วัดแรงดันไฟฟ้าที่ไม่มีกระแสไฟฟ้า

สมมติว่าฉันมีตัวเก็บประจุและฉันต้องการสังเกตการสลายตัวของประจุเมื่อเวลาผ่านไป ฉันจะทำสิ่งนั้นโดยไม่กระทบต่ออัตราการไหลของมันผ่านการวัดได้อย่างไร

AFAIK เป็นโวลต์มิเตอร์ทั่วไปที่ใช้กระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทานที่ทราบเพื่อกำหนดแรงดันไฟฟ้า แต่ในกระบวนการนี้จะปล่อยประจุที่ถูกวัด ด้วยความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นเราสามารถลดกระแสที่ต้องการเพื่อทำการวัดที่แม่นยำจากนั้นลดความถี่ของการวัด แต่ในการ จำกัด การวัดจะยังคงมีแรงดันไฟฟ้าเหลืออยู่

ในการเปรียบเทียบไฮดรอลิกเป็นไปได้ที่จะวัดความดัน (แรงดันไฟฟ้า) โดยการวางมาตรวัดฤดูใบไม้ผลิลงบนลูกสูบที่ถูกตรึงโดยสองด้านของอ่างเก็บน้ำ ไม่มีน้ำไหลจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง แต่เราอ่านค่าความดันอย่างต่อเนื่อง

มีมิเตอร์กลไกหรือวงจรที่สามารถทำเช่นนั้นสำหรับแรงดันไฟฟ้าในตัวเก็บประจุหรือแหล่งจ่ายไฟอื่น ๆ ได้หรือไม่?

วิธีแก้ปัญหาฟิสิกส์ที่ประณีตนอกจากวิธีการปฏิบัติที่เป็นไปได้คือการมีสัญญาณอินพุตต่ำมากในปัจจุบัน op-amp ทำงานในการกำหนดค่าบัฟเฟอร์ หนึ่งใน op-amps ที่มีรูปแบบที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถดึงกระแส femtoamps หนึ่งหลักจากฝาของคุณทำให้เกิดการรบกวนเล็กน้อยมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าคุณเชื่อมต่อเครื่องขยายเสียงเข้ากับหมวกเมื่อคุณทำการวัด

Bob Pease ตำนานอะนาล็อกอธิบายการวัดการรั่วไหลของฝาโพรพิลีนโดยใช้วิธีนี้:

ตอนนี้ฉันจะคิดค่าตัวเก็บประจุแบบ low-รั่วที่ชื่นชอบ (เช่น Panasonic polypropylene 1 µF) ถึง 9.021 V dc (แรงดันไฟฟ้าแบบสุ่ม) เป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง ฉันจะอ่าน VOUT กับผู้ติดตาม unity-gain unity-gain ที่มีอินพุตความต้านทานสูง (LMC662, Ib ประมาณ 0.003 pA) และบัฟเฟอร์ที่เป็นโวลต์มิเตอร์แบบดิจิตอลหกหลักที่ชื่นชอบ (DVM) (Agilent / HP34401A) และตรวจสอบ VOUT ครั้งเดียว วันเป็นเวลาหลายวัน

[ ... ]

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

วันแรกหลังจากการแช่หนึ่งชั่วโมงอัตราการรั่วไหลของพวกเขานั้นดีถึง 2.7 mV ต่อวัน ไม่เลว.

หากคุณต้องการติดตั้งแบบอัตโนมัติรีเลย์รีเลย์แบบเก่าที่ดีจะมีการรั่วไหลเล็กน้อย (ดีกว่าสวิทช์โซลิดสเตทที่ทันสมัย) และสามารถใช้เชื่อมต่อเครื่องขยายเสียงของคุณกับตัวเก็บประจุภายใต้การทดสอบสั้น ๆ .

โดยทั่วไปสิ่งที่คุณต้องการในการวัดสนามไฟฟ้าเป็นelectrometer กล้องอิเล็คตรอนแบบทองคำเปลวรุ่นเก่านั้นทำงานโดยประจุไฟฟ้าสถิตระหว่างประจุและถ้าทำด้วยวัสดุในอุดมคติจะไม่เกิดการรั่วไหลของประจุ

อย่างไรก็ตามเมื่อคุณได้รับความสนใจในความแตกต่างระหว่างกระแสขนาดเล็กและไม่มีกระแสในปัจจุบันปัญหาจำนวนมากจะปรากฏขึ้น เครื่องมือทดลองทั้งหมดของคุณมีความต้านทาน จำกัด (แต่มีขนาดใหญ่มาก) อิเล็กตรอนจะขุดอุโมงค์อย่างรวดเร็วผ่านวัตถุที่เป็นของแข็ง อัลฟ่าสลายตัวในวัสดุสร้างประจุ ประจุที่หลงทางลอยอยู่ในสายลมหรือแรงดันไฟฟ้าถูกเหนี่ยวนำโดยผ่านเขตข้อมูล

Bob Pease ในตำนานมีบทความดีๆเกี่ยวกับเรื่อง: อะไรคือสิ่งที่เทฟลอนนี่อะไรก็ตาม? และอะไรคือสิ่งที่ Femtoampere นี้ยังไงก็ตาม?

วิธีที่ดีกว่าจะขึ้นอยู่กับความต่างของแรงดันไฟฟ้าที่คุณพยายามวัด เช่นเดียวกันจะเป็นจริงสำหรับการเปรียบเทียบไฮดรอลิกของคุณ

แต่การเปรียบเทียบไฮดรอลิกของคุณล้มเหลวอย่างสิ้นเชิงในเรื่องอื่น แรงเร่งที่กระทำกับอิเล็กตรอนในตัวนำนั้นเกิดจากประจุน้อยมาก ฉันไม่คิดว่าคุณมีความรู้สึกว่ามีเพียงไม่กี่อิเล็กตรอนที่ต้องการที่พื้นผิวของตัวนำเพื่อเร่งความเร็วเฉลี่ยที่สำคัญสำหรับประจุในลวด หากคุณดัดลวดให้เป็นรูปตัวยูอาจใช้อิเลคตรอนพิเศษหนึ่งหรือสองตัวที่โค้งเพื่อให้กระแสแอมป์พุ่งกลับมาอย่างสมบูรณ์

คุณสามารถวัดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าสูงได้เนื่องจากจำนวนความแตกต่างของประจุถึงจุดที่มีความอ่อนไหว (สามารถใช้ลูกบอลพิ ธ บนด้ายคล้ายผมได้) ในกรณีนี้ผลกระทบต่อกระแสไฟฟ้านั้นเล็กน้อยเช่นแรงกระแทกไฮดรอลิกของตัวอย่างเนื่องจากแรงดัดของลูกสูบเล็กน้อยมาก

สำหรับแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กสิ่งนี้ไม่ได้ผลเพราะความแตกต่างของประจุมีน้อยมากและระยะทางอัน จำกัด ใด ๆ ที่อยู่ห่างจากพื้นผิวตัวนำตัวนำจะช่วยลดแรงเล็ก ๆ ลงอย่างมาก

อิเล็กทรอนิกส์เทียบเท่ากับความดันไฮดรอลิกเป็นหรือ$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}$ประจุไฟฟ้า ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนตัวนำทองแดงที่อุณหภูมิห้องประมาณ1.346×10$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}$และความคล่องตัวของพวกมันนั้นประมาณ4.5×10-$1.346\times 10^{10}\:\frac{\textrm{Coulomb}}{\textrm{m}^3}$Vs สมมติลวดที่มีหน้าตัดเป็น$4.5\times 10^{-3}\:\frac{\textrm{m}^2}{\textrm{V-s}}$และถือ$1\:\textrm{mm}^2$ของกระแส สนามไฟฟ้าที่ต้องใช้คือประมาณ$300\:\textrm{mA}$ .$5\:\frac{\mu\textrm{V}}{\textrm{mm}}$

ความแตกต่างของประจุไฟฟ้าในระยะทางที่สมเหตุสมผลที่จำเป็นในการผลักดันกระแสไฟฟ้านั้นมีน้อยมาก (ซึ่งอยู่บนพื้นผิวเปล่าของตัวนำ) และคุณจะไม่สามารถตั้งค่าเครื่องมือในการวัดได้ในระยะทาง จำกัด ใด ๆ เพียงวิธีที่จะทำให้งานนี้คือการเพิ่มตัวนำกับพื้นผิวของตัวนำที่อื่น ๆ ในบางจุดและช่วยให้เหล่านี้แตกต่างค่าใช้จ่ายเล็ก ๆ ที่จะกระทำในเครื่องชั่งน้ำหนักอะตอมของตนเพื่อให้กองกำลังที่น่าทึ่งของพวกเขาสามารถผลักดันอิเล็กตรอนในการวัดของคุณเช่นกัน กล่าวโดยย่อคือคุณต้องอนุญาตให้กระแสไหลเนื่องจากนี่เป็นวิธีที่ละเอียดอ่อนที่สุดสำหรับคุณ (ในระดับงบประมาณที่ไม่ใช่ทางทหาร) เพื่อให้สามารถวัดแรงดันในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้

เป็นเรื่องดีที่ได้คิดเกี่ยวกับการเปรียบเทียบแน่นอน แต่อย่างที่คุณทราบมาตราส่วนก็สำคัญเช่นกัน มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างระยะทางที่แยกกาแลคซีและแรงที่กระทำอย่างมีความหมายในระดับนั้นและระยะทางที่แยกอะตอมและแรงที่กระทำอย่างมีความหมายในระดับนั้น ใส่ในระดับที่สามารถสัมผัสได้มากกว่าที่มนุษย์เราสามารถคิดได้มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างกองกำลังที่สำคัญสำหรับเราในการเดินและรับแรงฉุดและกองกำลังที่ทำหน้าที่แมลงวันผลไม้ซึ่งสามารถลงจอดบนพื้นผิวของกำแพงและ เพดานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีความสำคัญน้อยกว่าในระดับของพวกเขาเมื่อเทียบกับค่าคงที่และความขรุขระสำหรับพวกเขา

มีความสำคัญเช่นกัน

ดังนั้นการเปรียบเทียบจึงล้มเหลวที่นี่ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์วิธีที่ดีที่สุดในการวัดแรงที่ละเอียดอ่อนและแรงเล็ก ๆ เหล่านี้ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นในการผลักดันกระแสไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริงในวงจรคือการตั้งค่าระบบการวัดที่สามารถตอบสนองได้ หมายความว่าการอนุญาตให้กระแสได้รับผลกระทบ ไม่มีอะไรที่ไวกว่านั้น

ที่กล่าวว่าฉันจะกลับไปที่ความจริงที่ว่าคุณยังคงสามารถทำการวัดได้โดยไม่ต้องใช้กระแสถ้าเพียงและถ้าความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้ามีขนาดใหญ่พอที่จะตั้งค่าความแตกต่างประจุเพียงพอที่จะวัด

มีสองวิธีในการวัดแรงดันไฟฟ้าโดยไม่มีกระแส

สิ่งแรกที่สปริงใจคือผล piezoelectric คุณจะต้องถ่ายโอนประจุที่เพียงพอจากตัวเก็บประจุของคุณเพื่อที่จะชาร์จคริสตัลให้เป็นแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน แต่หลังจากนั้นจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล นี่คือการเปรียบเทียบที่ใกล้เคียงที่สุดกับมาตรวัดความดันไฮดรอลิกของคุณ คุณจะอ่านแรงดันไฟฟ้าจากจำนวนคริสตัลที่โค้งงอ

นึกถึงบางสิ่งที่เหมือนตลับหมึกคริสตัล การเคลื่อนไหวในระดับสิบถึงร้อยไมครอนส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตามลำดับมิลลิโวลต์และเอฟเฟกต์นี้จะทำงานในลักษณะตรงกันข้าม เห็นได้ชัดว่าคุณต้องใช้กล้องจุลทรรศน์บางชนิดเพื่อตรวจจับการเคลื่อนไหวอะไรก็ตามตั้งแต่กล้องจุลทรรศน์ออปติคัลธรรมดาจนถึงกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ในปัจจุบันซึ่งจะมีความไวสูงแน่นอน

สำหรับวิธีที่สองค้นหาคำจำกัดความดั้งเดิมของโพเทนชิออมิเตอร์ซึ่งอ้างอิงถึงระบบที่มีไม่เพียง แต่กับตัวต้านทานตัวแปรเทอร์มินัลสามตัวที่เราทุกคนคุ้นเคย แต่ยังอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำและกัลวามิเตอร์ .

ตามคำจำกัดความกระแสไฟฟ้าผ่านกระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์เมื่อตัวต้านทานถูกตั้งค่าเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ไม่รู้จัก

เห็นได้ชัดว่าการใช้โพเทนชิออมิเตอร์ในการวัดการปลดปล่อยตัวเก็บประจุเป็นปัญหาเพราะทันทีที่แรงดันของตัวเก็บประจุลดลงเล็กน้อยโพเทนชิออมิเตอร์จะเริ่มจ่ายกระแสเพื่อชาร์จ ดังนั้นคุณจะต้องปรับตัวต้านทานอย่างต่อเนื่องเพื่อให้เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าว่างเปล่า

แน่นอนคุณสามารถปล่อยให้ระบบเข้าสู่สมดุลและอ่านการรั่วไหลของตัวเก็บประจุโดยตรงจากกระแสไฟฟ้าโดยสมมติว่ามันมีสเกลที่ปรับเทียบแล้ว

หากแรงดันไฟฟ้าของคุณสูงพอคุณสามารถใช้ feild mill

นักฟิสิกส์ที่นี่อาจจะถูกหัวเราะออกมาจากเว็บไซต์ SE สำหรับคำตอบทางทฤษฎีนี้ แต่ที่นี่จะไป:

ทำไมไม่วัดปัจจุบันไม่ใช่ pertubatively ไอเดีย:

1. วางแอมมิเตอร์ไว้ที่ขาข้างหนึ่งของตัวเก็บประจุ รวมกระแสในช่วงเวลาหนึ่ง
2. รวบรวมประจุที่หายไปลงบนตัวเก็บประจุที่ใหญ่กว่าที่ตรวจสอบอยู่ตลอดเวลา
3. วัดสนามไฟฟ้าภายในตัวเก็บประจุ (สมมติว่าแผ่นขนานหรือเรขาคณิตอื่น ๆ ที่สามารถเข้าถึงได้)

เกจวัดความดันต่ำจำนวนมากพึ่งพาไอออนไนซ์เพียงไม่กี่อะตอมต่อวินาทีและวัดกระแสที่เกิดจากอิเล็กตรอนอิสระที่ตอนนี้ชนกับแคโทด ทำไมไม่ผกผันและใช้แรงดันไฟฟ้าเหนือตัวเก็บประจุที่มีประจุเพื่อเบี่ยงเบนไอออนในสุญญากาศสูงและวัดการเปลี่ยนแปลงในวิถีโคจร

คุณสามารถใช้AD549 (ราคาประมาณ 30 EUR) ในฐานะผู้ติดตามกำไร ความต้านทานอินพุตมีค่ามากกว่าความต้านทานของฉนวนลวดมาตรฐานหรือวัสดุ PCB มาตรฐานในวงจรทั่วไป

หมายเหตุ: มีการพิมพ์ผิดในชุดข้อมูล AD549 (2014) หน้า 9 ควรเป็นพิน 6 ที่พิมพ์พิน 5

คุณควรมองหาเอกสารประกอบของ Keithley (ปัจจุบันคือ Tektronix) ในการวัดค่ากระแสต่ำ น่าเสียดายที่เว็บไซต์นี้มีผู้ใช้ที่ไม่เป็นมิตรซึ่งฉันไม่พบวิธีสร้างลิงก์

หากคุณต้องการบางสิ่งที่ชาญฉลาดกว่าใครสามารถใช้แรงดันไฟฟ้ากับตัวเก็บประจุและควบคุมมันเพื่อที่จะไม่มีกระแส แต่นี่ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อยและมีเหตุผลเฉพาะภายใต้เงื่อนไขของห้องปฏิบัติการด้วยสายสัญญาณเสียงต่ำราคาแพงการป้องกันที่ดีอุณหภูมิที่มั่นคง ...

ดูในคู่มือของ

• Keithley Nanovoltmeter รุ่น 2182A
• Keysight NanoVolt เครื่องวัดไมโครโอห์ม 34420A

ความเข้าใจเกี่ยวกับการวัดแรงดันไม่ถูกต้อง โวลต์มิเตอร์มีอินพุตความต้านทานสูง (> 1M$\Omega$โดยทั่วไปประมาณ 10M$\Omega$) แทบจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าสู่มิเตอร์ในขณะที่ทำการวัดแรงดันไฟฟ้า เช่นเดียวกับออสซิลโลสโคป

คุณอาจทำให้การวัดแรงดันไฟฟ้าสับสนด้วยการวัดกระแส มัลติมิเตอร์มีความต้านทานต่ำ 'สับ' ซึ่งกระแสที่คุณกำลังวัดกระแส มีความต้านทานต่ำ แต่แม่นยำและเป็นที่รู้จัก กระแสไหลผ่านแบ่งสร้างแรงดันไฟฟ้าข้ามมัน วัดแรงดันไฟฟ้านั้น เนื่องจากรู้จักการต้านทานต่อการแบ่งปัดมิเตอร์จึงคำนวณ$I = V_{Shunt}/R_{Shunt}$.

การวัดตัวเก็บประจุแรงดันด้วยเครื่องวัดความต้านทานสูงจะทำให้ประจุไหลออกจากตัวเก็บประจุและเข้าสู่เครื่องวัด สิ่งนี้จะบิดเบือนผลลัพธ์ของคุณหรือไม่ขึ้นอยู่กับส่วนที่เหลือของวงจรและสิ่งที่คุณพยายามวัด

โปรดทราบว่าตัวเก็บประจุที่แท้จริงนั้นไม่เหมาะและจะปล่อยออกมาตามธรรมชาติเมื่อเวลาผ่านไป ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวเก็บประจุการปลดปล่อยตัวเองนี้มีความสำคัญหรือไม่ ตัวเก็บประจุฟิล์มคุณภาพสูงมีความเสถียรสูงและจะเก็บประจุเป็นเวลาหลายชั่วโมงหรือหลายวันขึ้นอยู่กับสถานการณ์ อลูมิเนียมอิเล็กโทรไลติกไม่มาก

คุณสามารถปรับปรุงความถูกต้องของการอ่านของคุณได้โดยการเชื่อมต่อแรงดันตัวเก็บประจุกับบัฟเฟอร์อิมพิแดนซ์อินพุตสูงแล้วอ่านเอาต์พุตของบัฟเฟอร์นั้น ด้วยวิธีนี้มิเตอร์ของคุณจะดึงกระแสเล็ก ๆ ออกมาจากบัฟเฟอร์ออกแทนที่จะเป็นตัวเก็บประจุ แอมป์สหกรณ์ JFET-input สามารถมีความต้านทานอินพุตใน 1G$\Omega$ ถึง 1T$\Omega$. สิ่งนี้อาจสูงเกินไปและอาจทำให้เกิดปัญหาได้

วัดแรงดันทันทีผ่านฝาปิดด้วยออสซิลโลสโคปความต้านทานอินพุตสูงซึ่งจะดีพอสำหรับการใช้งานจริง