Circuit: Ein DIY-Picoammeter-Design

Bei Messungen in Ionisationskammern und anderen Strahlungssensoren ist es oft unerlässlich, mit extrem kleinen Strömen im Picoampere- bis Mikroampere-Bereich zu arbeiten. Schauen Sie sich dieses Picoammeter-Design aus dem Jahr 2012 an.

Das Picoammeter-Design

Das hier beschriebene Gerät lässt sich zur Messung von Strömen von etwa 0,1 pA bis 1 μA einsetzen, ohne dass Sie den Bereich wechseln müssen. Ein Ansatz besteht darin, die logarithmische Kennlinie einer Siliziumdiode zu nutzen. Dabei wird die Diodenspannung durch einen CMOS-operationsverstärker vom Typ TLC272 gepuffert. Für das erste Experiment haben wir eine 1N4148-Siliziumdiode eingesetzt (siehe l/h-Schaltung). Der niedrigste Strom, der mit dieser Anordnung gemessen werden konnte, lag jedoch bei über 10 pA. Unterhalb dieses Wertes weichen die Eigenschaften der Diode von der logarithmischen Kurve ab.
  BU: Eine besonders gute Diode mit einem sehr niedrigen Sperrstrom ist die Gate-Source-Diode in einem BF245-JFET (siehe untere Schaltung). Damit können wir Ströme von weniger als 1 pA messen. Um die Schaltung zu kalibrieren, verwenden wir bekannte Ströme am Eingang und messen die Ausgangsspannung.


 
Die obigen Werte folgen eng einer logarithmischen Kurve: jede Erhöhung des Stroms um den Faktor zehn ergibt eine Erhöhung der Ausgangsspannung um 70 mV. Wir haben bereits vier Bereiche abgedeckt: Die Grafik zeigt, wie sich die Kurve auf noch niedrigere Ströme erweitern lässt.

Experimente zeigen, dass es sogar möglich ist, mit Strömen von weniger als 1 pA brauchbare Ergebnisse zu erzielen. In diesem Fall ist es jedoch unerlässlich, die gesamte Schaltung, einschließlich des zu testenden Objekts, sorgfältig gegen die Auswirkungen externer Felder abzuschirmen. Für den Prototyp wurde eine Metalldose mit Durchführungen eingesetzt.
  
  Einige der Resultate, die der Prototyp lieferte:
 

• Ionisationskammer mit einer Pechblenden-Probe: etwa 1 pA
• BPW34 Fotodiode als Strahlungsdetektor (in völliger Dunkelheit): etwa 10 pA
• Durchgebrannte Glühlampe: etwa 100 pA
• Durchgebrannte Halogenlampe: ca. 0,1 pA

Aus diesen beiden letzten Ergebnissen können wir sehen, dass Quarzglas ein wesentlich besserer Isolator als gewöhnliches Glas ist.

Picoammeter und mehr

Burkhard Kainka's artikel, "Picoammeter," ist im Oktober 2012 bei Elektor erschienen. Elektor-Mitglieder können ihn sofort herunterladen. Zu den Vorteilen für Mitglieder gehören ein Abonnement von ElektorMag, ein 10 % Gutschein für den Elektor Store für viele Produkte und der vollständige Zugang zur Elektor-Online-Bibliothek. Möchten Sie Mitglied werden, melden Sie sich noch heute an.

Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde ursprünglich in einer früheren Ausgabe unseres Magazins veröffentlicht. Bitte beachten Sie, dass einige der erwähnten Produkte oder Leiterplatten möglicherweise nicht mehr in unserem Shop oder anderswo erhältlich sind. Wir sind jedoch der Meinung, dass der lehrreiche Inhalt weiterhin wertvoll ist. Daher hoffen wir, dass er Sie zu neuen und spannenden Projekten inspiriert.