Mida el voltaje sin corriente

Supongamos que tengo un condensador y quiero observar su caída de carga con el tiempo. ¿Cómo puedo hacer eso sin afectar su velocidad de descarga a través de la medición?

AFAIK un voltímetro típico pasa corriente a través de una resistencia conocida para determinar el voltaje, pero en el proceso esto descargaría el condensador que se está midiendo. Con una complejidad cada vez mayor, se podría reducir la corriente requerida para realizar una medición precisa y luego reducir la frecuencia de las mediciones, pero en el límite las mediciones seguirán drenando algo de voltaje.

En la analogía hidráulica, es posible medir la presión (voltaje) colocando un medidor de resorte en un pistón afectado por los dos lados del depósito. No fluye agua de un lado a otro, pero obtenemos una lectura constante de la presión.

Entonces, ¿hay un medidor, mecanismo o circuito que pueda hacer eso para el voltaje en un condensador u otra fuente de alimentación?

Dejando a un lado las soluciones físicas ordenadas, la forma práctica de hacerlo 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 adecuadamente diseñado puede reducir a femtoamperios de corriente de un solo dígito desde su tapa, lo que hace que las perturbaciones sean prácticamente insignificantes, especialmente si solo conecta el amplificador a la tapa cuando realiza 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 1 µF) hasta 9.021 V CC (un voltaje aleatorio) durante una hora. Leeré el VOUT con mi seguidor favorito de ganancia de unidad de alta impedancia de entrada (LMC662, Ib aproximadamente 0.003 pA) y lo guardaré en mi voltímetro digital (DVM) de seis dígitos favorito (Agilent / HP34401A) y monitorearé el VOUT una vez día por 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 dicha configuración, un buen relé de láminas anticuado tiene una fuga básicamente insignificante (mejor que incluso los interruptores analógicos de estado sólido modernos) y puede usarse para conectar brevemente su amplificador al condensador bajo prueba para tomar una lectura .

En general, lo que necesita para medir un campo eléctrico es un electrómetro . Los electroscopios de hoja de oro más antiguos funcionan mediante la repulsión estática entre cargas similares, y si están hechos de materiales ideales no perderían ninguna carga.

Sin embargo, cuando te interesas realmente por la diferencia entre una pequeña corriente y ninguna corriente, aparecen una gran cantidad de problemas. Todos sus aparatos experimentales tienen una resistencia finita (pero muy grande). Los electrones felizmente harán un túnel a través de objetos sólidos. La descomposición alfa en los materiales genera una carga. La carga perdida deriva en los vientos, o el voltaje es inducido por los campos que pasan.

El legendario Bob Pease tiene algunos buenos artículos sobre el tema: ¿Qué es todo esto de teflón? ¿ Y qué es todo esto de Femtoampere, de todos modos?

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

Pero su analogía hidráulica falla completamente 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 por completo los amperios de corriente.

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

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

El equivalente electrónico a la presión hidráulica es o$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}$ . La densidad de electrones de conducción del cobre a temperatura ambiente es de aproximadamente1.346×10$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}$ y su movilidad es de aproximadamente4.5×10-$1.346\times 10^{10}\:\frac{\textrm{Coulomb}}{\textrm{m}^3}$ . Suponga un cable con una sección transversal de$4.5\times 10^{-3}\:\frac{\textrm{m}^2}{\textrm{V-s}}$ y llevando$1\:\textrm{mm}^2$ de corriente. El campo eléctrico requerido es de aproximadamente$300\:\textrm{mA}$ .$5\:\frac{\mu\textrm{V}}{\textrm{mm}}$

La diferencia de carga en distancias razonables necesarias para impulsar esa corriente es insignificante (que reside completamente en la superficie desnuda del conductor) y no podría configurar un instrumento para medirlo a ninguna distancia finita. La única forma de hacer que esto funcione es agregar un conductor a la superficie de ese otro conductor en algún momento 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, ya que esta ES la forma más sensible que tiene disponible (a niveles de presupuesto no militar) 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 de manera significativa a ese nivel y las distancias que separan los átomos y las fuerzas que actúan de manera significativa a 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.

Entonces la analogía falla aquí. En electrónica, la mejor manera de medir estas fuerzas extremadamente delicadas y pequeñas, 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 se vea 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 configurar 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. Tendría que transferir suficiente carga de su condensador 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; leerías el voltaje de la cantidad que flexiona el cristal.

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

Para el segundo método, busque la definición original de potenciómetro , que se refiere 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 a un voltaje desconocido.

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

Por supuesto, podría simplemente dejar que el sistema se equilibre y lea la corriente de fuga del condensador directamente desde el 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 ser reído del sitio SE por esta respuesta teórica, pero aquí va:

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

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

Muchos medidores de baja presión dependen de la ionización de unos pocos átomos por segundo y miden la corriente causada por los electrones libres que golpean un cátodo. ¿Por qué no hacer lo inverso y usar el voltaje sobre el condensador cargado para desviar iones en un alto vacío y medir su cambio de 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 cable estándar o material de PCB estándar en un circuito típico.

Nota: Hay un error tipográfico en el datashet AD549 (2014) página 9, debe ser el pin 6 donde se imprime el pin 5.

Debe buscar los documentos de Keithley (ahora Tektronix) en mediciones de baja corriente. Lamentablemente, el sitio web es tan hostil para el usuario que no encontré ninguna manera de crear un enlace.

Si necesita algo más inteligente, uno puede aplicar un voltaje al condensador y regularlo para que no haya corriente. Pero esto no es trivial 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

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

$\Omega$$\Omega$ ). Casi no fluye corriente al medidor mientras se realiza una medición de voltaje. Lo mismo es cierto de un osciloscopio.

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

La medición del condensador de voltaje con un medidor de alta impedancia hará que la carga fluya fuera del condensador hacia el medidor. Si esto sesgará o no sus resultados depende del resto del circuito y exactamente lo que está tratando de medir.

Tenga en cuenta que los condensadores reales no son ideales y se descargarán naturalmente con el tiempo. Dependiendo del tipo de condensador, esta autodescarga es significativa 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.

$\Omega$$\Omega$

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