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)
