Do pomiaru prądów w zakresie mikro- i nanoamperów doskonale sprawdzi się amperomierz z przetwornikiem aktywnym. Ze względu na bardzo duże wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego, spadek napięcia podczas pomiarów amperomierzem z przetwornikiem aktywnym może zostać pominięty. Dzięki temu wyniki pomiarów są dużo bardziej dokładniejsze, niż w przypadku amperomierzy z bocznikiem. Ponieważ spadek napięcia w przetworniku aktywnym jest bliski zeru, można również pominąć wpływ wahań napięcia zasilania na działanie urządzenia.
Typowy przykład amperomierza z przetwornikiem aktywnym znajduje się poniżej:
gdzie, w warunkach idealnych, napięcie wyjściowe wynosi $$V_0=-I_{in}R$$. Dla tej zależności, aby pozostawała spełniona w warunkach rzeczywistych, wejściowe napięcie niezrównoważenia powinno być bardzo małe, a wejściowy prąd polaryzujący pomijalny. Parametry te stają się szczególnie istotne, kiedy chodzi o pomiary prądów rzędu pikoamper, na których wynik będzie miał wpływ właśnie wejściowy prąd polaryzujący. Znane są przykłady pikoamperomierzy zbudowanych w oparciu o układ LMC662. Zgodnie z notą katalogową, układ powinien być dobry do tego celu, ponieważ charakteryzuje się bardzo niskim wejściowym prądem polaryzującym, rzędu 2 femtoamperów.
Autor w swoim urządzeniu wykorzystał zaś wzmacniacz TS1001 firmy Touch Stone, co dla wielu może być urządzeniem. Układ ma raczej pośrednie parametry (np. wejściowe napięcie niezrównoważenia 0,5 mV, współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (CMRR) i współczynnik tłumienia wpływu zasilania wynoszące 74dB, iloczyn wzmocnienia i częstotliwości granicznej (GBWP) wynoszący 4 kHz) i na pierwszy rzut oka nie nadaje się do pomiaru tak małych prądów. Ale cechą, która wyróżnia układ TS1001 jest wyjątkowo niski pobór mocy, układ pracuje prawidłowo już przy zasilaniu 0,8V i pobiera zaledwie 0,8 µA prądu. Układ sprawdzi się więc doskonale w urządzeniach bateryjnych, a pobór prądu jest tak mały, że można nawet nie stosować wyłącznika!
TS1001 cechuje się też względnie małym wejściowym prądem polaryzującym, który wynosi typowo 25 pA. Jest to wartość kompletnie pomijalna, jeśli chodzi o pomiar prądu w zakresie nanoamperów. Mimo że układ ma dość duże wejściowe napięcie niezrównoważenia, problem ten może zostać zniwelowany w czasie obróbki danych pomiarowych, np. stosując zerowanie w multimetrze. Ponieważ wejściowe napięcie niezrównoważenia jest stałe podczas pomiaru, dokładność nie ucierpi wskutek wyeliminowania tej wartości właśnie poprzez zerowanie.
Na poniższym schemacie można zobaczyć amperomierz z przetwornikiem aktywnym oparty o układ TS1001. Stosując podane wartości rezystorów osiąga się – w czterech podzakresach – rozdzielczości od 1 mA/V do 1 µA/V. Stosując popularny multimetr 3 i ½ cyfry, można z powodzeniem mierzyć prądy w zakresie nanoamperów. Jak wspomniano wcześniej, wejściowy prąd niezrównoważenia wzmacniacza TS1001 wynosi 25 pA, stąd rozmyślnie wybrano najniższy zakres jako 1 µA/V.
Wzmacniacz może być zasilany pojedynczym napięciem bądź wykorzystywać wirtualną masę. W przypadku zasilania napięciem niesymetrycznym, mierzony prąd musi wpływać do wejścia nieodwracającego wzmacniacza, aby na wyjściu pojawiło się napięcie. Takie rozwiązanie jest więc korzystniejsze dla pomiarów prądów stałych, gdzie polaryzacja prądu może być z góry określona. Używając zasilania z wirtualną masą, jak pokazano na schemacie poniżej, pozwala mierzyć prądy stałe i zmienne. Każdorazowo układ można zasilać z jednej, 1,5-woltowej, baterii.
Ponieważ układ ma dość niski iloczyn wzmocnienia i częstotliwości granicznej, mierzyć można jedynie prądy o niewielkiej zmienności (na przykład do 60 Hz). Należy też pamiętać, że w przypadku stosowania rozwiązania z wirtualną masą napięcie na wyjściu nigdy nie będzie wyższe na moduł niż połowa napięcia zasilania.
Precyzja zastosowanych rezystorów decyduje o dokładności całego miernika. Autor ręcznie wybrał rezystory, które cechowały się tolerancją 0,1%. Ważne jest też, aby zastosować rezystory o niskim współczynniku temperaturowym.
Poniżej można zobaczyć miernik, który wykonał autor. Całość zasilana jest z jednej baterii, i ponieważ służy tylko do pomiaru prądów stałych, zrezygnowano z zasilania z wirtualną masą.
Tak długo, jak użytkownik zdaje sobie sprawę z ograniczeń zastosowanego wzmacniacza, miernik będzie sprawował się dobrze. W przypadku konieczności pomiarów niższych prądów lub przy wyższych częstotliwościach, można wybrać inny wzmacniacz operacyjny – np. AD8603 jest zgodny pod względem wyprowadzeń z TS1001, a może być użyty już do pomiarów prądów w zakresie pikoamperów.
Źródło
Fajne? Ranking DIY
