Ich denke seit einiger Zeit über den Selbstbau eines Picoamperemeters
nach.
Ziel: Möglichst gute Auflösung bei brauchbarer Genauigkeit. Budget~100€
Warscheinlich wird es nie benutzt werden, es geht nur darum sowas gebaut
zu haben.
Dazu hätte ich jetzt ein Paar Fragen:
Die Grundlegende Idee war Einen Schunt zu nehmen, die Darüber abfallende
Spannung mittels Opamp Verstärken und dann per ADC/MC an ein Display
geben.
Opamps gibt es zu erschwinglichen Preisen (LMP7721) mit 3fA Input Bias
Current, also kein Problem, Offset Spannung lässt sich ja kompensieren.
Jetzt hätte ich für den untersten (wahrscheinlich problematischten)
Messbereich an einen 100MOhm Shunt gedacht, Messbereich von
30-200fA(macht am unteren Messbereichsende 10% Fehler durch den Input
Bias Current).
Hat bei solchen Wiedertänden der Widerstand des FR4 schon einen
Nennenswerten Einfluss?
Um Rauschen zu veringern und Tempereaturdrifft auszuschalten
(interessant wohl nur für höhere Messbereiche bei denen der Input Bias
Current nicht alles kaputtmacht) hatte ich daran gedacht den ganzen
Aufbau auf -10°C zu Kühlen.
Kann man die Bauteilwerte dann einfach mit den Temperaturkoeffizienten
ausrechnen?
someone schrieb:> Die Grundlegende Idee war Einen Schunt zu nehmen
Vergiss es, das Widerstandsrauschen wäre grösser als dein Messwert.
Nimm einen Elektrometer-OpAmp als Transimpedanzverstärker, auf deine
nötige Bandbreite begrenzt.
> Kann man die Bauteilwerte dann einfach mit den Temperaturkoeffizienten> ausrechnen?
Den wichtigen Parameter, den Eingangsstrom, grössenordnungsmässig schon,
er hängt bei CMOS stark von der Temperatur ab.
> Hat bei solchen Wiedertänden der Widerstand des FR4 schon einen> Nennenswerten Einfluss?
Ja, der Eingang muss mit guard-Leitungen umgeben werden, oder
freifliegend in der Luft, das IC Gehäuse muss geputzt werden.
Das alles findet man in den AppNotes der üblichen Elektrometer-OpAmps,
warum fragst du ?
someone schrieb:> Um Rauschen zu veringern und Tempereaturdrifft auszuschalten> (interessant wohl nur für höhere Messbereiche bei denen der Input Bias> Current nicht alles kaputtmacht) hatte ich daran gedacht den ganzen> Aufbau auf -10°C zu Kühlen.> Kann man die Bauteilwerte dann einfach mit den Temperaturkoeffizienten> ausrechnen?
Das Rauschen hat was mit der absoluten Temperatur T zu tun. Wenn man mit
260K anstatt mit 290K arbeitet, bringt das wenig Unterschied, im
Vergleich zum Aufwand.
Eine Temperatur von -10C konstant zu halten, wegen der Drift, ist bei
weitem schwieriger als einen Wert von z.B. 30Grad konstant zu halten.
Wenn man dann genau messen will, muss die gesamte Anordnung, Messobjekt
und Messgerät die gleiche Temperatur haben, sonst fängt man sich jede
Menge Thermo-Störspannungen ein.
Die tiefere Temperatur wird sich am ehesten auf den Betrag des
bias-current auswirken, denn je kälter, desto weniger Leckstrom.
btw: Was haben die Bauteilwerte mit den Temperaturkoeffizienten zu tun?
Erst einmal die Beuteilwerte bestimmen, dann per
Temperaturkoeffitzienten den möglichen Messfehler.
Solch kleine Ströme misst man normalerweise nicht mit shunts, sondern
mit Strom-Spannungs-Umsetzern, die z.B. einen nach Masse fließenden
Strom aufnehmen und per Op-Amp in Spannung umsetzen.
Die Schaltung einfach mit Shunt ist eher nicht so ideal. Die bessere
Wahl für so kleine Ströme ist eher ein Transimpedanzverstärker. In der
Transimpedanzverstärker-schaltung sind Offsetspannungen weniger wichtig,
und man kann ggf. einen Widerstand über einen größeren Bereich nutzen.
Bei den kleinen Strömen werden auch Kriechströme auf der Platine wichtig
- da kann es helfen Gard Ringe zu nutzen, oder halt die wenigen
kritischen Punkte nicht auf der Platine, sondern mehr oder weniger frei
schwebend zu haben, ggf. mit extra gut isolierten Lötstützpunkten oder
sowieso nötigen kleinen Kondensatoren als mechanische Stütze.
Das Kühlen der Schaltung ist so eine Sache: eine kalte Schaltung zieht
Feuchtigkeit an, was zu mehr Kriechströmen auf den Oberflächen führt.
Wenn schon sollte man dann Kühlen und trocknen kombinieren, oder den
Aufbau dann wirklich luftdicht und trocken haben. Bis man die 3 fA des
genannten OPs erreicht braucht es auch so schon einiges an Aufwand. Eine
Herausforderung ist es dabei die Schaltung vor ESD und HF Einfluss zu
schützen, ohne große zusätzliche Leckströme.
> Aufbau auf -10°C
Dazu muss der Verstärker und das Peltier-Element in ein luftdicht
verschweißtes Gehäuse um Betauung zu verhindern. Die Luft im Gehäuse
muss natürlich vorher durch Argon ersetzt werden.
someone schrieb:> Hat bei solchen Wiedertänden der Widerstand des FR4 schon einen> Nennenswerten Einfluss?
Ja, FR4 ist in diesem Wertebereich so leitfähig, dass sinnvolle
Messwerte garnicht erreicht werden können. Da brauchts andre
Isolierstoffe (PTFE) und keinen Aufbau auf Leiterplatte sondern "in
Luft".
Die von Marek genannten Quellen solltest Du Dir mal zu Gemüte führen.
Auf FR4 kann man sowas nicht aufbauen. Bzw. man muß verhindern, daß die
Bauteile mit der Platine in Berührung kommen. Eine Technik dazu sind
Keramikabstandshalter. Diese werden auf die Platine gelötet und auf die
Abstandshalter dann wiederum die Bauelementverbindungen, so daß die
Bauelemente ansonsten freischwebend montiert sind.
Klingt auf jeden Fall nach einem spannenden Projekt, bei dem man
verdammt viel lernen kann.
Ob der OPV der geeignete ist wage ich zu bezweifeln. Die Offset-Spannung
ist ein gravierendes Problem dabei. Da hilft auch kaum ein Abgleich.
Aber probiers aus.
Präzisionshunts (1-5%) gibt es bis 1 Teraohm. Das sollte man ausnutzen
und würdest Du auch unbedingt brauchen für den gewählten OPV. Bei 200 fA
Stromfluß fallen am 100 Megaohm Widerstand nur 20 Mikrovolt ab.
Kühlen ist eine sehr gute Idee, insbesondere der OPV wird es Dir mit
noch geringeren Offset- und BIAS-Strömen danken. Wenn Du kühlst würde
ich auf jeden Fall einen präziseren OPV aussuchen, der bei
Raumtemperatur dann mehr Offsetstrom hat. Diese Ströme gehen aber extrem
runter beim Kühlen.
Den vom TO benannten OP hat ein Arbeitskollege von mir in einem
Tunnelmikroskop benutzt, um sehr kleine Ströme im 200fA-Bereich von
speziellen Solarzellen zu untersuchen. Die Schaltung war eine
Freiverdrahtung auf kleinstem Raum, die wir in ein geschirmtes
Metallgehäuse eingebaut haben. Es war damit möglich, gewisse aktive
Bereiche auf der Solarzellenoberfläche zu untersuchen. Ist durchaus
möglich, sowas auf die Beine zu stellen.
In dem Kontext gibt es ein paar Sachen im Internet zu finden, wenn man
nach in Richtung 'femtoampere transimpedance amp' sucht.
ernst oellers schrieb:> eevblog ucurrent suchen und staunen was da kommt. Wer zu spät> kommt...> (M. Gorbatschow)
Nun ja, das ist eine Schaltung für verhältnismäßig große Ströme. Unser
Bastler strebt hier ganz andere Dimensionen an.
Grad ein Keithley 602 für wenig Geld bekommen. Noise ist irgenwas im
femtoampere-Bereich nach Manual. Vermutlich viel billiger, sowas
ähnliches in der Bucht für wenig Geld zu holen und restaurieren, anstatt
mit mieseren Specs (die Widerstände da drin krigste gar nicht so
einfach, wenn überhaupt) selbst zu entwickeln.
Ich würde auch bei Keithley schauen, die sind normal die erste Adresse
was solche Messgeräte angeht.
Schau Dir mal die neuesten Geräte an, von denen noch vollständige
Schaltpläne veröffentlicht wurden. Ich hab z.B. ein Keithley 486, zu dem
gibts noch die Schaltpläne. Nachfolger war dann glaube ich das 6485,
dazu gibts dann keine Schaltpläne mehr.
Die neuesten Geräte deshalb, weil da die Chance größer ist daß es die
Teile noch zu kaufen gibt.
Aus den Schaltplänen und Funktionsbeschreibungen kannst Du einiges
lernen.
Lothar S. schrieb:> *Ein Picoamperemeter bauen wollen aber so ein Angebot voll übersehen.
was ist an dem LM4250H jetzt so toll, daß man den unbedingt in sein
Picoammeter einbauen sollte?
Ich finde bei dem eher daß die Offsets Größenordnungen danebenliegen.
Marek N. schrieb:> Dann halt eben den hier: Youtube-Video "EEVblog #406 - Keithley> 480 Picoammeter Teardown & Calibration"
Ja sehr nützliches Video, da sieht man auch die freitragende Montage.
Dazu die Anleitung mit dem Schaltplan:
http://www.ko4bb.com/Manuals/09)_Misc_Test_Equipment/Keithley/Keithley_Model_480_Picoammeter_Complete.pdf
Mit einem geeigneten OPV kannst Du Dir die JFET-Eingangsschaltung
ersparen.
Der von Dir gewählte passt da gut. Als Alternative will ich aber noch
den OPA376 in den Raum schmeißen. Sehr niedriges Stromrauschen von 2
fA/SQR(Hz) und 200 fA typischen BIAS und Offsetstrom. Das ist zwar mehr
als der LMP7721, aber ausreichend gering. Dafür aber sehr präzise mit
typischerweise 5 Mikrovolt Offset und maximal 25 Mikrovolt.
Aber vielleicht ist in dieser Schaltungsweise wie sie Keithley anwendet
auch der LMP7721 besser, Du willst ja auch noch in den fA-Bereich
runter.
Solltest Du aber bei der Shunt-Schaltungsweise bleiben wirst Du mit dem
LMP7721 sicher nicht glücklich, wenn Du die Shunts nicht wesentlich
größer dimensionierst.
someone schrieb:> Ich denke seit einiger Zeit über den Selbstbau eines Picoamperemeters> nach.> Ziel: Möglichst gute Auflösung bei brauchbarer Genauigkeit. Budget~100€> Warscheinlich wird es nie benutzt werden, es geht nur darum sowas gebaut> zu haben.
Was soll das?
Wen es nie benutzt werden soll, warum willst du das für 100 EUR bauen?
Gib mir die 100 EUR und es passt :-)
someone schrieb:> Ich denke seit einiger Zeit über den Selbstbau eines Picoamperemeters> nach.> Ziel: Möglichst gute Auflösung bei brauchbarer Genauigkeit. Budget~100€> Warscheinlich wird es nie benutzt werden, es geht nur darum sowas gebaut> zu haben.
Eine solche Meßschaltung habe ich mal als Praktikumsthema vor 35Jahren
gebaut.
Allerdings nicht einfach so, sondern als Highside-Messung mit einem
Spannungsbereich von ca. +/-90V und Auflösung bis unter pA.
Messshunt war ein 10MOhm Präsisionswiderstand.
Als Quelle zum Testen hatte ich z.B. Widerständ mit 10GOhm und 1TOhm
(letzteren in Glas gekapselt).
Mit der damals verfügbaren Bauelementebasis der DDR war das schon
sportlich, aber man kann es machen, wenn man alle Dreckeffekte
unterbindet, die da so auftreten und ich kann dir berichten, dass es da
Dreckeffekte gibt, die du nicht kennst und dir nicht vorstellen kannst.
Dabei sind die Isolationswiderstände auf FR4 das geringste Problem, weil
man solche Schaltung eh nur mit aktiv getriebene Guardleitungen aufbauen
sollte. Damit spielen diese keine Rolle mehr.
Allerdings, wenn man Oberflächen sauber und trocken hält, kommt da auch
so schnell kein messbarer Strom zustande.
> Die Grundlegende Idee war Einen Schunt zu nehmen, die Darüber abfallende> Spannung mittels Opamp Verstärken und dann per ADC/MC an ein Display> geben.
Kann man machen.
Wenn du der Einfachheit halber eine Schaltung mit Shunt gegen Masse
nutzten kannst, hält sich der Aufwand in Grenzen.
Wichtig ist vor allem ein sauberer Aufbau.
Die heiße Leitung am IC z.B. in der Luft verdrahten und nicht dicht an
andere Pins.
> Opamps gibt es zu erschwinglichen Preisen (LMP7721) mit 3fA Input Bias> Current, also kein Problem, Offset Spannung lässt sich ja kompensieren.
Ja, wenn man die Temp. gut konstant hält.
Allerdings nicht kalt, sondern besser warm, weil es dann auch eher
trocken bleibt.
> Jetzt hätte ich für den untersten (wahrscheinlich problematischten)> Messbereich an einen 100MOhm Shunt gedacht, Messbereich von> 30-200fA(macht am unteren Messbereichsende 10% Fehler durch den Input> Bias Current).
Solange die Temp. konstant bleibt, geht das so halbwegs.
Bedenke aber auch die Offsetspannung.
10fA über 100MOhm, das ergibt auch nur 1uV.
Mit Temp.-Drift über 1uV/K wird das auch sportlich.
Man kann den Offset aber ja jederzeit neu abgleichen.
Dazu kommen einige 10uV/K Thermospannungen.
Ungleichmäßige Erwärmungen oder sogar Hotspots in der Nähe deiner
Messschaltung lassen das Signal kräftig wegdriften.
> Hat bei solchen Wiedertänden der Widerstand des FR4 schon einen> Nennenswerten Einfluss?
Nein, wenn alle Schirmungen und Guardleitungen getrieben sind.
-> siehe Datenblatt zu deinem OPV.
> Um Rauschen zu veringern und Tempereaturdrifft auszuschalten> (interessant wohl nur für höhere Messbereiche bei denen der Input Bias> Current nicht alles kaputtmacht) hatte ich daran gedacht den ganzen> Aufbau auf -10°C zu Kühlen.
Das ist eher eine Schnappsidee.
Wenn schon Thermostatierung, dann besser warm.
Rauschen und Störungen vor allem mit Tiefpass befiltern.
> Kann man die Bauteilwerte dann einfach mit den Temperaturkoeffizienten> ausrechnen?
Alles was an Parametern bekannt ist, kann man auch in Kalkulationen
aufnehmen.
Gruß Öletronika
Uwe M. schrieb:> Nein, wenn alle Schirmungen und Guardleitungen getrieben sind.
Guard-Leitungen sind auch nicht ideal. Ein Fehler am OpAmp-Ausgang
koppelt damit in die Eingangsleitung und zieht die, woraufhin sich das
Potential der Guard-Leitung weiter verändert, die Spannungslage kann
damit erheblich verschoben werden und die Shcaltung gleubt immer noch
alles wäre stabil. Besonders ärgerlich weil die Grösse und Richtung der
Spannung von der ersten Einstreuung abhängt, also Zufall ist.
Besser als Guard ist immer noch Teflon oder freifliegend und kurz.
> 10fA über 100MOhm, das ergibt auch nur 1uV.
Daher ist die Transimpedanzschaltung mit Spannungsteilerrückkopplung
besser.
100MOhm haben bei 20 GradC schon 12uV thermische Rauschspannung bis
100Hz, gar 180uV bis 20kHz, also ist Bandbreitenbegrenzung
lebenswichtig.
Peter R. schrieb:> Die tiefere Temperatur wird sich am ehesten auf den Betrag des> bias-current auswirken, denn je kälter, desto weniger Leckstrom.
Als pauschale Aussage würde ich das nicht stehen lassen. Betrachtet man
mal den Eingangsstrom von Elektrometerverstärkern über ihre Temperatur,
so gibt es dort große Unterschiede:
Beim AD549 sinkt der Eingangsstrom unterhalb von 25°C nicht weiter ab.
(Figure 25) Beim LM6001 verhält es sich ähnlich - wirklich große
Änderungen passieren unterhalb von 30°C nicht mehr.(Figure 3) Anders
hingegen beim OPA128 und OPA129. Hier kann man mit kühlen noch bis etwa
-20°C einiges heraus holen.
Der LMP7721, den der TO benutzen will, ist diesbezüglich überhaupt nicht
weiter spezifiziert. Mal ganz abgesehen davon weist der LMP7721 ein sehr
großen Stromrauschen auf (10fA/VHz). Die anderen genannten OPVs kommen
hier teilweise auf ein Hundertstel.
> was ist an dem LM4250H jetzt so toll, daß man den unbedingt in sein> Picoammeter einbauen sollte?
Ich käme nie auf die Idee so ein Teil selbst zu bauen da ich nicht
wirklich in der Lage bin die dazu nötigen Bauteile zu beschaffen.
Wie wohl die Meisten hier im Forum... .
Grüße Löti
Lothar S. schrieb:> da ich nicht> wirklich in der Lage bin die dazu nötigen Bauteile zu beschaffen.> Wie wohl die Meisten hier im Forum... .
Wie, du bist nicht in der Lage bei RS, Farnell, Digikey, Mouser oder
irgend einem anderen größeren Versender ein paar GOhm Widerstände und
einen der genannten OPVs in den Warenkorb zu legen? Lediglich
Triax-Stecker gibt es nicht bei allen. Aber auch die sind beschaffbar
über Mouser oder Digikey.
> Wie, du bist nicht in der Lage bei RS, Farnell, Digikey, Mouser oder> irgend einem anderen größeren Versender ein paar GOhm Widerstände und> einen der genannten OPVs in den Warenkorb zu legen?
Wenn es so einfach wäre könnte es jeder.
Nur, so einfach is' es aber nicht... .
Grüße und nix für ungut Löti
Lothar S. schrieb:> Geht auch einfacher:> LM4250H Datenblatt:> Wieso finden die Helden* so was eigentlich nicht ohne Hilfe.> *Ein Picoamperemeter bauen wollen aber so ein Angebot voll übersehen.Lothar S. schrieb:> Ich käme nie auf die Idee so ein Teil selbst zu bauen da ich nicht> wirklich in der Lage bin die dazu nötigen Bauteile zu beschaffen.
Du meinst wohl, weil Du nicht fähig bist, nichts weisst.
Ein Picoamperemeter bauen wollen mit einem OP mit nA Eingangsstrom.
Das Einzige, was Du kannst, ist stänkern und pöbeln.
Und arrogant dümmliche Rat-Schläge verteilen.
Anbei mal eine Aufnahme meines vor wenigen Tagen zusammengeschusterten
Messkopfs. OPV ist ein LMC6001A mit einem 1GOhm Widerstand in der
Rückkopplung und einem 680pF Kondensator parallel dazu, was einer
Grenzfrequenz von 0,23Hz entspricht. Der OPV wird mit zwei gestapelten
Präzisionsbuchsen angehoben, während der "heiße" Draht mit einer
einzelnen Buchse angeschlossen ist. Die Masse ist Sternförmig verdrahtet
und der Guardanschluss der Triaxbuchse somit nur passiv angeschlossen.
Der LMC6001A weißt bei Raumtemperatur einen Bias Current von maximal
25fA auf. TI schreibt sogar, dass alle Exemplare, welche 25fA beim Test
erreichen ausgesondert werden. Bei offenen Eingang kann der Bias Current
nur durch den Rückkopplungswiderstand abfließen, sodass man auf die
Weise den Bias Current messen kann. Bei konnte ich zu keinem Zeitpunkt
einen Wert über 24µV messen, was -24fA entspricht. Ganz am Anfang lag
der Wert des Bias Current im Bereich von -20 bis -24fA. Jetzt nach ein
paar Tagen ist der Wert auf etwa -13 bis -17fA gedriftet. Die
Schwankungen kommen vor allem durch das niederfrequente Rauschen. Bis
jetzt waren alle Ergebnisse im Bereich dessen, was man durch die
Toleranzen erwarten konnte. Um noch bessere Messwerte zu bekommen muss
ich mir aber erst einmal ein paar 10GOhm und 100GOhm Widerstände
besorgen.
Bei der Versorgungsspannung mit +-7V sind Messungen bis +-7nA möglich.
Man kann also sehen, dass kein Voodoo oder der gleichen nötig ist um so
ein Messsystem zu realisieren. Es ist eben nur kein alltägliches
Problem.
Lothar S. schrieb:> Wenn es so einfach wäre könnte es jeder.> Nur, so einfach is' es aber nicht...
Das ist aber keine Frage der Bauteile. Ich habe hier ein professionelles
Picoamperemeter von Keithley, da sind entgegen deiner dummen
Verschwörungstheorien keine geheimen Bauteile von der Ärea51 drin,
sondern das Ding ist nur mit dem nötigen Knowhow und sorgfältig
aufgebaut, z.B. sind die wesentlichen Leitungen freischwebend und nicht
auf der LP.
Wer kann der kann, dass du da nicht dazugehörst, nehmen wir zur
Kenntnis, es überrascht aber sicher niemanden.
Georg
Wenn das Ding ein paar Stunden in Betrieb ist für die Messung - ohne
großen Temperaturschwankungen ausgesetzt zu sein - sind die
Thermospannungen ja nicht sooo riesig. Aber deswegen habe ich ja auch
geschrieben, dass ich Widerstände mit höheren Werten brauche um solche
Geschichten noch besser ausschließen zu können.
> -13 bis -17fA
also etwa 100 Elektronen pro Millisekunde
Nicht wirklich viel wenn man bedenkt das Silizium ein Halbleiter ist,
wir beim "Isolierstoff" FR4 längst am Anschlag sind und die Abstände auf
dem Chip irgendwas zwischen µm und nm.
>Messbereich an einen 100MOhm Shunt
Die Dimensionen sind echt ungewohnt. 10MOhm nehme ich zum Spannung
messen. 100M hab ich noch nie verbaut und ein Shunt hat meist 1mOhm
abwärts.
fröhliches basteln
Hauspapa
Christian L. schrieb:> Der OPV wird mit zwei gestapelten Präzisionsbuchsen angehoben, während> der "heiße" Draht mit einer einzelnen Buchse angeschlossen ist.
Ich hätte da mal beherzt den heissen Pin waagerecht gebogen und es bei
einer Präzisionsfassung belassen.
Selbst der handelsübliche LMC6482 hat so niedrige Eingangsströme, in der
A Version nicht vom LMC6001 zu unterscheiden.
Einfache Picoamperemeterschaltung im Datenblatt vom CA3240.
Peter R. schrieb:> Eine Temperatur von -10C konstant zu halten, wegen der Drift, ist bei> weitem schwieriger als einen Wert von z.B. 30Grad konstant zu halten.
Das mußt du mal erklären. Wessen Drift meinst du?
Übliches Vorgehen wäre eine Kühlung auf etwas unter -10°C und dann per
Heizung auf -10°C zu regeln. Warum soll das schwieriger sein, als 30°C
konstant zu halten.
Eine Regelung auf -10 C wäre wohl eine Peltierelement. Da ist
Prinzipbedingt die Zeitkonstante relativ kurz, und über Luftwirbel auf
der warmen Seite bekommt man auch leicht Störungen rein. Mit erst
runter, und dann noch einmal 1-5 K hoch kann man auch -10 C stabil
erzeugen.
Das 2. Problem ist, das man bei -10 C leicht Probleme mit Kondenswasser
bekommt. Da wird dann der luftdichte, aber gut elektrisch isolierte
Aufbau nicht ganz einfach. Mit erst runter und dann wieder hoch (eher 0
C, als -10 C) könnte es ggf. auch gehen. Der Aufwand ist aber viel
größer als mit der einfachen Schaltung. Kühlen reduziert die Leckströme
im Silizium, führt aber über die Feuchtigkeit bzw. nötig Abdichtung eher
zu mehr Leckströmen im Kunststoff bzw. an den Oberflächen.
Der nächste schritt wäre eher das Gehäuse zu schließen und Trockenmittel
rein, damit die Luftfeuchte unter 40% bleibt. Auch ein selektieren der
Chips könnte man ggf. noch machen. In dem Bereich würde ich größere
Exemplarstreuungen erwarten. So teuer sind die OPs nicht, und ein paar
zu tauschen (nach ESD) braucht man ggf. sowieso.
Thermospannungen sind eher nicht das Problem - das Problem sind eher der
nicht so gute TK des OPs und Luftwirbel. Von daher sollte man den OP
eher nicht mit hoher Spannung betreiben, um die Verlustleistung klein zu
halten (das reduziert ggf. auch die Leckströme). Für mehr Spannungshub
könnte man einen 2. OP dahinter schalten (den Kondensator aber weiter
vom 1. OP)
Schaut euch mal die Taupunkt-Tabelle an.
http://www.brillux.de/produkte/kat1/pm-pdfs/de/pm0t01.pdf
Bei -10°C betaut es bei praktisch jeder Luftfeuchtigkeit die wir in
Deutschland haben. Kühlen auf auf -10°C ist somit nur in einem
luftdichten Gehäuse möglich das normalerweise mit Argon gefüllt wird. Da
der Fragesteller von dieser Technologie meilenweit entfernt ist kann er
sich die -10° abschminken. Beim Wort Peltier bekommen viele leuchtende
Augen und schalten ....
Lothar S. schrieb:> Du kannst aber wohl nicht.
Was für eine intelligente Retourkutsche. Ganz dein Niveau. Und so
sorgfältig und sachlich begründet.
Georg
Nur aus Interesse schrieb:> Wozu braucht man sowas?
Im Hobbybereich eher selten - vor allem Messungen im fA Bereich. Aber pA
und nA Messungen kann man schon zum selektieren von Bauteilen nutzen.
Außerdem lernt man dabei sehr viel.
Marius S. schrieb:> Hier noch ein interessantes Teardown von Dave:
Interessant hierbei ist, dass man im Strommessbereich keine Widerstände
im GOhm Bereich findet, sondern nur zwei große 10MOhm Widerstände. Die
Auflösung liegt bei 10fA bzw. 100nV im Spannungsmessbereich. Der ADC für
beide Größen ist jeweils der gleiche Typ. Wenn man also davon ausgeht,
dass der Strommessbereich die gleiche Spannungsauflösung der generierten
Spannung besitzt, wie der Spannungsmessbereich, ergibt sich aus den 10fA
und den 100nV ein Messwiderstand von 10MOhm. Agilent kommt also mit
handelsüblichen Werten bei der Produktion aus - und das nur, weil sie
ihre Spannungsmessung so gut im Griff haben - trotz der Abwärme des
Leistungsteils.
Christian L. schrieb:> Im Hobbybereich eher selten - vor allem Messungen im fA Bereich. Aber pA> und nA Messungen kann man schon zum selektieren von Bauteilen nutzen.
Da reicht oft ein einfacher 7106 aus. Der Eingang ist da erstaunlich
hochohmig.
Nur aus Interesse schrieb:> ...mal rein aus Interesse: Wozu braucht man sowas?
Z.B. Verstärker für Photodioden an der Grenze zur Dunkelheit. Messung
des Dunkelstroms. Sperrstrommessungen an hochwertigen Dioden.
Georg
Georg schrieb:> Nur aus Interesse schrieb:>> ...mal rein aus Interesse: Wozu braucht man sowas?>> Z.B. Verstärker für Photodioden an der Grenze zur Dunkelheit. Messung> des Dunkelstroms. Sperrstrommessungen an hochwertigen Dioden.>> Georg
Ionisationkammer
> Und so sorgfältig und sachlich begründet.
Wenn Du das von Dir angegebene Wissen hättest würdest Du so eine
Begründung gar nicht benötigen.
Das Du nach ihr frägst offenbart Dein beträchtliches Unwissen.
Ansonsten beantworte ich in diesen Thread, mit Absicht, keine Fachfragen
da es sich hierbei auch um eine gut getarnte Art von Industriespionage*
handeln könnte. Deshalb auch meine erste Antwort:
> So frägt man die Leut' aus.
Die neun Minuspunkte darauf zeigen mal wieder wie "wohlüberlegt" nicht
wenige in diesen Forum agieren und urteilen.
Grüße und nix für ungut Löti
*woher wohl?
Lothar S. schrieb:> da es sich hierbei auch um eine gut getarnte Art von Industriespionage*
Sowas absurdes liest man selbst hier selten: jemaden namens löti
ausspionieren, der die blödesten Beiträge überhaupt liefert und seine
mangelnden Fachkenntnisse immer wieder selbst demonstriert. Du ziehst
das Niveau der Beiträge hier so nach unten wie ein Baby im Seniorenheim
das Durchschnittsalter.
Was soll denn ein Industriespion mit deiner "Erkenntnis" anfangen, dass
man Bauteile für handelsübliche Messgeräte angeblich nicht kaufen kann?
Mehr hast du ja nicht beigetragen.
Georg
Lothar S. schrieb: [unfassbar schwachsinniges]
Es war ein harter Tag und dein Posting hat mir einen entspannenden
Lachanfall bereitet! Danke Löti und deshalb +1 von mir...
Irgendwie bin ich jetzt auch auf den Geschmack gekommen mir ein
Picoamperemeter zu bauen. Erstens ist es verhältnismäßig einfach,
zweitens eine gute Übung und drittens kosten kommerzielle Geräte
einiges.
OPV und 1GOhm Widerstand habe ich schon ausgesucht. Technik mit
Transimpedanzverstärker.
Allerdings gibt es noch ein Problem, daß bisher noch nicht ausreichend
diskutiert wurde und das ist die Meßbereichsumschaltung. Mit
Analogschaltern kommt man da ja nicht weiter, weil ihr Leckstrom viel zu
groß ist.
Ein mechanischer Schalter wäre möglich, allerdings sind bei den meisten
entweder die Leckströme nicht spezifiziert oder zu hoch. Mir wäre es
sowieso lieber es mit Relais zu schalten. Kennt jemand geeignete Relais
mit a) niedrigen Leckströmen und b) mit praktisch 0 induzierter
Spannung/Strom?
Die Bereichsumschaltung ist tatsächlich nicht so einfach. Reed Relais
ist eine Möglichkeit - die andere ist einfach umstecken der Buchse für
den Eingang und dann ein separater Transimpedanzverstärker für die
gröberen Bereiche.
Die Schaltung mit dem Transimpedanzverstärker hat einen ziemlich großen
Messbereich. Mit ein 1 G Widerstand kommt man z.B. bis etwa 10 nA (10 V
Ausgangsspannung - es geht ggf. auch mehr). Für Ströme ab 10 nA ist die
Umschaltung schon nicht mehr so schwer. Da die Spannung am Widerstand
recht groß werden darf, kommt man meist auch mit einer eher groben
Teilung (etwa 1:100 oder 1:1000) aus, ggf. ergänzt um eine einfache
Teilung / Verstärkung dahinter.
Der AD-Wandler, den ich verwenden will schafft nur +/-2,5 Volt. Darüber
hinaus hat der 1 GOhm-Widerstand nicht den besten
Temperaturkoeffizienten (habe die Wahl zwischen günstig und +/-200 ppm
oder teuer und +/- 25 ppm).
Aber ich verstehe was Du meinst. Für die niedrigsten Meßbereiche dann
Reedrelais. Dabei frage ich mich, wieso man überhaupt andere Relais
nimmt? Reedrelais schaffen mehr Schaltvorgänge (Lebensdauer), sind sehr
kompakt und auch kostengünstig. Einziger Nachteil, der aber für mich
egal ist wäre der Stromverbrauch.
Oder sind die ganzen Relais, die in Oszilloskopen und anderen Meßgeräten
vor sich hinklackern, schon alle Reedrelais?
Hab mir mal gerade angesehen, was eine Triaxbuchse so kostet. 20 Euro
waren das. Wenn jemand eine günstigere Quelle kennt dann bitte.
OPV soll der LMP7721 werden, wie der TE nehmen will. Trotzdem stören
mich die bis zu -4 uV Offsetspannungsdrift bei diesem. Aber es mangelt
an Alternativen. Von Linear Technology gibt es überhaupt keinen
Niedrigstrom-OPV. Bei Maxim und Analog Devices sieht es auch nicht gut
aus, wenn es in den Femtoamperebereich geht.
Die Relais in Oszilloskopen und ähnlichen sind oft auch schon Reed
Relais. Alternativ spezielle kleine Bistabile Relais oder ggf. spezielle
Relais für HF Signale (ggf. auch als Reed Form ?).
Das die OPs für extra kleinen Bias Strom etwas mehr Offsetspannung und
Drift und auch mehr Rauschen haben, ist nicht zu vermeiden. Eine Drift
von 4 µV/K ist da noch gar nicht so schlecht.
Man sollte halt zusehen das der OP nicht zu heiß wird (also nicht viel
Spannung und nicht viel Last).
Frank schrieb:> Ein mechanischer Schalter wäre möglich, allerdings sind bei den meisten> entweder die Leckströme nicht spezifiziert oder zu hoch. Mir wäre es> sowieso lieber es mit Relais zu schalten. Kennt jemand geeignete Relais> mit a) niedrigen Leckströmen und b) mit praktisch 0 induzierter> Spannung/Strom?
Hallo,
elektronische Analogschalter kann man bei den Bedingungen glatt
vergessen.
Mechanische Kontakte passender Bauart haben grundsätzlich die nötigen
Sperrwiderstände. Allerdings haben normale mechanische Kontakte nicht
per Definition einen definierten Durchgangswiderstand bei 0V
Kontaktspannung.
Es bilden sich auf den Oberflächen Oxidschichten und Verschmutzungen,
die bei Spannungen und Strömen gegen Null nicht zu einem unsicheren
Kontakt führen. Das führt dazu, das der Durchlasswiderstand im Bereich
von MOhm bleibt.
Damit ein normaler mechanischer Kontakt sicher schaltet, ist deshalb
meist eine Mindestspannung und Mindestrom notwendig, um die Schmutz- und
Oxidschichten zu durchtunneln.
Alternative sind also nur Reedkontakte bzw. Reedrelais.
Da aber auch nicht jeder Typ, sondern nur solche Kontakte, die für
kleinste Ströme und Spannungen konzipiert sind ("Nullspannung
schaltend"). Nicht alle Reedkontakte sind für so was konzipiert.
Kontakte, die für hohe Ströme ausgelegt sind eigene sich nicht.
Auch benutze Reedkontakte, die schon mal mit höheren Strömen belastet
wurden, sind quasi verbrannt und nicht mehr "Nullspannung schaltend".
Das beste bei diesen extremen Bedingungen z.b. Quecksilber benetze
Reedkontake. Diese wird man aber als Bastler kaum bekommen.
Alternativ sollten Reedkontakte mit Ruthenium- oder Rodiumbeschichtungen
funktionieren (wird je nach Technologie, chemisch aufbringen oder
puttern, unterschiedlich verwendet).
Ich habe für sehr kleine Ströme im pA bis fA-Bereich für hoch
empfindliche Fotoempfänger solche Reedrelais von der Fa. Meder
verwendet. Die scheinen da gut zu funktionieren.
http://www.meder.com/sil_relais.html?&tx_jppageteaser_pi1[backId]=72
Allerdings geht es hier ja auch um kleinste Spannungen und gerade bei
Reedrelais sind wegen der Eisenkontakte die Thermospannungen gar nicht
zu vernachlässigen. Da reicht schon die Erwärmung der Spule, um
erhebliche Fehler zu bekommen.
Ein sehr durchdachter Aufbau in dem sich alle Schaltungen in einem
thermisch sehr stabilen Zustand befinden ist dann also auch zwingend.
Wenn man nur Reedkontakte benutzt und diese mit Magneten betätigt,
sollte es am besten funktionieren.
Gruß Öletronika
BTW: Reed-Relais und andere Schalter, welche möglichst hochohmig
schalten, sind vermutlich das kleinere Problem, da mit einem guten alten
Drehschalter aus Teflon einfach gelöst werden kann.
Richtig interessant wird es am ersten FET des Eingangsverstärkers. Das
Manual vom Keithley listet alle Bauteile auf, bis auf diese beiden Q101
und Q102 FETs, da die irgendeine Mischung aus FET und MOSFET sind mit
isoliertem Gate sind und dazu noch speziell selektiert. Daher bräuchte
man erst mal eine Quelle für solche FETs mit isoliertem Gate sowie ein
weiteres Picoammeter um den Leckstrom auszumessen und einen
Kurvenschreiber, um die FETs nach Verstärkung zu selektieren.
Vermutlich war das damals mit den Röhren einfacher, vermutlich auch der
Grund, wieso etliche Oszis (Tek 454) und Voltmeter noch lange Röhren in
der Eingangsstufe hatten, obwohl der Rest schon lange transistorisiert
war.
Die Leckströme des Verstärkers ausmessen ist eigentlich nicht so schwer:
einfach einen Integrator aufbauen. Die einzigen kritischen Teil was man
da braucht ist ein guter Leckstromarmer Kondensator und ein Schalter /
Taster.
Das bietet sich ggf. auch an den Verstärker auch einen Integrator
Bereich zu spendieren. Also als Rückkopplung etwa einen guten
Kondensator von vielleicht 100 pF und dann zuschaltbar über Reed Relais
die Widerstände mit z.B. 1 GOhm und 10 MOhm.
Nicht bloss ReedRelais, sondern mercury wettet, also quecksilberbenetzte
ReedRelais mit Schirmung zwischen Spule und Glasrohr und offen liegendem
Glasrohr damit man es keimfrei putzen kann sollte man verwenden, gibt
es wegen RoHS nur noch als Surplus.
So, vor kurzem meine beiden keithley 610C und 602 bekommen. Für's
Keithley 602 brauch ich noch Batterien und das Keithley 610C
funktioniert soweit, nur hat es Probleme beim Messen von hohen
Widerständen und kleinen Strömen. Vermutlich sind die hochohmigen
Widerstände (1, 10, 100GOhm) dreckig und entsprechen nicht mehr den
Specs.
Wenn man das 610C im Strommess-modus betreibt, kann man mit dem
Multiplikator die zu messende Spannung einstellen (Maximalausschlag
100V-1mV) und über den Strombereich den Eingangswiderstand einstellen
(10Ohm bis 100GOhm)
Im Voltmodus ist es zumindest den Specs entsprechend hochohmig (mit 10V
geladener 1uF Polyester-Folienkondensator zeigt 2 Tage später immmernoch
10V an), bin momentan dabei, leckarme Polyester-Folienkondensatoren
rauszusuchen, mit dem Ziel, die Widerstände mittels der Entladezeit auf
ihren Widerstand zu prüfen, da meine Hp3456As nur bis 1GOhm mit viel
Fehler messen können.
Die mysteriösen, im Manual namenlosen IGFETs Q101, Q102 sind mit HDIG
1030 angeschrieben => sind tatsächlich 3N163 P-Channel Enhancement-Mode
MOSFETs mit max
Tomate schrieb:> BTW: Reed-Relais und andere Schalter, welche möglichst hochohmig> schalten, sind vermutlich das kleinere Problem, da mit einem guten alten> Drehschalter aus Teflon einfach gelöst werden kann.
Das ist schon ein Problem, weil ich ja nicht das Keithleygerät nachbauen
will, sondern selber eines bauen und das soll durch einen
Mikrocontroller gesteuert werden, da kann ich also nicht mit einem
Drehschalter arbeiten. Die Drehschalter sind außerdem schwer zu schützen
vor elektromagnetischer Einstreuung. Relais sind also klar die bessere
Wahl.
> Richtig interessant wird es am ersten FET des Eingangsverstärkers. Das> Manual vom Keithley listet alle Bauteile auf, bis auf diese beiden Q101> und Q102 FETs, da die irgendeine Mischung aus FET und MOSFET sind mit> isoliertem Gate sind und dazu noch speziell selektiert. Daher bräuchte> man erst mal eine Quelle für solche FETs mit isoliertem Gate sowie ein> weiteres Picoammeter um den Leckstrom auszumessen und einen> Kurvenschreiber, um die FETs nach Verstärkung zu selektieren.
Nun das Keithley ist halt alt und verwendet den alten FET/OPV-Trick.
Also wie mache ich einen extrem hochohmigen Eingang für den OPV: ich
knalle FETs davor. Durch den TI LMP7721 brauchen wir uns da nicht
stressen. Der ist vmtl. hochohmig genug, auch wenn die Angabe im
Datenblatt fehlt.
U. M. schrieb:> Frank schrieb:> Alternativ sollten Reedkontakte mit Ruthenium- oder Rodiumbeschichtungen> funktionieren (wird je nach Technologie, chemisch aufbringen oder> puttern, unterschiedlich verwendet).> Ich habe für sehr kleine Ströme im pA bis fA-Bereich für hoch> empfindliche Fotoempfänger solche Reedrelais von der Fa. Meder> verwendet. Die scheinen da gut zu funktionieren.> http://www.meder.com/sil_relais.html?&tx_jppageteaser_pi1[backId]=72
Mal Danke für die Hinweise. Allerdings steht bei diesem Relais auch
nichts besonders zur Fähigkeit mit 0 Spannung/Strom einen Kontakt zu
erzeugen.
> Allerdings geht es hier ja auch um kleinste Spannungen und gerade bei> Reedrelais sind wegen der Eisenkontakte die Thermospannungen gar nicht> zu vernachlässigen. Da reicht schon die Erwärmung der Spule, um> erhebliche Fehler zu bekommen.
Da gibt es einen einfachen Trick, man läßt eine Zweitspannung durch ein
weiteres Relais laufen und misst die Differenz. Notfalls mit zwei
Transimpedanzwandlern gleichzeitig, einer mit 0 Strom, der andere mit
dem Messstrom.
> Ein sehr durchdachter Aufbau in dem sich alle Schaltungen in einem> thermisch sehr stabilen Zustand befinden ist dann also auch zwingend.
Dafür gibt es Lösungen (s.o.). Abgesehen davon ist das nicht so schwer
zu erreichen, wenn eine Schaltung in einem Gehäuse ist.
Ich frage mich auch, ob die Thermospannungen bei einer hochohmigen
Strommessung überhaupt so relevant sein werden. Ich denke nicht.
@Mawin
Ja und deshalb auch nicht bevorzugt.
Habe mir jetzt mal Widerstände 10 MOhm, 100 MOhm, 1 GOhm und 10 GOhm
bestellt, sowie den LP7721. Als Reedrelais habe ich diese von Meder da:
http://www.meder.com/fileadmin/products/de_datasheets/3212100012d.pdf
Da steht aber auch nichts spezielles und das Kontaktmaterial ist nicht
angegeben.
Je nachdem wofür man das Reed Relais benutzt, ist der Kontakt auch nicht
so kritisch: In Reihe zu einem 100 MOhm Widerstand stören vielleicht
100 kOhm vom Tunnelkontakt durch eine Oxidschicht kaum.
Die Thermospannungen sind auch nicht so kritisch: zum einen haben die
hochohmigen OPs auch schon relativ viel Drift (1-10 µV/K) und auch
einiges an 1/f Rauschen, so dass es auch ein paar µV nicht ankommt. Auch
kleine Temperaturdifferenzen sollte man aber schon achten.
Das vorgeschlagene Reed Relais ist nicht unbedingt die erste Wahl - ein
Isolationswiderstand von 1,5 T Ohm ist nicht besonders viel. zumal das
auch noch für relativ trockene Bedingungen gilt. In dem Fall sollten
schon noch 2 weitere Schaltkontakte (ggf. auch CMOS Schalter) dazu um
die Spannungsdifferenz am Relais klein zu halten: also vom OP Ausgang
erst einmal ein CMOS Schalter, dann ein CMOS Schalter nach GND und erst
dann weiter zum Reed Relais / Widerstand. Es bleibt aber das Problem der
Isolierung Von der Spule zu den Kontakten.
Ja der Isolationswiderstand ist eigenartig niedrig, wenn man bedenkt,
daß es Epoxidharz, Vakuum und Glas sind. Die Kontaktfläche ist ja nicht
sehr groß. Das vorschalten des CMOS-Schalters hilft da nicht viel, der
fällt ja gerade wegen seines geringen Widerstandes aus. Der liegt
meistens eher bei 10-100 GOhm, da hilft die Serienschaltung nicht viel.
Der Strom kann ja eigentlich nur durch das Epoxy fließen und das sollte
eigentlich einen besseren Widerstand haben. Ich glaube, das Relais hat
typisch einen besseren Wert als angegeben, wobei mich der Kontakt 90 mit
nur 1 Gigaohm stutzig macht.
Was die Temperatur angeht, nun es erwärmt sich ja eigentlich nichts in
dieser Schaltung, insofern gibt es kaum große Temperaturunterschiede.
Der OPV ist auch genau bei seinem Ruheverbrauch.
1 CMOS Schalter in Reihe bringt nicht viel. Wenn dann braucht man 2:
einen in Reihe und einen der gegen Masse schaltet. Leckströme des 1.
Schalters fließen so nach Masse ab. Das Reed Relais sieht dann an der OP
Seite die relativ niederohmige Verbindung nach GND statt des OP
Ausgangs.
Das hilft aber auch nur bedingt, denn die Spannung an der Spulen des
Relais ist weiter dran.
Ulrich H. schrieb:> einen in Reihe und einen der gegen Masse schaltet. Leckströme des 1.> Schalters fließen so nach Masse ab.> Das Reed Relais sieht dann an der OP> Seite die relativ niederohmige Verbindung nach GND statt des OP> Ausgangs.
Ja so geht das vielleicht, aber recht aufwändig.
> Das hilft aber auch nur bedingt, denn die Spannung an der Spulen des> Relais ist weiter dran.
Ja das ist richtig.
Ich habe jetzt noch mal geschaut, bei Meder gibt es auch Reedrelais mit
100 Teraohm Isolationswiderstand. Das reicht, sind aber deutlich teurer.
Nach Kabeln habe ich auch gesucht, PTFE-Kabel kann man ja direkt nehmen,
dann spart man sich den Aufwand, PVC-Kabel in PTFE-Schläuche zu legen.
Zur Isolierung von Beinchen geht das nicht, da braucht man die Schläuche
weiterhin.
