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Elettronica

 

12 Gen 2014

 





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Un semplice picoamperometro


Nel libro Troubleshooting Analog Circuits di Bob Pease (rintracciabile qui in.pdf) c'è a pagina 65 un picoamperometro analogico di scarsa precisione,nato solo x valutare le perdite in genere,in particolare quelle dei circuiti stampati,e non è assolutamente destinato alle misure precise

Dovendo misurare piccolissime correnti(consiglio la lettura di questo pezzo e questo video di Bob Pease sulle piccole correnti)mi sono modificato il suo lavoro e presento qui il  mio esemplare dopo le necessarie elaborazioni,limitatamente alla 1^ versione puramente analogica(quella dello strumento digitale di precisione la potrò pubblicare solo in un altro momento)

Quando si misura una corrente si possono usare principalmente 2 configurazioni:
Con le correnti consistenti(dal µA in su)è comodo misurare la tensione ai capi di una resistenza,mentre le piccole correnti sono più facilmente elaborabili con un amplificatore operazionale ad ingresso FET posto in transresistenza(Qui un articolo di Bob)

Al di sotto di certi livelli,diciamo la decina di nA,diventa però difficile operare per colpa dei problemi creati dalle resistenze di alto valore(Sopra i 100 MΩ di qualità sono ben poco stabili e terribilmente termosensibili ed igrosensibili),e quindi si sfrutta spesso la legge Legge di Ebers Moll di Ebers-Moll delle giunzioni dei diodi,ottenendo una legge di logaritmo bipolare,all'ago del galvanometro(nel mio caso lo strumento con il suo contenitore è recuperato da un misuratore d'impedenza dei denti ad 1kHz ed il nome DENTOMETER è ancora visibile nella foto in a fondo pagina,pagato l'immane cifra di beeeen 500 £ al mercatino delle pulci il 15 Giugno 1997)

Il lavoro di Bob in questo caso è stato quello di porre Picoamperometro di Bob Peaseuno strumento analogico da 50 o 100 µA a zero centrale al nodo d'uscita dei diodi sensori e semplicemente valutare quanto sia grande la perdita nel circuito sotto prova

Io ho fatto praticamente lo stesso,ma al posto del suo Mio picoamperometrointrovabile LMC660 ho usato  un TLC272 doppio operazionale CMOS con una Ib misurata in un pomeriggio asciutto di 30 fA sfruttando il 1° x misurare e l'altro x generare una massa virtuale a partire da una pila singola da 9V
Il motivo x cui ho usato QUEL particolare componente è stato per la piccola perdita dopo aver tentato con vari BIFET ed alcuni BIMOS in mio possesso

I migliori esemplari del mio barattolo di yogurt dopo questi Texas sono stati TUTTI i CA3140 (progettati se ben ricordo nel lontano 1978)ed i CA3240 mentre i BIFET si sono comportati peggio

Per evitare il problema di dover connettere il terminale negante dell'operazionale ed i componenti ad esso connessi al circuito stampato aumentando le eventuali fonti di perdita,ho ripiegato sia il piedino 2 del TLC,sia Base e Collettore di un transistor e l'Emettitore di Stampato in fase di elaborazioneun altro transistor del CA3046,ed ho posto in modo volante i componenti passivi in quanto l'aria,PERSINO QUANDO C'È UMIDO,è un ottimo isolante
Un problema piuttosto serio me l'ha dato il condensatore di compensazione di fase sebbene il TLC sia unity gain compensated,e non ci sia l'ulteriore guadagno dovuto all'amplificazione dei transistor a base comune(io ho usato la tecnica dei 2 transistor NPN connessi a diodo in modo da avere diodi isotermici e come si può notare questo esemplare è stato il pre prototipo della versione definitiva digitale di cui parlerò in un'altra pagina)e pure per il mio TLC il valore ideale di feedback è stato 100 pF sia ad 1mA,sia a circa .1pA con onda quadra ad 1/3 Hz,le cui perdite mi creavano un errore tale da non poter leggere correnti molto piccole,ma le fluttuazioni creano seri problemi di un galvanometro veloce e lo rendono indispensabile a "dare una calmata" all'ago
Picoamperometro a cui devo sostituire la scala
Quando ho separato il polo caldo del 100 pico con una resistenza da 10 MΩ verso massa il sistema s'è stabilizzato bene alla continua ed ho connesso un banale 100 nF x riottenere la connessione dinamica all'uscita dell'OPAMP e questo ha fermato l'oscillazione lenta a bassissime correnti
Ma il ceramico da 100 nF ha mostrato un cattivo isolamento,dandomi svariati mV ai capi della resistenza(quasi 10,se ben ricordo),ed ho optato x un piccolo MKT(poliestere 63 V,nel mio caso Philips di produzione Europea:Non mi fido dei condensatori Cinesi dopo le troppe cattive esperienze avute con gli elettrolitici e magari grazie ad un derivativo più scomodo ma preciso di questo strumento potrò,magari a breve,pubblicare delle analisi sulle perdite dei condensatori di varie provenienze,ma in ogni caso i condensatori al Poliestere ed al Polipropilene (tanto KP quanto MKP)Wima Tedesca,Thomson Francese e Philips Olandese si comportano molto bene al contrario dei ceramici Cinesi...Ben piccola e frettolosa analisi x ora x esser degna di venir pubblicata)
In ogni caso sarebbe interessante cercare documentazioni sui gusci colorati dei condensatori Giapponesi per sapere quale sia il polimero

I diodi provengono da transistor e non da normali diodi 1N4148,e nel caso in cui qualcuno si ponga il dubbio del motivo a 1^ vista antiintuitivo,è presto detto:
I diodi per commutazione accelerati grazie al drogaggio Oro hanno perdite intollerabili non solo quando sono illuminati,e questo ne esclude l'uso per misurare correnti inferiori alla loro abbondante decina di nanoAmpère di perdita
I FET nati per bassissime correnti hanno realmente perdite irrisorie ed immensamente inferiori ai dati di targa(entrambi i miei PN4117A vivono nella zona degli ATTO Ampère con 650mV di pilotaggio inverso misurati in regime quadro con ciclo di 10 s,un valore prossimo al rumore di sistema),ma fino ai femtoAmpère di fondo scala non c'è bisogno di spendere tanto e qui i 30 fA di perdita dell'operazionale CMOS prevalgono evidenziando l'inutilità di spendere 2 € a pezzo!

I CA3046 in fondo hanno perdite MOLTO inferiori al pA a 650 mV a temperatura ambiente,ed i 3 esemplari in cui ho trovato perdite superiori avevano regolarmente il contenitore sporco...

Il motivo della presenza della resistenza all'uscita dell'amplificatore(nel mio caso intuitivamente inutile siccome ho messo i transistor messi a diodo)è causato dalla necessità di preservare l'ingresso negante dell'operazionale ed i transistor da sovracorrenti nel momento in cui l'uscita dell'OPAMP è a tensioni fuori dalla fisiologia circuitale(la batteria scarica potrebbe mandare l'uscita dritta su una rampa così come non conosco adeguatamente il comportamento né all'accensione né allo spegnimento)

La calibrazione del picoampère viene fatta con una capacità ben calibrata di 10 pF con l'ingresso ad un generatore triangolare a ½ Hz e .1 Vpp,e la cui uscita è direttamente connessa al BNC d'ingresso del picoamperometro senza far uso di sonde la cui capacità renderebbe difficilissimo ottenere una calibrazione
Vedremo l'indice puntare ciclicamente + 1 pA ed un secondo dopo - 1 pA

Per quanto poco preciso è uno strumento molto sensibile e mi ha dato vari problemi durante la costruzione,tra questi il connettore BNC DEVE  essere ad isolamento Teflon,pena perdite intollerabili su un connettore di modesta fattura persino ad 1.03 mV di offset del mio TLC,bilanciato successivamente con un trimmer connesso ad un partitore verso l'ingresso vero(il pin3)

Forse è necessario ricordarlo:
Prima di saldare le linee destinate alle correnti piccole è necessario nastrare il bordo del terminale in modo da non sporcare l'isolamento,sia dei 2 integrati(CA e TLC),sia del connettore

Il nastro usato x mantener pulito l'isolamento del piedino può essere una fettuccia qualsiasi di Mylar

Ho usato un filo isolato qualsiasi per connettere l'ingresso,curandomi di non fargli toccare nessun punto del percorso,siccome non avevo tempo x misurare le perdite dei cavi coassiali sotto mano
Aver messo una guardia fatta con una spira di Rame attorno al condensatore al Polipropilene da 100 pF è stato giusto un volermi tenere il cuore in pace senza aver fatto una reale verifica del bisogno di quest'aggiunta,probabilmente inutile data l'assenza di tensione ai suoi capi:da un lato c'è la componente alternata dell'uscita dell'operazionale,ma a livello medio 0V data la presenza della resistenza,dall'altro l'ingresso invertente dell'operazionale stesso

Non appena la 2^ viola dell'Orc sinfonica locale mi disegnerà la scala nuova potrò finire lo strumento

Scala di Bob Pease

Ora col TLC272 posso leggere sia il mA di fondo scala,sia il nA senza problemi,ma in ogni caso senza precisione per problemi termici dei transistor di misura non termostatati,e muovendo l'aria davanti al connettore BNC posso persino notare la produzione di una carica statica misurabile,così come misurabile è l'effetto piezo del cavo da oscilloscopio quando lo si piega



Grazie,Bob


 




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