Logarithmisches Pico-Amperemeter
Bei der Messung von Stromstärken an
Ionisationskammern, Strahlensensoren und Isolationen hat man es mit
sehr kleinen Strömen im Bereich Picoampere bis Mikroampere zu tun.
Dieses Messgerät misst einen Bereich von ca. 0,1 pA bis ca. 1
µA ohne Umschaltung. Dazu wird die logarithmische Kennlinie einer
Si-Diode ausgenutzt. Die Diodenspannung wird mit einem CMOS-OPAMP
TLC272 gepuffert. Für den ersten Versuch wurde eine Si-Diode
1N4148 verwendet. Allerdings war der kleinste damit messbare Strom noch
immer größer als 10 pA, weil die Diode unterhalb dieses
Stroms von der streng logarithmischen Kennlinie abweicht.
Als
besonders gute Diode mit geringstem Sperrstrom ist die
Gate-Source-Diode eines Sperrschicht-FET BF245 bekannt. Damit
können noch Ströme unter einem pA gemessen werden. Zur
Kalibrierung wurden bekannte Ströme in den Eingang geleitet
und die Spannungen gemessen:
1 µA 580 mV
100 nA 510 mV
10 nA 440 mV
1 nA 370 mV
100 pA 300 mV
Bis
dahin war alles streng logarithmisch. Jede Erhöhung der
Stromstärke um den Faktor 10 erhöht die Ausgangsspannung um
70 mV. Vier Dekaden konnten so direkt überprüft werden. Als
nächstes wurde die Kennlinie gedanklich nach unten verlängert.
10 pA 230 mV
1 pA 160 mV
0,1 pA 90 mV
Versuche
haben dann gezeigt, dass man tatsächlich noch sinnvolle Ergebnisse
unter 1 pA findet. Allerdings muss der gesamte Aufbau zusammen mit dem
Messobjekt sorgfältig gegen äußere Felder abgeschirmt
werden. Dazu verwende ich eine Blechdose mir isolierten
Durchführungen.
Hier einige Ergebnisse:
Ionisationskammer mit Uran-Pechblende: Ca. 1 pA (Einzelne Alpha-Impulse werden messbar)
BPW34 bei absoluter Dunkelheit: Ca. 10 pA (und nicht wie gehofft ca. 2 pA)
Grüne LED an 40 V: Kleiner als 0,1 pA
(Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass man eine LED statt des FET als Stromsensor nutzen könnte)
Durchgebrannte Glühlampe: Ca. 100 pA,
(Allgemein ist Glas ein schlechter Isolator, scheint Feuchtuigkeit zu binden, Erhitzen verringert den Strom vorübergehend)
Durchgebrannte Halogenlampe: Ca. 0,1 pA
(Quarzglas isoliert wesentlich besser als Glas)
Messungen des Dunkelstroms der BPW34 von Manfred Bromba
Die 10 pA für eine BPW34 kamen mir sehr niedrig vor, wenn auch nicht
unmöglich. Die Datenblätter von Osram und Vishey geben als typischen
Wert bei 25°C einen Wert von 2 nA an. Ich vermute allerdings auch, dass
der Wert in Wirklichkeit niedriger liegt. Ich vermute weiterhin
folgende signifikante Reihung mit ansteigendem Dunkelstrom: Vishey,
Osram aktuell, Osram 35 Jahre alt. Die Vishey erkennt man daran, dass
der Bondfleck in der Seitenmitte des Chips sitzt und nicht in einer
Ecke.
Da ich den BF245 nicht mehr bekomme, habe ich eine NPN-Transistor-Diode
verwendet, um das Picoamperemeter mit dem TLC272 nachzubauen. Hier das
Ergebnismit mit einem BC549C, gemessen mit richtigen Widerständen bis
132 M. Ohne Widerstand ("unendlich") komme ich im Leerlauf auf 70 mV
(mit 180 pF Folie parallel zur Diode auf noch weniger) - ist aber
natürlich reiner Blindflug, aber die Richtung 1 pA und weniger passt.
(In dem Zustand kann man die Schaltung auch als Richtungs- und
Annäherungsdetektor hernehmen.)
Kollektor habe ich offen gelassen, Kurzschluss mit Emitter verringert
die Diodenspannung nur unwesentlich. Außerdem scheint eine Vertauschung
von C und E keinen großen Effekt zu haben.
Erst dachte ich an einen groben Messfehler, denn die BE-Spannungen
passten überhaupt nicht zu einer anderen Messung, die ich im
Zusammenhang mit der Verstärkungsbestimmung gemacht hatte. Dann schnell
mal den Kollektor über einen Widerstand mit Plus verbunden, und schon
stieg die Spannung um 100 mV - war eigentlich auch zu erwarten. (Die 70
mV pro Dekade passen aber in allen Fällen.) Die BE-Spannung ist bei mir
etwas kleiner, der BC549 ist wohl etwas gröber strukturiert als der
BF245 und damit vielleicht nicht ganz so gut geeignet. Aber mit der
1N4148 kann er es allemal aufnehmen: Für die Leckströme eines weiteren
BC549 in Sperrrichtung ist die Schaltung nicht empfindlich genug - oder
mein Aufbau per Steckbrett. Wäre auch schlecht, denn für meinen noch
ausstehenden Vorstromversuch erwarte ich wenige Picoampere als
Kollektorstrom!
Hier noch einige Dioden"mess"werte bei 5 Volt Versorgung:
1N4148: 3 nA
1N5817: 1 µA
1N4007: 2 nA
Die BPWs habe ich auch schon durchgemessen, bin aber nicht glücklich
mit der Reproduzierbarkeit der Messung. Das Steckbrett wanderte in
einen geerdeten Kochtopf. Energie und Messung blieben außerhalb.
Lichtabschluss mittels Kissen und Raumabdunklung. Letzte Messung:
Vishey: 239 mV >>> 60 pA
Osram neu: 252 mV >>> 100 pA
Osram alt: 280 mV >>> 400 pA
Nachdem ich das Netzteil zur Energieversorgung durch eine Batterie
ersetzt habe, geht die Leerlaufspannung ("unendlicher" Widerstand" =
kein Messobjekt angeschaltet) nach etwas Warten bis auf 0 mV runter
(statt 70 mV). Die Messungen sind stabil reproduzierbar, wenn man das
Steckbrett samt Batterie in einen hohen Edelstahltopf packt, der jetzt
mit der internen Masse zu verbinden ist. Es schauen dann nur noch die
kurzen Messstrippen für das Voltmeter raus. Spannungen unter 200 mV
(< 10 pA) brauchen einige Zeit bis die ganzen parasitären
Kapazitäten im pF-Bereich umgeladen sind.
