Измерьте напряжение без тока

Предположим, у меня есть конденсатор, и я хочу наблюдать за его спадом заряда с течением времени. Как я могу сделать это, не влияя на его скорость разряда через измерение?

AFAIK типичный вольтметр пропускает ток через известное сопротивление для определения напряжения, но в процессе это разряжает измеряемый конденсатор. С увеличением сложности можно уменьшить ток, необходимый для точного измерения, а затем уменьшить частоту измерений, но в пределе измерения все равно будут истощать некоторое напряжение.

В гидравлической аналогии можно измерить давление (напряжение), надев пружинный манометр на поршень, столкнувшийся с двумя сторонами резервуара. Вода не течет с одной стороны на другую, но мы получаем постоянное показание давления.

Так есть ли счетчик, механизм или схема, которая может сделать это для напряжения на конденсаторе или другом источнике питания?

Помимо аккуратных физических решений, практический способ сделать это с операционным усилителем с очень низким входным током смещения, работающим в конфигурации буфера. Один из этих операционных усилителей с правильно спроектированной компоновкой может потреблять до однозначных фемтоусилителей тока из вашей кепки, что делает помехи в значительной степени незначительными, особенно если вы подключаете усилитель к кепке только во время измерения.

Аналоговая легенда Боб Пиз описывает измерение утечки полипропиленовой крышки с помощью этого метода:

Теперь я буду заряжать некоторые из моих любимых конденсаторов с малой утечкой (например, полипропилен Panasonic 1 мкФ) до 9,021 В постоянного тока (случайное напряжение) в течение часа. Я буду читать VOUT с помощью моего любимого повторителя с высоким входным импедансом и единичным усилением (LMC662, Ib около 0,003 пА) и буферизировать его в мой любимый шестизначный цифровой вольтметр (DVM) (Agilent / HP34401A) и один раз контролировать VOUT день на несколько дней.

[...]

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

В первый день после выдержки в течение часа скорость утечки составляла 2,7 мВ в день. Неплохо.

Если вам нужно автоматизировать такую ​​настройку, хорошее старомодное герконовое реле имеет незначительную утечку (лучше, чем даже современные твердотельные аналоговые переключатели) и может использоваться для кратковременного подключения вашего усилителя к тестируемому конденсатору, чтобы получить показания ,

Вообще то, что вам нужно для измерения электрического поля, это электрометр . Более старые электроскопы с сусальным золотом работают за счет статического отталкивания между одинаковыми зарядами, и, если они сделаны из идеальных материалов, они не будут пропускать заряд.

Однако, когда вас действительно интересует разница между малым током и отсутствием тока, возникает большое количество проблем. Все ваши экспериментальные аппараты имеют конечное (но очень большое) сопротивление. Электроны с радостью проложат короткий путь через твердые объекты. Альфа-распад в материалах порождает заряд. Рассеянный заряд дует на ветры, или напряжение индуцируется проходящими полями.

У легендарного Боба Пиза есть несколько хороших статей на эту тему: « Что это за материал из тефлона?» и что это за фемтоампер?

Лучшие методы будут зависеть от разницы напряжения, которую вы пытаетесь измерить. То же самое можно сказать и о вашей гидравлической аналогии.

Но ваша гидравлическая аналогия полностью проваливается в другом отношении. Ускоряющие силы, действующие на электроны в проводнике, вызваны очень небольшим количеством зарядов. Я не думаю, что вы чувствуете, насколько мало электронов требуется на поверхности проводника, чтобы ускорить значительные средние скорости для зарядов в проводе. Если вы согнете проволоку в U-образную форму, может потребоваться только один или два дополнительных электрона на изгибе, чтобы полностью перенаправить усилители тока.

Вы можете измерить разницу в высоком напряжении, потому что величина разницы в заряде достигает точки, в которой чувствительность (например, пробковые шарики на волосяной нити) может быть успешно применена. В этом случае влияние на ток столь же незначительно, как и мгновенное воздействие вашего гидравлического примера из-за очень незначительных изгибов поршня.

Для малых напряжений это не работает, потому что разность зарядов очень мала, и любое конечное расстояние от поверхности неизолированного проводника значительно уменьшает крошечную силу.

$\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}}$

Разница в заряде на разумных расстояниях, необходимых для подавления этого тока, незначительна (которая полностью лежит на оголенной поверхности проводника), и вы не сможете установить прибор для измерения на любом конечном расстоянии. Только способ сделать эту работу , чтобы добавить проводник к поверхности этого другого проводника в каком - то момент и позволить этим крошечным различия заряда действовать от их атомных масштабов , так что их невероятные силы могут толкнуть электроны в вашем измерении прибора , а также. Короче говоря, вам нужно , чтобы ток течь, потому что это IS самым чувствительным образом доступны (на уровне невоенных бюджета) , чтобы сделать эти измерения давления в электронике.

Конечно, приятно подумать об аналогиях. Но, как вы уже знаете, масштаб также имеет значение. Существует огромная разница между расстояниями, разделяющими галактики, и силами, которые осмысленно действуют на этом уровне, и расстояниями, разделяющими атомы, и силами, которые осмысленно действуют на этом уровне. Если говорить о более тактильном уровне, о котором мы, люди, можем думать, существует огромная разница между силами, которые важны для нас для ходьбы и получения тяги, и силами, действующими на плодовых мушек, которые могут легко приземлиться на поверхности стен и потолок, потому что гравитация гораздо менее важна в их масштабе, чем статический заряд и шероховатость для них.

Масштаб тоже имеет значение.

Таким образом, аналогия здесь не удалась. В электронике самый лучший способ измерить эти чрезвычайно деликатные и крошечные силы - все, что необходимо для создания практических токов в цепях, - это настроить измерительную систему, которая может реагировать на них. Это означает, что можно влиять на ток. Нет ничего более чувствительного, чем это.

Тем не менее, я вернусь к тому факту, что вы все еще можете выполнять измерения без тока, если и только если разности напряжений достаточно велики, чтобы установить достаточную разность зарядов для измерения.

Существует несколько способов измерения напряжения без протекания тока.

Первое, что приходит на ум, - это пьезоэлектрический эффект. Вам нужно будет передать достаточно заряда от вашего конденсатора, чтобы зарядить кристалл до того же напряжения, но после этого ток не будет течь. Это самая близкая аналогия с вашим гидравлическим манометром; вы бы прочитали напряжение от величины, которую кристалл изгибает.

Придумайте что-то вроде хрустального фонографического картриджа. Движения от десятков до сотен микрон приводят к напряжениям порядка милливольт, и этот эффект работает в обратном порядке. Очевидно, вам понадобится какой-нибудь микроскоп для обнаружения движения - от обычного оптического микроскопа до микроскопа с туннельным током, который действительно будет очень чувствительным.

Что касается второго метода, посмотрите оригинальное определение потенциометра , в котором упоминалась система, которая содержала не только трехфазный переменный резистор, с которым мы все знакомы, но также точный эталон напряжения и гальванометр для измерения тока. ,

По определению, ток через гальванометр равен нулю, когда резистор установлен на неизвестное напряжение.

Очевидно, что использование потенциометра для измерения саморазряда конденсатора проблематично, поскольку, как только напряжение на конденсаторе немного падает, сам потенциометр начнет подавать ток для его зарядки. Поэтому вам придется постоянно настраивать резистор, чтобы гальванометр не гнул.

Конечно, вы можете просто позволить системе прийти в равновесие и считывать ток утечки конденсатора непосредственно с гальванометра, предполагая, что он имеет калиброванную шкалу.

Если у вас достаточно высокое напряжение, вы можете использовать мельницу.

Физик здесь, вероятно, будет смеяться из-за сайта SE для этого теоретического ответа, но здесь идет:

Почему бы не измерить ток неперспективно? Идеи:

1. Положите амперметр на одну ногу конденсатора. Интеграция тока с течением времени.
2. Соберите потерянный заряд на гораздо больший конденсатор, который постоянно контролируется.
3. Измерьте электрическое поле внутри конденсатора (при условии параллельных пластин или другой доступной геометрии).

Многие манометры низкого давления полагаются на ионизацию всего нескольких атомов в секунду и измеряют ток, вызванный появлением свободных электронов, попадающих на катод. Почему бы не сделать обратное и использовать напряжение на заряженном конденсаторе, чтобы отклонить ионы в высоком вакууме и измерить их изменение траектории?

Вы можете использовать AD549 (стоит около 30 евро) в качестве последователя получения единства. Входное удельное сопротивление больше, чем удельное сопротивление стандартной изоляции проводов или стандартного материала печатной платы в типовой схеме.

Примечание. В описании данных AD549 (2014) на стр. 9 имеется опечатка, это должен быть вывод 6, где выводится вывод 5.

Вы должны искать Whitley Keithley (теперь Tektronix) на измерениях слабого тока. К сожалению, сайт настолько недружелюбный, что я не нашел способа создать ссылку.

Если вам нужно что-то более интеллектуальное, можно подать напряжение на конденсатор и отрегулировать его так, чтобы не было тока. Но это не тривиально и имеет смысл только в лабораторных условиях, с очень дорогими малошумными проводами, хорошим экранированием, стабильной температурой ...

Посмотрите в руководствах

• Кейтли Нановольтметр Модель 2182А
• Keysight NanoVolt Микро-омметр 34420A

Ваше понимание измерения напряжения неверно. Вольтметр имеет высокоимпедансный вход (> 1 м$\Omega$обычно около 10 миллионов$\Omega$). При измерении напряжения ток почти не течет в измеритель. То же самое относится и к осциллографу.

Вы можете путать измерение напряжения с измерением тока. Мультиметры содержат «шунты» низкого сопротивления, через которые протекает измеряемый ток. Шунты имеют низкое, но точное и известное сопротивление. Ток, протекающий через шунт, создает на нем напряжение. Это напряжение измеряется. Поскольку сопротивление шунта известно, счетчик рассчитывает$I = V_{Shunt}/R_{Shunt}$,

Измерение напряжения на конденсаторе с помощью измерителя с высоким импедансом вызовет вытекание заряда из конденсатора в измеритель. Будет ли это искажать ваши результаты, зависит от остальной части схемы и от того, что именно вы пытаетесь измерить.

Обратите внимание, что настоящие конденсаторы не идеальны и со временем разряжаются естественным образом. В зависимости от типа конденсатора, саморазрядка значительна или нет. Высококачественные пленочные конденсаторы очень стабильны и могут заряжаться часами или днями в зависимости от обстоятельств. Алюминиевых электролитов не так уж и много.

Вы можете повысить точность чтения, подключив напряжение конденсатора к буферу с высоким входным импедансом, а затем считав выходные данные этого буфера. Таким образом, ваш измеритель будет получать крошечный ток с выхода буфера, а не с конденсатора. Входной операционный усилитель JFET может иметь входное сопротивление в 1G$\Omega$ до 1Т$\Omega$, Это может быть слишком высоким и может вызвать проблемы самостоятельно.

Измерьте мгновенное напряжение на крышке с помощью осциллографа с высоким входным сопротивлением, этого будет достаточно для практических целей.