電流なしで電圧を測定

コンデンサがあり、その電荷の減衰を経時的に観察したいとします。測定によって放電速度に影響を与えずにそれを行うにはどうすればよいですか？

私の知る限り、一般的な電圧計は既知の抵抗に電流を流して電圧を決定しますが、その過程で測定中のコンデンサが放電します。複雑さが増すと、正確な測定を行うために必要な電流を減らしてから、測定の頻度を減らすことができますが、限界ではまだ測定によって電圧がいくらか消費されます。

油圧の例えでは、リザーバーの両側に衝突するピストンにスプリングゲージをかけることにより、圧力（電圧）を測定することができます。一方から他方へ水が流れることはありませんが、圧力を常に読み取ることができます。

それでは、コンデンサーやその他の電源の電圧に対してそれを行うことができるメーター、メカニズム、または回路はありますか？

きちんとした物理ソリューションは別として、これを行うための実用的な方法は、バッファ構成で動作する非常に低い入力バイアス電流オペアンプを使用することです。適切に設計されたこれらのオペアンプの1つは、キャップから1桁のフェムトアンペアの電流を引き込むことができるため、特に測定中にアンプをキャップに接続する場合にのみ、妨害をほとんど無視できます。

アナログの伝説的なボブ・ピーズは、この方法を使用したポリプロピレン製キャップの漏れ測定について説明しています。

次に、お気に入りの低リークコンデンサ（Panasonicポリプロピレン1 µFなど）のいくつかを最大1時間、9.021 V dc（ランダム電圧）まで充電します。お気に入りの高入力インピーダンスユニティゲインフォロワー（LMC662、Ib約0.003 pA）でVOUTを読み取り、お気に入りの6桁のデジタル電圧計（DVM）（Agilent / HP34401A）にバッファーし、数日間の日。

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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

1時間浸した後の最初の日、漏れ率は1日あたり2.7 mVでした。悪くない。

このようなセットアップを自動化する必要がある場合、古き良きリードリレーは基本的に漏れがほとんどなく（最新のソリッドステートアナログスイッチよりも優れています）、読み取りを行うためにアンプをテスト中のコンデンサに簡単に接続するために使用できます。

一般に、電界を測定するために必要なのは電位計です。古い金箔電気スコープは、同様の電荷間の静的な反発力によって動作し、理想的な材料で作られていれば電荷は漏れません。

ただし、小さな電流と無電流の違いに本当に興味を持つようになると、多くの問題が発生します。実験装置にはすべて、有限の（ただし非常に大きな）抵抗があります。電子は、幸いなことに固体の物体を短時間でトンネルします。材料のアルファ崩壊は電荷を生成します。浮遊電荷が風に乗ったり、電界を通過することで電圧が誘導されたりします。

伝説のボブ・ピーズには、このテーマに関するいくつかの良い記事があります。このテフロンのものは何ですか、とにかく？そしてすべてのこのFemtoampereスタッフはとにかく、何ですか？

より良い方法は、測定しようとしている電圧差に依存します。同じことが油圧の類推にも当てはまります。

しかし、別の点で油圧のアナロジーは完全に失敗します。導体内の電子に作用する加速力は、ごくわずかな電荷によって引き起こされます。ワイヤーの電荷の平均速度を大幅に加速するために導体の表面で必要な電子がどれだけ少ないかについて、あなたが感じているとは思わない。ワイヤーをU字型に曲げた場合、電流のアンプを完全にリダイレクトするには、曲げで1つまたは2つの余分な電子しか必要ありません。

電荷の差の量は、敏感な（たとえば、髪の毛のような糸の上の球）が正常に適用できるポイントに達するため、高い電圧差を測定できます。この場合、電流への影響は、ごくわずかなピストンのたわみによる油圧の例の瞬間的な影響と同じくらい無視できます。

電圧が小さい場合、電荷の差は非常に小さく、裸の導体表面からの有限距離は微小な力を大幅に減らすため、これは機能しません。

$\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}}$

電流を推進するのに必要な妥当な距離にわたる電荷の差は無視できるほど小さく（導体の裸の表面に完全に存在します）、有限距離離れた場所で測定するための機器をセットアップすることはできません。唯一この作品を作るための方法はいくつかの点で、他の導電体の表面に導体を追加し、その信じられないほどの力は同様にあなたの測定機器で電子を促すことができるようにこれらの小さな充電の違いはその原子スケールに基づいて行動できるようにすることです。これはので一言で言えば、あなたは、電流が流れることを可能にする必要がISエレクトロニクスにおけるこれらの圧力測定を行うために（非軍事予算のレベルで）あなたに利用できる最も敏感な方法。

もちろん、類推について考えるのは良いことです。しかし、すでにご存知のように、規模も重要です。銀河を隔てる距離と、そのレベルで有意に作用する力と、原子を隔てる距離と、そのレベルで有意に作用する力との間には大きな違いがあります。人間が考えることができるより触覚的なレベルに置くと、歩行と牽引を得るために私たちにとって重要な力と、壁の表面に簡単に着陸できるミバエに作用する力との間に大きな違いがありますなぜなら、それらの静電荷と粗さに比べて、スケールは重力がそれほど重要ではないからです。

スケールも重要です。

したがって、ここでは類推が失敗します。電子機器では、回路に実際の電流を流し込むのに必要なこれらの非常に繊細で小さな力を測定する最も良い方法は、それらに応答できる測定システムをセットアップすることです。これは、電流に影響を与えることを意味します。それ以上に敏感なものはありません。

そうは言っても、電圧差が測定するのに十分な電荷差を設定するのに十分な大きさである場合にのみ、電流なしで測定を行うことができるという事実に戻ります。

電流を流さずに電圧を測定するには、いくつかの方法があります。

最初に思い浮かぶのは、圧電効果です。水晶を同じ電圧に充電するには、コンデンサから十分な電荷を転送する必要がありますが、その後は電流が流れなくなります。これは、油圧計に最も近いアナロジーです。水晶がたわむ量から電圧を読み取ります。

クリスタル蓄音機のカートリッジのようなものを考えてください。数十から数百ミクロンの動きは、ミリボルトのオーダーの電圧をもたらし、この効果は逆に作用します。当然のことながら、動きを検出するにはある種の顕微鏡が必要です。通常の光学顕微鏡からある種のトンネル電流顕微鏡まで、これは非常に感度が高いものです。

2番目の方法については、ポテンショメータの元の定義を参照してください。これは、使い慣れた3端子可変抵抗器だけでなく、正確な電圧リファレンスと電流を測定する検流計も含むシステムを指します。 。

定義により、抵抗が未知の電圧に設定されているとき、検流計を通る電流はゼロです。

明らかに、ポテンショメータを使用してコンデンサの自己放電を測定することには問題があります。コンデンサの電圧が少し低下すると、ポテンショメータ自体が電流を供給して再充電するためです。したがって、検流計をゼロに保つために、抵抗を絶えず調整する必要があります。

もちろん、システムが平衡状態になり、キャリブレーションされたスケールがあると仮定すると、検流計からコンデンサの漏れ電流を直接読み取ることができます。

電圧が十分に高い場合は、フィールドミルを使用できます。

ここの物理学者は、おそらくこの理論的な答えのためにSEサイトから笑われそうになっていますが、ここにあります：

なぜ電流を非摂動的に測定しないのですか？アイデア：

1. コンデンサの片足に電流計を置きます。経時的に電流を積分します。
2. 失われた電荷を、常に監視されているはるかに大きなコンデンサに集めます。
3. コンデンサ内の電界を測定します（平行平板またはその他のアクセス可能なジオメトリを想定）。

多くの低圧ゲージは、1秒あたりわずか数個の原子のイオン化に依存しており、自由になった電子がカソードに衝突することによって引き起こされる電流を測定します。なぜ逆にして、充電されたコンデンサの電圧を使用して、高真空でイオンを偏向させ、軌道の変化を測定しませんか？

ユニティゲインのフォロワーとしてAD549（約30ユーロ）を使用できます。入力抵抗率は、一般的な回路の標準ワイヤ絶縁または標準PCB材料の抵抗率よりも大きくなっています。

注：AD549 datashet（2014）9ページにはタイプミスがあり、ピン5が印刷されるのはピン6である必要があります。

低電流測定に関するケースレー（現在のテクトロニクス）のホワイトペーパーを探す必要があります。残念ながら、このWebサイトはユーザーにとって使いにくいため、リンクを作成する方法が見つかりませんでした。

もっとインテリジェントなものが必要な場合は、コンデンサに電圧を印加し、電流が流れないように調整することができます。しかし、これは簡単なことではなく、非常に高価な低ノイズワイヤ、良好なシールド、安定した温度など、実験室の条件下でのみ意味があります

のマニュアルをご覧ください

• ケースレーナノボルトメータモデル2182A
• Keysight NanoVolt Micro-Ohm Meter 34420A

$\Omega$$\Omega$

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

高インピーダンスのメーターで電圧コンデンサーを測定すると、コンデンサーからメーターに電荷が流れ込みます。これが結果を歪めるかどうかは、回路の残りの部分と正確に測定しようとしているものによって異なります。

実際のコンデンサは理想的ではなく、時間とともに自然に放電することに注意してください。コンデンサの種類に応じて、この自己放電は重要であるかどうかに関係ありません。高品質のフィルムコンデンサは非常に安定しており、状況に応じて数時間または数日間充電を保持します。それほど多くないアルミニウム電解。

$\Omega$$\Omega$

高入力インピーダンスのオシロスコープを使用して、キャップ両端の瞬間電圧を測定します。これは実用的な目的には十分です。