Użycie pomiaru ładunku do pomiarów małych prądów
W większości przypadków, do pomiaru prądu wykorzystywany jest amperomierz lub pikoamperomierz. W przypadku prądów rzędu femtoamperów lepszym rozwiązaniem może być jednak wykonanie pomiaru zmiany ładunku w czasie przy pomocy elektrometru, a następnie wykorzystanie wyników tego pomiaru do określenia prądu.
Ładunek trudno jest zmierzyć bezpośrednio, trzeba więc powiązać go z jakąś wielkością, która jest łatwo mierzalna. Jedną z popularnych metod jest pomiar napięcia na kondensatorze o znanej wartości. Ładunek jest, jak wiadomo, związany z napięciem zależnością:
gdzie Q to ładunek zgromadzony na okładkach kondensatora (w kulombach), C to wartość pojemności (farady), a V to napięcie na kondensatorze (wolty).
Gdy tempo zmiany ładunku jest już znane, prąd można łatwo określić z pomiaru ładunku. Chwilowa wartość prądu to po prostu:
natomiast wartość średnia za dłuższy czas wyraża się wzorem:
W ten sposób, jak widać, można łatwo zmierzyć ładunek i określić prąd wykonując serię prostych pomiarów napięcia.
|
Zalety stosowania pomiarów ładunku do określania prądu Jest kilka korzyści płynących z zastosowania przyrządów mierzących ładunek zamiast amperomierzy do pomiarów prądu w niektórych sytuacjach:
|
Pomiary dużych rezystancji
Gdy zaistnieje potrzeba zmierzenia rezystancji większych niż 1 G?, zwykle konieczne jest zastosowanie elektrometru, modułu SMU lub pikoamperomierza oraz źródła napięciowego. Elektrometrem można mierzyć wysokie rezystancje albo metodą stałego napięcia, albo stałego prądu i niektóre elektrometry dają możliwość wyboru jednej z metod. Metoda stałego napięcia wykorzystuje amperomierz i źródło napięcia, natomiast metoda stałego prądu – woltomierz elektrometryczny i źródło prądowe.
Metoda stałego napięcia
Aby wykonać pomiar wysokiej rezystancji metodą stałego napięcia, potrzebny jest przyrząd potrafiący mierzyć małe prądy i źródło napięcia stałego. Niektóre elektrometry i pikoamperomierze mają wbudowane źródło napięciowe i mogą automatycznie liczyć rezystancję.
Podstawowy układ realizujący metodę stałego napięcia przy użyciu elektrometru lub pikoamperomierza jest przedstawiony na rysunku 13a. Do wykonania pomiarów wysokich rezystancji metodą stałego napięcia można też wykorzystać moduł SMU, co ilustruje rysunek 13b.
Rys. 13a. Pomiar wysokiej rezystancji przy użyciu elektrometru lub pikoamperomierza metodą stałego napięcia
W metodzie tej, źródło napięcia stałego (V) jest połączone szeregowo z nieznaną rezystancją (R) i amperomierzem (IM). Jako że spadek napięcia na amperomierzu jest pomijalny, zasadniczo całe napięcie odkłada się na rezystancji R. Wynikający z tego prąd jest mierzony przez amperomierz, a wartość R można wyliczyć z prawa Ohma (R=V/I).
Wysoka rezystancja często jest funkcją przyłożonego napięcia, co sprawia, że metoda stałego napięcia jest lepsza niż metoda stałego prądu, gdyż wykonując pomiary dla odpowiednio wybranych wartości napięcia, można z wyników wykreślić krzywą wartości rezystancji w funkcji napięcia i określić współczynnik napięciowy rezystancji.
Do zastosowań, w których wykorzystuje się tę metodę zaliczają się: pomiary rezystancji izolatorów, określanie grubości i rezystywności powierzchniowej materiałów izolacyjnych oraz pomiary urządzeń wysokorezystancyjnych o dwóch wyprowadzeniach.
Rys. 13b. Pomiar wysokiej rezystancji przy użyciu modułu SMU (Source-Measure Unit) metodą stałego napięcia
Metoda stałego napięcia wymaga wykonywania pomiarów małych prądów, więc wszystkie techniki pomiarowe oraz rodzaje błędów pomiaru opisane wcześniej w rozdziale Pomiary małych prądów znajdują tu zastosowanie. Dwoma najpowszechniejszymi źródłami błędów przy pomiarach wysokich rezystancji są: zakłócenia elektrostatyczne (które można ograniczać stosując ekranowanie obwodów wysokiej impedancji) oraz prądy upływu (które można kontrolować stosując ekranowanie aktywne – guarding).
