Messung kleinster Ströme im TestLab

Elektronik-Labor Projekte Mikrocontroller Pico Basic

Hier geht es um Ströme in der der Größenordnung Nanoampere. Gemessen wird der Sperrstrom eine Si-Diode 1N4148 mit dem Rpi Pico und dem MessLab. Die Hersteller machen unterschiedliche Angaben dazu. Am aufschlussreichsten ist das Datenblatt von Vishai. Der Sperrstrom ist stark von der Temperatur abhängig und geringer auch von der Sperrspannung. Der kleinste Sperrstrom liegt bei etwa 4 nA.

Die analogen Eingänge sind extrem hochohmig, sodass die Messung mit einem passenden Shunt-Widerstand von 1000 MOhm möglich wäre. Ein Strom von 1 nA würde dann zu einer Messspannung von 1 V führen. Allerdings ist so ein Widerstand nicht leicht aufzutreiben. Und außerdem wäre die Messung sehr empfindlich gegen äußere Störfelder. Deshalb verwende ich eine andere Methode. Dabei wird ein verlustarmer Folienkondensator mit 10 nF vom Messstrom aufgeladen. Wenn er in 10 s eine Spannung von 1 V erreicht, war der gemessene Strom 1 nA. Ein zusätzlicher Tastschalter wird verwendet, um die Kondensator zu entladen.

Tatsächlich erreicht der Kondensator nach ca. 9 s die Endspannung von 3,3 V. Es wurde also ein mittlerer Strom von ca. 3 nA gemessen. Die Temperatur im Labor war 20 Grad. Die Diode ist also noch etwas besser, als das Datenblatt sagt. Auch die Temperaturabhängigkeit kann leicht gezeigt werden. Diesmal nehme ich den Kathodenanschluss der Diode und den halben Glaskörper zwischen zwei Finger, um sie auf ca. 30 Grad zu erwärmen. Damit verkürzt sich die Ladezeit auf 3,5 s. Der mittlere Ladestrom kann damit zu ca. 7,5 nA bestimmt werden.

Die Messungen decken sich weitgehend mit den Angaben im Datenblatt. Aber es gibt noch einen weiteren Effekt, der dort nicht erwähnt wird. Weil die Diode im Glasgehäuse montiert ist, kann Licht eindringen. Dann arbeitet die Diode wie eine Fotodiode und hat einen vergrößerten Sperrstrom. Das wurde mit eine hellen LED-Lampe getestet. Die Ladezeit ist dabei geringer als 0,1 s. Der Fotostrom betrug also ca. 30 nA..

Die ca. 50 Jahre alten Si-Dioden vom Typ BAY18 von ITT hatten zwar ebenfalls ein Glasgehäuse, waren aber mit schwarzem Lack überzogen. Auch sie wurden untersucht. Der Sperrstrom war mit ca. 2 nA geringer, und es konnte fast keine Lichtempfindlichkeit festgestellt werden. Wenn man den Schutzlack abkratzt, sieht man den inneren Aufbau, der etwas an die älteren Germaniumdioden (ganz oben die AA119) erinnert. Die Dioden wurden seitdem viel kleiner und wesentlich kostengünstiger.

Die BAY18 ist ohne den Schutzlack noch wesentlich lichtempfindlicher als die 1N4148 und verdoppelt ihren Sperrstrom schon bei normaler Umgebungshelligkeit. Hier konnte die Messmethode geändert werden. Es wurde ein Widerstand von 22 MOhm als Shunt eingesetzt. Die Lichtempfindlichkeit der Diode ist offensichtlich richtungsabhängig. Bei einer Umrundung mit der LED-Lampe stieg die Messspannung an einer Stelle bis über 3,3 V, der Fotostrom erreichte also mehr als 0,15 µA bzw. 150 nA.

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