Meça a tensão sem corrente

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Suponha que eu tenho um capacitor e quero observar sua queda de carga ao longo do tempo. Como posso fazer isso sem afetar sua taxa de descarga através da medição?

AFAIK, um voltímetro típico percorre a corrente através de uma resistência conhecida para determinar a tensão, mas no processo isso descarregaria o capacitor sendo medido. Com o aumento da complexidade, pode-se reduzir a corrente necessária para fazer uma medição precisa e, em seguida, reduzir a frequência das medições, mas no limite as medições ainda serão drenadas alguma tensão.

Na analogia hidráulica, é possível medir a pressão (tensão) colocando um medidor de mola em um pistão atingido pelos dois lados do reservatório. Nenhuma água flui de um lado para o outro, mas temos uma leitura constante da pressão.

Então, existe um medidor, mecanismo ou circuito que possa fazer isso com voltagem em um capacitor ou outra fonte de alimentação?

pé molhado
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Você tem um eletroscópio de folha de ouro disponível? Usando um eletroscópio .
Andrew Morton
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@AndrewMorton - a resposta de jonk parece estar propondo isso. Ainda tentando entender qual sensibilidade e precisão podemos alcançar. (Além disso, curioso para saber se estes são brinquedos apenas de instrução ou se é que existe tal coisa como um electroscope bancada moderna, projetada para medições precisas em vez de apenas ilustrando / estimar os efeitos de campo.)
feetwet
@Optionparty - AFAIK que não se aplica à auto-descarga do capacitor: isso ocorre através do isolador, não entre os eletrodos.
feetwet

Respostas:

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Puras soluções físicas à parte, a maneira prática de fazer isso é com um amplificador operacional de corrente de polarização de entrada muito baixo sendo executado em uma configuração de buffer. Um desses amplificadores operacionais com um layout adequadamente projetado pode reduzir a femtoamps de um dígito da corrente da sua tampa, tornando os distúrbios praticamente insignificantes, principalmente se você conectar o amplificador à tampa quando estiver fazendo uma medição.

A legenda analógica Bob Pease descreve a medição de vazamento de uma tampa de polipropileno usando este método:

Agora carregarei alguns dos meus capacitores favoritos de baixo vazamento (como o polipropileno Panasonic 1 µF) até 9,021 V dc (tensão aleatória) por uma hora. Vou ler o VOUT com meu seguidor de ganho de unidade com impedância de alta entrada e favorito (LMC662, Ib cerca de 0,003 pA) e armazená-lo no meu voltímetro digital de seis dígitos (DVM) favorito (Agilent / HP34401A) e monitorar o VOUT uma vez a cada dia por vários dias.

[...]

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

No primeiro dia após a imersão por uma hora, a taxa de vazamento foi tão boa quanto 2,7 mV por dia. Não é ruim.

Se você precisar automatizar essa configuração, um bom relé de palheta à moda antiga tem basicamente um vazamento desprezível (melhor que até os comutadores analógicos de estado sólido modernos) e pode ser usado para conectar brevemente seu amplificador ao capacitor em teste para fazer uma leitura .

Pedro
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Uau ... femtoAmp-segundos. Quando você coloca esses termos, estou inclinado a concordar que essa questão é interessante apenas de uma perspectiva teórica.
feetwet
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Drat, você mencionou Bob Pease enquanto eu estava escrevendo minha resposta :)
pjc50
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Se você pudesse trocar um capacitor 'perfeito' de baixa capacitância (talvez 20pF de placas no vácuo), poderia calibrar o vazamento do amplificador operacional / amplificador e diminuir ainda mais. 3fA / 20pF mudaria cerca de +/- 150uV / segundo, facilmente medido.
Spehro Pefhany
1
"particularmente se você apenas conectar o amplificador à tampa quando estiver fazendo uma medição." note que o comportamento de entrada de tais amplificadores operacionais é dominado por capacidade. Portanto, desconectar o amplificador entre as leituras provavelmente não resultará em muitas melhorias.
Peter Green
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Geralmente o que você precisa para medir um campo elétrico é um eletrômetro . Os eletroscópios mais antigos de folha de ouro operam pela repulsão estática entre cargas iguais e, se feitos de materiais ideais, não vazariam nenhuma carga.

No entanto, quando você se interessa realmente pela diferença entre uma corrente minúscula e sem fluxo de corrente, um grande número de problemas aparece. Todo o seu aparelho experimental tem uma resistência finita (mas muito grande). Felizmente, os elétrons atravessam um túnel através de objetos sólidos. A deterioração alfa nos materiais gera uma carga. A carga dispersa é desviada pelos ventos ou a tensão é induzida pela passagem de campos.

O lendário Bob Pease tem alguns bons artigos sobre o assunto: o que é todo esse material de Teflon, afinal? e o que é tudo isso Femtoampere, afinal?

pjc50
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Vários eletrômetros que não são de amplificador operacional: eletrômetro vibratório de palheta para microescala, eletrômetro de moinho de campo, eletrômetro wobbulator (placa vibratória), eletrômetro de quadrante (um medidor de painel com lâminas de capacitor em movimento, bom para 200V a 30KV em escala completa.) Pesquisa sensível Inc. " eletrômetros de quadrante são comumente no eBay por ~ $ 100 ea. O ponto fraco é a limpeza e umidade da superfície. seus postes de isolamento (teflon, cerâmica, fenólico etc.) Isoladores finos e longos são melhores, heh, teias de aranha de teflon como suporte físico?
Wbeaty
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Os melhores métodos dependerão da diferença de tensão que você está tentando medir. O mesmo seria verdade para sua analogia hidráulica.

Mas sua analogia hidráulica falha completamente em outro aspecto. As forças aceleradoras que atuam nos elétrons em um condutor são causadas por muito poucas cargas. Eu não acho que você perceba o quão poucos elétrons são necessários na superfície de um condutor para acelerar velocidades médias significativas para cargas em um fio. Se você dobrar um fio em forma de U, poderá levar apenas um ou dois elétrons extras na curva para redirecionar completamente os amplificadores de corrente.

Você pode medir diferenças de alta voltagem porque a quantidade de diferença de carga atinge o ponto em que a sensibilidade (bolas de ponta em uma rosca semelhante a um cabelo, por exemplo) pode ser aplicada com sucesso. Nesse caso, o impacto na corrente é tão insignificante quanto o impacto momentâneo do seu exemplo hidráulico devido a flexões muito leves do pistão.

Para tensões pequenas, isso não funciona porque a diferença de carga é absolutamente pequena e qualquer distância finita da superfície do condutor desencapado reduz bastante a força minúscula.

voltsmeterNewtonCoulomb1.346×1010Coulombm34.5×103m2V-s1mm2300mA5μVmm

A diferença de carga em distâncias razoáveis ​​necessárias para impulsionar essa corrente é desprezível (que reside inteiramente na superfície nua do condutor) e você não poderá instalar um instrumento para medi-lo a qualquer distância finita. A única maneira de fazer esse trabalho é adicionar um condutor à superfície desse outro condutor em algum momento e permitir que essas pequenas diferenças de carga atuem em suas escalas atômicas, de modo que suas forças incríveis também possam impulsionar elétrons em seu instrumento de medição. Em resumo, você precisa permitir que a corrente flua, porque essa é a maneira mais sensível à sua disposição (em níveis de orçamento não militares) para fazer essas medições de pressão nos eletrônicos.

É bom pensar em analogias, é claro. Mas como você já sabe, a escala também importante. Há uma enorme diferença entre as distâncias que separam galáxias e as forças que atuam significativamente nesse nível e as distâncias que separam átomos e as forças que atuam significativamente nesse nível. Coloque em um nível mais tátil que os humanos possam pensar em termos de, há uma enorme diferença entre as forças que são importantes para nós para caminhar e obter tração e as forças que atuam nas moscas da fruta, que podem pousar facilmente nas superfícies das paredes e o teto porque a gravidade é muito menos importante em sua escala em comparação com a carga estática e a rugosidade para eles.

A escala também importa.

Então a analogia falha aqui. Em eletrônica, a melhor maneira de medir essas forças extremamente delicadas e minúsculas, que são tudo o que é necessário para impulsionar correntes práticas em circuitos, é instalar um sistema de medição que possa responder a elas. Isso significa permitir que uma corrente seja afetada. Não há nada mais sensível que isso.

Dito isso, voltarei ao fato de que você ainda pode fazer medições sem corrente, se e somente se as diferenças de tensão forem grandes o suficiente para configurar a diferença de carga suficiente para medir.

jonk
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Boa explicação e antecedentes. Você pode adicionar uma estimativa da magnitude das diferenças de tensão entre os pinos do capacitor que devem ser mensuráveis ​​através dos efeitos de campo?
feetwet
@feetwet Consulte youtube.com/watch?v=8BQM_xw2Rfo para obter uma idéia sobre as tensões necessárias.
11136
@feetwet A propósito, ao assistir esse vídeo, saiba que o teste deles transfere realmente muito poucos elétrons, que devem ser substituídos no próprio fio para continuar funcionando. Por isso não tem um impacto momentâneo na corrente - não apenas um, poderia medir. Sobre o sensor de pressão hidráulica de que você está falando, que também tem impactos momentâneos e muito pequenos quando ocorrem mudanças.
111316
Sim, esse é um vídeo útil. De fato, você não precisaria "roubar" a carga do capacitor se pré-carregasse a folha de outra fonte. Basta observar que as diferenças kV são suficientes para ver estáticos , mecânicos efeitos. Agora, se você puder fazê-lo com um pedaço de papel alumínio em uma corda nessas tensões, parece plausível (para mim) que um medidor cuidadosamente projetado (que possa carregar sua própria "placa sensora" em uma tensão arbitrária) possa ser 1- 3 ordens de magnitude mais sensíveis / precisas, o que traria isso para o domínio do utilitário da bancada de trabalho. Isso soa certo? Esses medidores existem?
feetwet
@feetwet Essas pequenas cargas que se estabelecem na superfície podem ser razoavelmente consideradas como uma fração de uma carga de elétrons. Nada que você possa imaginar estará em qualquer lugar PRÓXIMO tão sensível quanto colocar um condutor naquelas cargas em que as distâncias são medidas em Angstroms e as forças, portanto, podem operar significativamente. No momento em que você se afasta e tenta usar um efeito de campo a distâncias mensuráveis ​​humanas, essas forças são praticamente zero e difíceis de medir.
11136
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Existem duas maneiras de medir a tensão sem um fluxo de corrente.


A primeira coisa que vem à mente é o efeito piezoelétrico. Você precisaria transferir carga suficiente do seu capacitor para carregar o cristal na mesma voltagem, mas depois disso, não haveria fluxo de corrente. Essa é a analogia mais próxima do seu manômetro hidráulico; você leria a tensão a partir da quantidade que o cristal flexiona.

Pense em algo como um cartucho fonográfico de cristal. Movimentos de dezenas a centenas de mícrons resultam em tensões da ordem de milivolts, e esse efeito funciona ao contrário. Obviamente, você precisaria de um tipo de microscópio para detectar o movimento - qualquer coisa, desde um microscópio óptico comum a algum tipo de microscópio de corrente de tunelamento, que seria realmente muito sensível.


Para o segundo método, procure a definição original de potenciômetro , que se refere a um sistema que continha não apenas o resistor variável de três terminais com o qual todos estamos familiarizados, mas também uma referência de tensão precisa e um galvanômetro para medir a corrente .

Por definição, a corrente através do galvanômetro é zero quando o resistor é ajustado na tensão desconhecida.

Obviamente, usar um potenciômetro para medir a autodescarga de um capacitor é problemático, porque assim que a tensão do capacitor cair um pouco, o próprio potenciômetro começará a fornecer corrente para recarregá-lo. Portanto, você precisará ajustar constantemente o resistor para manter o galvanômetro nulo.

Obviamente, você pode simplesmente deixar o sistema entrar em equilíbrio e ler a corrente de fuga do capacitor diretamente do galvanômetro, assumindo que ele tenha uma escala calibrada.

Dave Tweed
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Concordo que o efeito piezoelétrico é equivalente ao manômetro hidráulico. As paredes do cristal se desviarão na proporção da tensão aplicada. Assim, à medida que o capacitor descarrega, as paredes retornam ao seu estado "normal". Com um microscópio calibrado, você seria capaz de converter o movimento das paredes para limitar a tensão, sem a necessidade de fluxo de corrente!
Guill
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Se sua voltagem for alta o suficiente, você pode usar um moinho de campo.

winny
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OK: Eu tenho um capacitor na minha bancada. Como uso um moinho de campo para medir a tensão nos terminais sem passar a corrente entre os terminais?
footwet 13/12/16
"Estenda" um dos pólos para uma placa grande. Opere seu moinho de campo próximo a ele e você terá sua tensão em relação ao solo. Se você precisar da diferença, use duas placas, meça ambas e subtraia uma tensão da outra. Pode ser possível "aterrar" em um dos pólos, mas nunca experimentei, apenas um diferencial em relação ao solo.
Win13 /
Nunca ouvi falar disso sendo aplicado a tensões não ionizantes e não tenho certeza de como isso poderia ser detectado. Você pode elaborar ou fornecer estimativas aproximadas da sensibilidade à tensão?
feetwet
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Espere um minuto: se o moinho de campo está pegando uma carga, é preciso retirá- la do capacitor, certo? Ou seja, se um moinho de campo puder medir a tensão nos terminais do capacitor , isso reduzirá a tensão do capacitor durante a operação, o que é o mesmo problema com um voltímetro convencional que eu queria saber se é possível evitar.
feetwet
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Roubando carga? Não, um moinho de campo é como um condutor próximo, mas se mexendo. Pode estar a um metro de distância do objeto medido ou mm de distância. resolução de mV ou 100KV. Sim, produz pequenos efeitos de carga CA no objeto medido. Mas nenhum vazamento de corrente contínua. (O moinho de campo é basicamente um gerador eletrostático, em que o objeto medido é a "placa de campo" do gerador, que nunca é tocada e, portanto, nenhuma femtoamps DC é utilizada. Qualquer energia no sinal de tensão medido é inteiramente proveniente da energia mecânica injetada para as partes móveis, não das placas de campo do gerador).
wbeaty
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Físico aqui, provavelmente prestes a rir do site SE por essa resposta teórica, mas aqui vai:

Por que não medir a corrente não pertubativamente? Idéias:

  1. Coloque um amperímetro em uma perna do capacitor. Integre a corrente ao longo do tempo.
  2. Colete a carga perdida em um capacitor muito maior que é constantemente monitorado.
  3. Meça o campo elétrico dentro do capacitor (assumindo placas paralelas ou outra geometria acessível).

Muitos manômetros de baixa pressão dependem da ionização de apenas alguns átomos por segundo e medem a corrente causada pelos elétrons agora livres que atingem um cátodo. Por que não fazer a inversa e usar a tensão sobre o capacitor carregado para desviar os íons em alto vácuo e medir sua mudança na trajetória?

user1717828
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A última ideia parece interessante e, na verdade, parece que poderia ser transformada em um medidor de bancada prático e sensível. Gostaria de saber se existe uma encarnação comercial disso. O número 3 não é possível com a maioria dos capacitores práticos, embora você possa ver a idéia principal em outras respostas e comentários: a medição de campo nos terminais do capacitor. Os itens 1 e 2 não são úteis neste caso, porque a idéia é observar a taxa de autodescarga isolada do capacitor. Isso não produzirá os mesmos dados se estivermos "descarregando-os, mas mantendo o controle de qual descarga é atribuível à medição".
footwet
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Você pode usar um AD549 (custa cerca de 30 euros) como seguidor de ganho de unidade. A resistividade de entrada é maior que a resistividade do isolamento padrão do fio ou do material PCB padrão em um circuito típico.

Nota: Há um erro de digitação no datashet AD549 (2014), página 9, que deve ser o pino 6, onde o pino 5 é impresso.

Você deve procurar os artigos Keithley (agora Tektronix) sobre medições de baixa corrente. Infelizmente, o site é tão hostil que não achei maneira de criar um link.

Se você precisar de algo mais inteligente, pode-se aplicar uma tensão ao capacitor e regulá-lo para que não haja corrente. Mas isso não é trivial e só faz sentido em condições de laboratório, com cabos de baixo ruído muito caros, boa blindagem, temperaturas estáveis ​​...

Dê uma olhada nos manuais de

  • Nanovoltímetro Keithley Modelo 2182A
  • Medidor de micro-ohm Keysight NanoVolt 34420A
Jonas Stein
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Seu entendimento da medição de tensão está incorreto. Um voltímetro possui uma entrada de alta impedância (> 1MΩ, normalmente em torno de 10 milhõesΩ) Quase nenhuma corrente flui para o medidor durante uma medição de tensão. O mesmo vale para um osciloscópio.

Você pode confundir medição de tensão com medição de corrente. Os multímetros contêm 'shunts' de baixa resistência, através dos quais a corrente que você está medindo flui. Os desvios têm uma resistência baixa, mas precisa e conhecida. O fluxo de corrente através da derivação cria uma tensão através dela. Essa tensão é medida. Como a resistência à derivação é conhecida, o medidor calculaEu=VShvocênt/RShvocênt.

Medir o capacitor de tensão com um medidor de alta impedância fará com que a carga flua para fora do capacitor e para dentro do medidor. Se isso distorcerá ou não os resultados, depende do resto do circuito e exatamente do que você está tentando medir.

Observe que capacitores reais não são ideais e descarregam naturalmente com o tempo. Dependendo do tipo de capacitor, essa descarga automática é significativa ou não. Os capacitores de filme de alta qualidade são muito estáveis ​​e mantêm a carga por horas ou dias, dependendo das circunstâncias. Eletrolíticos de alumínio, nem tanto.

Você pode melhorar a precisão de sua leitura conectando a tensão do capacitor a um buffer de alta impedância de entrada e lendo a saída desse buffer. Dessa forma, seu medidor consumirá uma pequena corrente da saída do buffer, e não do capacitor. Um amplificador operacional de entrada JFET pode ter resistências de entrada no 1GΩ para 1TΩ. Isso pode ser muito alto e pode causar problemas próprios.

vofa
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What you have described is the mechanism for voltage measurement I described in the question. I acknowledge that the current flow in a typical voltmeter is small in absolute terms, but so long as it is non-zero and continuous it will always be significant for some capacitor, voltage, and/or duration.
feetwet
In general, any measurement factor can be significant or insignificant. A very small amount of current flows through the input termination resistor (1-10Meg) in the meter, true. But is your capacitor completely isolated in your circuit? Are there paths in the circuit through which charge can bleed away from the capacitor much faster than they would through the meter? Some tiny current flow is unavoidable in physical reality. Whether or not it is significant cannot be answered in general.
vofa
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This question is about nothing other than measuring the self-discharge rate of the capacitor. I am asking if in practice (or even in theory) it is possible to do this without creating current flow between the terminals of the capacitor (other than trivially at the moment the meter is connected). Your comment says current flow is unavoidable. That is true of voltage meters of the type we describe. But is there a law or proof that it is true of voltage measurement in principle?
feetwet
O dispositivo de medição de tensão terá alguma resistência de entrada. À medida que você aumenta essa resistência, menos corrente flui. Mesmo a 100Teraohms e 1V, 10fA fluirá. Se essa corrente fluir por 1 segundo, mais de 600.000 elétrons fluíram através do resistor de terminação. Que eu saiba, você nunca terá fluxo de corrente zero. Você pode ter um fluxo de corrente incrivelmente baixo e totalmente irrelevante, mas não zero. Esta página pode ajudar: robotroom.com/Capacitor-Self-Discharge-1.html
vofa
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Não reduzi a votação, mas acho que a abertura dizendo que a pergunta está errada não se aplica aqui.
pjc50
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Measure the instantaneous voltage across the cap with a high input impedance oscilloscope, this will be good enough for practical purposes.

David William lewis
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The input impedance of a typical scope might be 10 MΩ or 100 MΩ. If you read the rest of the discussion on this page, you will find that such an impedance is still far too low.
uint128_t