Circuit: Een picoampèremeterontwerp

Bij metingen in ionisatiekamers en andere stralingssensoren is het vaak essentieel om extreem kleine stromen in het picoampère- tot microampèrebereik te verwerken. Bekijk dit ontwerp van een picoampèremeter uit 2012.

Het ontwerp van de picoampèremeter

 Het hier beschreven instrument kan gebruikt worden om stromen te meten van ongeveer 0,1 pA tot 1 μA, zonder dat het bereik veranderd hoeft te worden. Een benadering is om gebruik te maken van de logaritmische karakteristiek van een siliciumdiode, waarbij de diodespanning gebufferd wordt door een CMOS-opamp van het type TLC272. Voor het eerste experiment gebruikten we een 1N4148 siliciumdiode (zie schakeling links). De laagste stroom die met deze opstelling kon worden gemeten was echter meer dan 10 pA, omdat beneden die waarde de karakteristiek van de diode afwijkt van een logaritmische curve.
   Een bijzonder goede diode met een zeer lage sperstroom is de gate-source diode in een BF245 JFET (zie schakeling rechts). Hiermee kunnen we stromen van minder dan 1 pA meten. Om de schakeling te ijken, gebruiken we bekende stromen aan de ingang en meten we de uitgangsspanning:
 
De bovenstaande waarden volgen nauwgezet een logaritmische curve: elke toename van de stroom met een factor tien geeft een toename van de uitgangsspanning met 70 mV. We hebben al vier decaden bestreken: de grafiek laat zien hoe de curve kan worden uitgebreid naar nog lagere stromen.

 Experimenten tonen aan dat het zelfs mogelijk is om bruikbare resultaten te krijgen met stromen van minder dan 1 pA. In dit geval is het echter essentieel om de hele schakeling, inclusief het te testen object, zorgvuldig af te schermen tegen de effecten van externe velden. Voor het prototype werd een metalen blik met doorvoeren gebruikt.
  Enkele resultaten verkregen met het prototype:
 

• ionisatiekamer met een monster van pekblende: ongeveer 1 pA;
• BPW34 fotodiode gebruikt als stralingsdetector (in volledige duisternis): ongeveer 10 pA;
• doorgebrande gloeilamp: ongeveer 100 pA;
• doorgebrande halogeenlamp: ongeveer 0,1 pA.

Uit deze laatste twee resultaten kunnen we opmaken dat kwartsglas een aanzienlijk betere isolator is dan gewoon glas.

Picoampèremeter en meer

Het artikel van Burkhard Kainka, "Picoampèremeter," verscheen in Elektor oktober 2012 dat Elektor Leden direct kunnen downloaden. Ledenvoordelen omvatten een abonnement op ElektorMag, een Elektor Store kortingsbon van 10% voor veel producten en volledige toegang tot de online Elektor-bibliotheek. Als u lid wilt worden, meld u dan vandaag nog aan.

Noot van de readctie: Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in een eerdere editie van ons tijdschrift. Sommige van de genoemde producten of PCB’s zijn mogelijk niet meer verkrijgbaar in onze winkel of elders. We geloven echter dat de educatieve inhoud waardevol blijft en hopen dat het u inspireert om nieuwe en spannende projecten te beginnen.