Logarithmisches Pico-Amperemeter


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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)



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