Medir voltaje sin corriente

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Supongamos que tengo un condensador y quiero observar su caída de carga a lo largo del tiempo. ¿Cómo puedo hacer eso sin afectar su tasa de descarga a través de la medición?

AFAIK: un voltímetro típico hace funcionar la 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 necesaria para realizar una medición precisa y luego reducir la frecuencia de las mediciones, pero en el límite, las mediciones aún agotarán algunas voltaje.

En la analogía hidráulica es posible medir la presión (voltaje) colocando un manómetro de resorte en un pistón encajado 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 por el voltaje en un capacitor u otra fuente de alimentación?

    
pregunta feetwet

9 respuestas

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Dejando de lado las soluciones de Física Física, la forma práctica de hacerlo es con un op-amp de corriente de polarización de entrada muy bajo que se ejecuta en una configuración de búfer. Uno de estos amplificadores operacionales con un diseño adecuadamente diseñado puede reducirse a las tendencias de un solo dígito de la corriente de su tapa, lo que hace que las perturbaciones sean bastante 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 utilizando este método:

  

Ahora cargaré algunos de mis condensadores favoritos de baja fuga (como   como polipropileno de Panasonic 1 µF) hasta 9.021 Vcc (un voltaje aleatorio)   por una hora. Leeré el VOUT con mi favorito.   seguidor de ganancia unitaria de alta impedancia de entrada (LMC662, Ib alrededor de 0.003 pA)   y búferlo en mi voltímetro digital favorito de seis dígitos (DVM)   (Agilent / HP34401A) y supervise 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 remojar durante una hora, su tasa de fugas fue tan buena   Como 2,7 mV por día. No está mal.

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

    
respondido por el Peter
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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 realmente te interesa la diferencia entre una corriente pequeña y un flujo de corriente no , aparece una gran cantidad de problemas. Todos sus aparatos experimentales tienen una resistencia finita (pero muy grande). Los electrones se abren paso a través de objetos sólidos. La descomposición alfa en los materiales genera una carga. La carga perdida se desplaza 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? Cosas de teflón , Anyhow? y ¿Qué es todo esto de Femtoampere, de todos modos?

    
respondido por el pjc50
10

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 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 sientas cuán pocos electrones se necesitan en la superficie de un conductor para acelerar las velocidades medias significativas de las cargas en un cable. Si doblas 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 las diferencias de alto voltaje porque la diferencia de carga alcanza el punto en el que se puede aplicar con éxito (bolas de médula en un hilo similar a un vello, por ejemplo). En este caso, el impacto en la corriente es tan insignificante como el impacto momentáneo de su ejemplo hidráulico debido a flexiones de pistón muy leves.

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

El equivalente electrónico a la presión hidráulica es \ $ \ frac {\ textrm {volts}} {\ textrm {meter}} \ $ o \ $ \ frac {\ textrm {Newton}} {\ textrm {Coulomb}} \ PS La densidad electrónica de conducción del cobre a temperatura ambiente es aproximadamente \ $ 1.346 \ veces 10 ^ {10} \: \ frac {\ textrm {Coulomb}} {\ textrm {m} ^ 3} \ $ y su movilidad es aproximadamente \ $ 4.5 \ veces 10 ^ {- 3} \: \ frac {\ textrm {m} ^ 2} {\ textrm {Vs}} \ $. Suponga un cable con una sección transversal de \ $ 1 \: \ textrm {mm} ^ 2 \ $ y cargando \ $ 300 \: \ textrm {mA} \ $ de corriente. El campo eléctrico requerido es aproximadamente \ $ 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 una distancia finita. La manera única 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 puedan impulsar los electrones en su instrumento de medida también. En resumen, debe permitir que fluya una corriente, ya que esta IS es la forma más sensible disponible para usted (en niveles presupuestarios no militares) para realizar esas mediciones de presión en electrónica.

Es bueno pensar en analogías, por supuesto. Pero como ya sabes, la escala también es importante. Hay una gran diferencia entre las distancias que separan las galaxias y las fuerzas que actúan de manera significativa en ese nivel y las distancias que separan los átomos y las fuerzas que actúan de manera significativa 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 rugosidad para ellos.

La escala también importa.

Entonces la analogía falla aquí. En electrónica, la mejor manera de medir estas fuerzas extremadamente delicadas y diminutas, que son todo lo que se necesita para impulsar corrientes prácticas en 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 una corriente si y solo si las diferencias de voltaje son lo suficientemente grandes como para configurar la diferencia de carga suficiente para medir.

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

Lo primero que viene a la mente es el efecto piezoeléctrico. Necesitaría transferir suficiente carga de su capacitor para cargar el cristal a la misma tensión, 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 el cristal flexiona.

Piense en algo así como un cartucho de fonógrafo de cristal. Movimientos de decenas a cientos de micrones resultan en voltajes del orden de milivoltios, y este efecto funciona a la inversa. Obviamente, necesitarías un microscopio de algún tipo para detectar el movimiento, desde un microscopio óptico común hasta un microscopio de corriente de túnel, que sería muy sensible.

Para el segundo método, busque la original definición de potenciómetro , que se refería a un sistema que contenía no solo la resistencia variable de tres terminales con la que 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 está configurada a un voltaje desconocido.

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

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

    
respondido por el Dave Tweed
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Si su voltaje es lo suficientemente alto, puede usar un molino.

    
respondido por el winny
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Físico aquí, probablemente a punto de ser echado a reír fuera del sitio SE por esta respuesta teórica, pero aquí va:

¿Por qué no medir la corriente sin perturbación? Ideas:

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

Muchos medidores 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 inverso y usar el voltaje sobre el condensador cargado para desviar los iones en un alto vacío y medir su cambio en la trayectoria?

    
respondido por el user1717828
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Puede usar un AD549 (costos aproximadamente 30 EUR) como seguidor de la ganancia unitaria. La resistividad de entrada es mayor que la resistividad del aislamiento de cable estándar o del material de PCB estándar en un circuito típico.

Nota: hay un error tipográfico en la hoja de datos AD549 (2014) página 9 debe ser el pin 6 donde se imprime el pin 5.

Debería buscar los papeles pintados Keithley (ahora Tektronix) en mediciones de baja corriente. Desafortunadamente, el sitio web es tan hostil que no encontré ninguna forma de crear un enlace.

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

Eche un vistazo en los manuales de

  • Keithley Nanovoltmeter Model 2182A
  • Medidor de micro-ohmios NanoVolt de Keysight 34420A
respondido por el Jonas Stein
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Su comprensión de la medición de voltaje es incorrecta. Un voltímetro tiene una entrada de alta impedancia (> 1M \ $ \ Omega \ $, generalmente alrededor de 10M \ $ \ Omega \ $). Casi no fluye corriente hacia el medidor mientras se toma 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 'shunts' de baja resistencia a través de los 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. Esa tensión se mide. Como se conoce la resistencia a la derivación, el medidor calcula \ $ I = V_ {Shunt} / R_ {Shunt} \ $.

La medición del capacitor de voltaje con un medidor de alta impedancia hará que la carga fluya fuera del capacitor 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. Los electrolíticos de aluminio, no tanto.

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

    
respondido por el vofa
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Mida el voltaje instantáneo a través de la tapa con un osciloscopio de alta impedancia de entrada, esto será suficiente para propósitos prácticos.

    
respondido por el David William lewis

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