielt eine Rolle.

Die Analogie schlägt hier also fehl. In der Elektronik ist der beste Weg, um diese extrem empfindlichen und winzigen Kräfte zu messen, die alles sind, was benötigt wird, um praktische Ströme in Schaltkreisen anzutreiben, ein Messsystem einzurichten, das auf sie reagieren kann. Dies bedeutet, dass ein Strom beeinflusst werden kann. Es gibt nichts Sensibleres als das.

Trotzdem komme ich auf die Tatsache zurück, dass Sie immer noch Messungen ohne Strom durchführen können, wenn die Spannungsunterschiede groß genug sind, um eine ausreichende Ladungsdifferenz für die Messung festzulegen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um eine Spannung ohne Stromfluss zu messen.

Als erstes fällt mir der piezoelektrische Effekt ein. Sie müssten genügend Ladung von Ihrem Kondensator übertragen, um den Kristall auf die gleiche Spannung aufzuladen, aber danach würde kein Strom mehr fließen. Dies ist die engste Analogie zu Ihrem Hydraulikmanometer. Sie würden die Spannung an dem Betrag ablesen, um den sich der Kristall biegt.

Denken Sie an etwas wie eine Kristall-Phonographen-Patrone. Bewegungen von zehn bis hundert Mikrometern führen zu Spannungen in der Größenordnung von Millivolt, und dieser Effekt funktioniert umgekehrt. Offensichtlich benötigen Sie ein Mikroskop, um die Bewegung zu erfassen - von einem gewöhnlichen optischen Mikroskop bis zu einem Tunnelstrommikroskop, das in der Tat sehr empfindlich ist.

Lesen Sie für die zweite Methode die ursprüngliche Definition des Potentiometers nach , die sich auf ein System bezog, das nicht nur den bekannten variablen Widerstand mit drei Anschlüssen, sondern auch eine genaue Spannungsreferenz und ein Galvanometer zur Strommessung enthielt .

Per Definition ist der Strom durch das Galvanometer Null, wenn der Widerstand auf die unbekannte Spannung eingestellt ist.

Die Verwendung eines Potentiometers zur Messung der Selbstentladung eines Kondensators ist offensichtlich problematisch, da das Potentiometer selbst, sobald die Kondensatorspannung ein wenig abfällt, Strom liefert, um den Kondensator wieder aufzuladen. Daher müssen Sie den Widerstand ständig anpassen, um das Galvanometer auf Null zu halten.

Natürlich können Sie das System einfach ins Gleichgewicht bringen und den Leckstrom des Kondensators direkt vom Galvanometer ablesen, vorausgesetzt, es hat eine kalibrierte Skala.

Wenn Ihre Spannung hoch genug ist, können Sie eine Feldmühle verwenden.

Der Physiker hier wird wahrscheinlich wegen dieser theoretischen Antwort aus der SE-Site ausgelacht, aber hier ist:

Warum den Strom nicht störend messen? Ideen:

1. Setzen Sie ein Amperemeter auf einen Zweig des Kondensators. Integrieren Sie den Strom über die Zeit.
2. Sammeln Sie die verlorene Ladung auf einem viel größeren Kondensator, der ständig überwacht wird.
3. Messen Sie das elektrische Feld innerhalb des Kondensators (unter der Annahme von parallelen Platten oder einer anderen zugänglichen Geometrie).

Viele Niederdruckmanometer setzen auf die Ionisierung von nur wenigen Atomen pro Sekunde und messen den Strom, der von den jetzt freien Elektronen verursacht wird, die auf eine Kathode treffen. Warum nicht die Inverse verwenden und die Spannung über dem geladenen Kondensator verwenden, um Ionen im Hochvakuum abzulenken und ihre Änderung in der Flugbahn zu messen?

Sie können einen AD549 (kostet ca. 30 EUR) als Unity Gain Follower verwenden. Der Eingangswiderstand ist größer als der Widerstand der Standard-Drahtisolierung oder des Standard-PCB-Materials in einer typischen Schaltung.

Hinweis: Es gibt einen Tippfehler im AD549-Datensatz (2014), Seite 9, es sollte Pin 6 sein, auf dem Pin 5 gedruckt ist.

Sie sollten nach den Weißtafeln von Keithley (jetzt Tektronix) für Schwachstrommessungen suchen. Leider ist die Website so benutzerunfreundlich, dass ich keine Möglichkeit gefunden habe, einen Link zu erstellen.

Wenn Sie etwas Intelligenteres brauchen, können Sie eine Spannung an den Kondensator anlegen und diesen so regeln, dass kein Strom fließt. Dies ist jedoch nicht trivial und macht nur unter Laborbedingungen Sinn, mit sehr teuren, rauscharmen Kabeln, guter Abschirmung, stabilen Temperaturen ...

Werfen Sie einen Blick in die Handbücher von

• Keithley Nanovoltmeter Modell 2182A
• Keysight NanoVolt Mikro-Ohmmeter 34420A

$\Omega$$\Omega$ ). Während einer Spannungsmessung fließt fast kein Strom in das Messgerät. Gleiches gilt für ein Oszilloskop.

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

Durch Messen des Spannungskondensators mit einem hochohmigen Messgerät fließt Ladung aus dem Kondensator in das Messgerät. Ob dies Ihre Ergebnisse verzerrt oder nicht, hängt vom Rest der Strecke und genau dem ab, was Sie messen möchten.

Beachten Sie, dass echte Kondensatoren nicht ideal sind und sich mit der Zeit auf natürliche Weise entladen. Abhängig von der Art des Kondensators ist diese Selbstentladung signifikant oder nicht. Hochwertige Folienkondensatoren sind sehr stabil und können je nach den Umständen stunden- oder tagelang aufgeladen werden. Aluminium-Elektrolyse, nicht so sehr.

$\Omega$$\Omega$

Messen Sie die momentane Spannung über der Kappe mit einem Oszilloskop mit hoher Eingangsimpedanz. Dies ist für praktische Zwecke ausreichend.