Mesurer la tension sans courant

Supposons que j'ai un condensateur et que je souhaite observer sa décroissance de charge au fil du temps. Comment puis-je faire cela sans affecter son taux de décharge par la mesure?

AFAIK, un voltmètre typique fait passer le courant à travers une résistance connue pour déterminer la tension, mais dans le processus, cela déchargerait le condensateur mesuré. Avec une complexité croissante, on pourrait réduire le courant nécessaire pour effectuer une mesure précise, puis réduire la fréquence des mesures, mais dans la limite, les mesures draineront toujours une certaine tension.

Dans l'analogie hydraulique, il est possible de mesurer la pression (tension) en plaçant une jauge à ressort sur un piston heurté par les deux côtés du réservoir. Aucune eau ne coule d'un côté à l'autre, mais nous obtenons une lecture constante de la pression.

Y a-t-il donc un compteur, un mécanisme ou un circuit qui peut le faire pour la tension d'un condensateur ou d'une autre alimentation?

Hormis les solutions physiques soignées, la façon pratique de le faire est d'utiliser un ampli-op à courant de polarisation d'entrée très faible fonctionnant dans une configuration tampon. L'un de ces amplificateurs opérationnels avec une disposition bien conçue peut réduire les femtoamps à un chiffre du courant de votre capuchon, ce qui rend les perturbations à peu près négligeables, en particulier si vous ne connectez l'amplificateur au capuchon que lorsque vous prenez une mesure.

La légende analogique Bob Pease décrit la mesure des fuites d'un bouchon en polypropylène en utilisant cette méthode:

Je vais maintenant charger certains de mes condensateurs à faible fuite préférés (tels que le polypropylène Panasonic 1 µF) jusqu'à 9,021 V cc (une tension aléatoire) pendant une heure. Je vais lire le VOUT avec mon suiveur de gain unitaire à haute impédance d'entrée élevée (LMC662, Ib environ 0,003 pA) et le mettre en mémoire tampon dans mon voltmètre numérique à six chiffres (DVM) préféré (Agilent / HP34401A) et surveiller le VOUT une fois par jour pendant plusieurs jours.

[...]

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

Le premier jour après une heure de trempage, leur taux de fuite atteignait 2,7 mV par jour. Pas mal.

Si vous avez besoin d'automatiser une telle configuration, un bon relais Reed à l'ancienne a une fuite fondamentalement négligeable (mieux que même les commutateurs analogiques à semi-conducteurs modernes) et peut être utilisé pour connecter brièvement votre amplificateur au condensateur sous test afin de prendre une lecture .

Généralement, ce dont vous avez besoin pour mesurer un champ électrique est un électromètre . Les anciens électroscopes à feuille d'or fonctionnent par la répulsion statique entre des charges similaires, et s'ils étaient faits de matériaux idéaux, ils ne fuiraient aucune charge.

Cependant, lorsque vous êtes vraiment intéressé par la différence entre un petit courant et aucun flux de courant, un grand nombre de problèmes apparaissent. Tous vos appareils expérimentaux ont une résistance finie (mais très grande). Les électrons creuseront avec plaisir un court chemin à travers des objets solides. La désintégration alpha dans les matériaux génère une charge. La charge parasite dérive sur les vents ou la tension est induite par le passage des champs.

Le légendaire Bob Pease a de bons articles sur le sujet: Qu'est-ce que c'est que ces trucs en téflon, de toute façon? et qu'est-ce que tout ce truc Femtoampere, de toute façon?

Les meilleures méthodes dépendent de la différence de tension que vous essayez de mesurer. Il en serait de même pour votre analogie hydraulique.

Mais votre analogie hydraulique échoue entièrement sur un autre plan. Les forces d'accélération agissant sur les électrons dans un conducteur sont causées par très peu de charges. Je ne pense pas que vous ayez une idée du peu d'électrons nécessaires à la surface d'un conducteur pour accélérer des vitesses moyennes importantes pour les charges dans un fil. Si vous pliez un fil en forme de U, cela pourrait ne prendre qu'un ou deux électrons supplémentaires au virage pour rediriger complètement les ampères de courant.

Vous pouvez mesurer des différences de tension élevées parce que la quantité de différence de charge atteint le point où la sensibilité (boules de moelle sur un fil semblable à des cheveux, par exemple) peut être appliquée avec succès. Dans ce cas, l'impact sur le courant est tout aussi négligeable que l'impact momentané de votre exemple hydraulique en raison de très faibles flexions du piston.

Pour les petites tensions, cela ne fonctionne pas car la différence de charge est absolument minuscule et toute distance finie par rapport à la surface du conducteur nu réduit considérablement la force minuscule.

$\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}}$

La différence de charge sur des distances raisonnables nécessaires pour impulser ce courant est négligeable (qui réside entièrement sur la surface nue du conducteur) et vous ne seriez pas en mesure de configurer un instrument pour le mesurer à une distance finie. La seule façon de faire ce travail est d'ajouter un conducteur à la surface de cet autre conducteur à un moment donné et de permettre à ces minuscules différences de charge d'agir sur leurs échelles atomiques afin que leurs forces incroyables puissent également impulser des électrons dans votre instrument de mesure. En bref, vous devez permettre à un courant de circuler, parce que c'EST la façon la plus sensible à votre disposition (à des niveaux budgétaires non militaires) pour faire les mesures de pression dans l' électronique.

C'est agréable de penser aux analogies, bien sûr. Mais comme vous le savez déjà, l'échelle est également importante. Il y a une énorme différence entre les distances séparant les galaxies et les forces qui agissent de manière significative à ce niveau et les distances séparant les atomes et les forces qui agissent de manière significative à ce niveau. À un niveau plus tactile que nous, humains, pouvons penser en termes de, il y a une énorme différence entre les forces qui sont importantes pour nous pour marcher et obtenir la traction et les forces qui agissent sur les mouches des fruits, qui peuvent facilement atterrir sur les surfaces des murs et le plafond car la gravité est beaucoup moins importante à leur échelle que la charge statique et la rugosité pour eux.

L'échelle aussi.

Donc, l'analogie échoue ici. En électronique, la meilleure façon de mesurer ces forces extrêmement délicates et minuscules, qui sont tout ce qui est nécessaire pour impulser des courants pratiques dans les circuits, est de mettre en place un système de mesure qui puisse y répondre. Cela signifie que le courant peut être affecté. Il n'y a rien de plus sensible que ça.

Cela dit, je reviendrai sur le fait que vous pouvez toujours effectuer des mesures sans courant si et seulement si les différences de tension sont suffisamment importantes pour configurer une différence de charge suffisante pour mesurer.

Il existe plusieurs façons de mesurer la tension sans flux de courant.

La première chose qui me vient à l'esprit est l'effet piézoélectrique. Vous auriez besoin de transférer suffisamment de charge de votre condensateur afin de charger le cristal à la même tension, mais après cela, il n'y aurait plus de courant. C'est l'analogie la plus proche de votre manomètre hydraulique; vous liriez la tension à partir de la quantité de flexion du cristal.

Pensez à quelque chose comme une cartouche phonographique en cristal. Des mouvements de dizaines à centaines de microns entraînent des tensions de l'ordre du millivolts, et cet effet fonctionne en sens inverse. De toute évidence, vous auriez besoin d'un microscope quelconque pour détecter le mouvement - tout, d'un microscope optique ordinaire à une sorte de microscope à effet tunnel, qui serait en effet très sensible.

Pour la deuxième méthode, recherchez la définition originale de potentiomètre , qui faisait référence à un système qui contenait non seulement la résistance variable à trois bornes que nous connaissons tous, mais aussi une référence de tension précise et un galvanomètre pour mesurer le courant. .

Par définition, le courant à travers le galvanomètre est nul lorsque la résistance est réglée sur la tension inconnue.

Évidemment, l'utilisation d'un potentiomètre pour mesurer l'autodécharge d'un condensateur est problématique, car dès que la tension du condensateur baisse un peu, le potentiomètre lui-même commencera à fournir du courant pour le recharger. Par conséquent, vous devrez constamment ajuster la résistance pour garder le galvanomètre nul.

Bien sûr, vous pouvez simplement laisser le système s'équilibrer et lire le courant de fuite du condensateur directement depuis le galvanomètre, en supposant qu'il a une échelle calibrée.

Si votre tension est suffisamment élevée, vous pouvez utiliser un petit broyeur.

Physicien ici, probablement sur le point de se moquer du site SE pour cette réponse théorique, mais voici:

Pourquoi ne pas mesurer le courant sans pertubation? Idées:

1. Mettez un ampèremètre sur une jambe du condensateur. Intégrez le courant au fil du temps.
2. Recueillez la charge perdue sur un condensateur beaucoup plus grand qui est constamment surveillé.
3. Mesurer le champ électrique à l'intérieur du condensateur (en supposant des plaques parallèles ou une autre géométrie accessible).

De nombreux manomètres basse pression reposent sur l'ionisation de seulement quelques atomes par seconde et mesurent le courant provoqué par les électrons maintenant libres frappant une cathode. Pourquoi ne pas faire l'inverse et utiliser la tension sur le condensateur chargé pour dévier les ions dans un vide poussé et mesurer leur changement de trajectoire?

Vous pouvez utiliser un AD549 (coûte environ 30 EUR) comme suiveur de gain unitaire. La résistivité d'entrée est supérieure à la résistivité d'une isolation de fil standard ou d'un matériau PCB standard dans un circuit typique.

Remarque: Il y a une faute de frappe dans le datashet AD549 (2014) page 9, il devrait être la broche 6 où la broche 5 est imprimée.

Vous devriez rechercher les livres blancs de Keithley (maintenant Tektronix) sur les mesures de courant faible. Malheureusement, le site Web est si peu convivial que je n'ai trouvé aucun moyen de créer un lien.

Si vous avez besoin de quelque chose de plus intelligent, on peut appliquer une tension au condensateur et la réguler pour qu'il n'y ait pas de courant. Mais ce n'est pas anodin et n'a de sens que dans des conditions de laboratoire, avec des fils très silencieux à faible coût, un bon blindage, des températures stables ...

Jetez un œil dans les manuels de

• Nanovoltmètre Keithley modèle 2182A
• Micro-ohms Keysight NanoVolt 34420A

$\Omega$$\Omega$

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

La mesure du condensateur de tension avec un multimètre à haute impédance provoquera la sortie de la charge du condensateur et le multimètre. Le fait que cela faussera ou non vos résultats dépend du reste du circuit et de ce que vous essayez de mesurer.

Notez que les vrais condensateurs ne sont pas idéaux et se déchargeront naturellement avec le temps. Selon le type de condensateur, cette auto-décharge est importante ou non. Les condensateurs à film de haute qualité sont très stables et tiendront la charge pendant des heures ou des jours selon les circonstances. L'électrolyse en aluminium, pas tellement.

$\Omega$$\Omega$

Mesurer la tension instantanée à travers le capuchon avec un oscilloscope à impédance d'entrée élevée, ce sera assez bon pour des fins pratiques.