无电流测量电压

电器工程 电容器 电压测量
2022-01-23 01:03:31

假设我有一个电容器,我想观察它的电荷随时间衰减。我怎样才能做到这一点而不会通过测量影响其放电率?

AFAIK 典型的电压表通过已知电阻运行电流以确定电压,但在此过程中,这会使被测电容器放电。随着复杂性的增加,人们可以降低进行精确测量所需的电流,然后降低测量频率,但在极限情况下,测量仍会消耗一些电压。

在液压类比中,可以通过将弹簧计放在由油箱两侧撞击的活塞上来测量压力(电压)。没有水从一侧流到另一侧,但我们得到了持续的压力读数。

那么是否有一种仪表、机制或电路可以对电容器或其他电源上的电压进行测量?

4个回答

除了简洁的物理解决方案之外,实现此目的的实用方法是在缓冲器配置中运行非常低的输入偏置电流运算放大器。其中一个布局设计合理的运算放大器可以从您的电容中汲取到个位数飞安的电流,从而使干扰几乎可以忽略不计,尤其是在您进行测量时仅将放大器连接到电容时。

模拟传奇 Bob Pease描述了使用这种方法测量聚丙烯盖的泄漏:

现在,我将对一些我最喜欢的低漏电电容器(例如 Panasonic 聚丙烯 1 µF)充电一个小时,最高可达 9.021 V dc(随机电压)。我将使用我最喜欢的高输入阻抗单位增益跟随器(LMC662,Ib 约为 0.003 pA)读取 VOUT,并将其缓冲到我最喜欢的六位数数字电压表 (DVM) (Agilent/HP34401A) 中,并监控一次 VOUT一天了好几天。

[...]

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

浸泡一小时后的第一天,它们的泄漏率高达每天 2.7 mV。不错。

如果您需要自动化这样的设置,一个好的老式簧片继电器基本上可以忽略不计的泄漏(甚至比现代固态模拟开关更好),并且可以用来将您的放大器简单地连接到被测电容器以读取读数.

通常,您需要测量电场的是静电计较旧的金箔验电器通过相同电荷之间的静电排斥来工作,如果由理想材料制成,则不会泄漏任何电荷。

但是,当您真正对微小电流和无电流之间的区别感兴趣时,就会出现大量问题。你所有的实验设备都有一个有限的(但非常大的)阻力。电子会愉快地穿过固体物体。材料中的 Alpha 衰变会产生电荷。杂散电荷随风漂移,或通过场感应电压。

传奇的鲍勃·皮斯(Bob Pease)有一些关于这个主题的好文章:这些特氟龙材料到底是什么?无论如何,这些飞安的东西是什么?

更好的方法将取决于您尝试测量的电压差。您的液压类比也是如此。

但是你的液压类比在另一个方面完全失败了。作用于导体中电子的加速力是由很少的电荷引起的。我认为你不知道导体表面需要多少电子来加速导线中电荷的显着平均速度。如果将电线弯曲成 U 形,弯曲处可能只需要一个或两个额外的电子来完全重新引导安培电流。

您可以测量高电压差,因为电荷差异量达到可以成功应用敏感点(例如,头发状线上的髓球)。在这种情况下,由于非常轻微的活塞弯曲,对电流的影响与液压示例的瞬时影响一样可以忽略不计。

对于小电压,这是行不通的,因为电荷差异非常小,并且与裸导体表面的任何有限距离都会大大降低微小的力。

液压的电子当量是 \$\frac{\textrm{volts}}{\textrm{meter}}\$ 或 \$\frac{\textrm{Newton}}{\textrm{Coulomb}}\$。铜在室温下的传导电子密度约为\$1.346\times 10^{10}\:\frac{\textrm{Coulomb}}{\textrm{m}^3}\$,迁移率约为\$4.5\times 10 ^{-3}\:\frac{\textrm{m}^2}{\textrm{Vs}}\$。假设一根导线的横截面为 \$1\:\textrm{mm}^2\$ 并承载 \$300\:\textrm{mA}\$ 的电流。所需的电场约为 \$5\:\frac{\mu\textrm{V}}{\textrm{mm}}\$。

推动该电流所需的合理距离上的电荷差异可以忽略不计(完全位于导体的裸露表面上),您将无法设置仪器在任何有限距离处测量它。完成这项工作的唯一方法是在某个点在另一个导体的表面添加一个导体,并让这些微小的电荷差异作用在它们的原子尺度上,这样它们不可思议的力也可以推动测量仪器中的电子。简而言之,您需要允许电流流动,因为这是您(在非军事预算水平上)在电子设备中进行这些压力测量的最敏感方式。

当然,考虑类比是件好事。但正如你已经知道的那样,规模也很重要。星系之间的距离和在那个水平上有意义地作用的力与原子之间的距离和在那个水平上有意义地作用的力之间存在巨大差异。放在我们人类可以思考的更具触觉的层面上,对我们行走和获得牵引力很重要的力与作用在果蝇上的力之间存在巨大差异,果蝇可以轻松降落在墙壁表面和天花板,因为与静电荷和粗糙度相比,重力在它们的规模上远没有那么重要。

规模也很重要。

所以这个类比在这里失败了。在电子学中,测量这些极其微妙和微小的力的最佳方法是建立一个可以响应它们的测量系统,这些都是在电路中推动实际电流所需的全部。这意味着允许电流受到影响。没有比这更敏感的了。

也就是说,我将回到这样一个事实,即当且仅当电压差足够大以设置足够的电荷差进行测量时,您仍然可以在没有电流的情况下进行测量。

有几种方法可以在没有电流的情况下测量电压。


首先想到的是压电效应。您需要从电容器中转移足够的电荷才能将晶体充电到相同的电压,但在那之后,将没有电流流动。这是与您的液压压力表最接近的类比;您将从晶体弯曲的量中读取电压。

想想像水晶留声机墨盒这样的东西。几十到几百微米的运动会产生毫伏量级的电压,而这种效应是相反的。显然,你需要某种显微镜来检测运动——从普通的光学显微镜到某种隧道电流显微镜,它确实非常敏感。


对于第二种方法,查看电位器的原始定义,它指的是一个系统,不仅包含我们都熟悉的三端可变电阻,还包含一个精确的电压基准和一个用于测量电流的电流计.

根据定义,当电阻设置为未知电压时,通过检流计的电流为零。

显然,用电位器测量电容器的自放电是有问题的,因为一旦电容器电压下降一点,电位器本身就会开始提供电流给它充电。因此,您必须不断调整电阻器以保持检流计为零。

当然,您可以简单地让系统达到平衡并直接从检流计读取电容器的泄漏电流,假设它具有校准刻度。