[problem] Jak wykryć znak ładunku w elektronicznym elektroskopie?

Jerzy Węglorz napisał:

Chodzi o zbliżenie na odległość, z której wejście bramki zareaguje na obecność pola elektrostaycznego, to może być kilka cm, a w przypadku telewizora (od strony ekranu) - kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt cm.
Bramki CMOS mają w strukturze wewnetrzne zabezpieczenie przed ładunkami elektrostatycznymi w postaci szeregowej rezystancji i 2 diod skierowanych do obu stron zasilania...
Na szczęście, te układy są tak tanie, że nawet jeżeli w trakcie eksperymentów któryś Ci się uszkodzi, to straty sa nikłe.
Może się okazać, że celowe będzie dołączenie "anteny" (pręt? blaszka? pamietaj o bardzo dobrej izolacji!) dla zwiekszenia czułości wykrywania pola elektrostatycznego.

Witam.
Układy CMOS to nie najlepszy pomysł właśnie ze względu na te elementy zabezpieczające bramki diodami (tak zwanymi "parazytowymi"). Mają one znaczne prądy upływności, rosnące eksponencjalnie z temperaturą.
Mimo to, diody te nie zabezpieczają skutecznie i układy CMOS serii 4xxx "umierają" łatwo wskutek tzw. "latch-up" efektu.
Znacznie lepsze są układy na prostym tranzystorze J-FET z ochroną bramki jednym opornikiem rzędu MΩ.
Tu jest coś do zabawy: http://amasci.com/emotor/chargdet.html
Zamiast MPF102 można użyć dowolnego tranzystora J-FET z małym prądem Idss, np. BF245A (jeszcze lepiej jakiś w obudowie "metal can"); zamiast LED można wpiąć miliamperomierz.
Elektrometry profesjonalne buduje się na lampach elektrometrycznych, gdyż takie urządzenie wymaga ekstremalnych wartości impedancji wejściowych (typ. 200 TΩ || kilka pF), co w technice półprzewodnikowej jest nieosiągalne.
Pozdrawiam

swallower napisał:

Tylko w jaki sposób uzyskać efekt, o którym mówiłem wykorzystując J-FET'a? Czy ten tranzystor działa również przy ujemnym napięciu? Czy są elektroniczne miliamperomierze w gotowych modułach, wskazujące znak ładunku?
Zależy mi na:
- wskazaniu obecności ładunku,
- wskazaniu jego znaku,
- wyniku prezentowanym na LED'ach
- ew. na bezstykowym pomiarze (pomiar na podstawie pola elektrostatycznego?)
Pozdrawiam!

Ten układ rozpoznaje polarność ładunku; w linku jest opisane, jak. J-FET nie ma problemów z negatywnym napięciem, bo typowy tranzystor tego typu jaki napotkasz to tzw. "enhancement-mode device" (czyli normalnie włączony) i pracuje z ujemnymi napięciami bramki.
Ale trudno jest w tak prostym układzie zrealizować wskazanie polarności na jakimś indykatorze. I nie licz na "gotowe moduły", bo temat elektrometrów, to kompletnie niszowy zakres know-how.
Poza profesjonalnymi układami, jakich daleko szukać, tylko tranzystor J-FET oferuje tak spektakularne właściwości - zwłaszcza, kiedy ma małe prądy bramki i małe upływności obudowy.
Wskazanie znaku ładunku w tak prostym układzie to trochę trudne i w opisanym linku jest obszernie wyjaśniony mechanizm działania oraz interpretacje. Jedynym prostym rozszerzeniem byłoby dołożenie na wyjściu układu mostkowego, tzn.:
* zamiast diody w drenie włożyć opornik
* dołożyć dzielnik dwóch dodatkowych oporników zapięty na zasilanie
* wpiąć miliamperomierz (z zerem pośrodku skali !) w przekątną tak powstałego mostka (tzn. między dren J-FET i środek dzielnika oporowego).
Użycie diod LED zamiast miliamperomierza wymagałoby dodatkowego wzmacniacza (operacyjnego lub ekwiwalentu), bo mają one znaczne progi działania (napięcia świecenia > 1,4V).
Bezstykowy pomiar to wiedza i know-how z zakresu mierników natężenia pola elektrycznego. Wykorzystuje się tu zjawisko indukcji elektrostatycznej w elektrodzie, jak wspomniał Jerzy Węglorz.
W miernikach pola E wykorzystuje się dobrze zdefiniowane elektrody w sensie "idealnego kondensatora" powietrznego, jak w książce z fizyki.
Do prostych demonstracji z tym układem nie musi to być tak skomplikowane. Możesz użyć pojedynczej elektrody w postaci dobrze izolowanego od ziemi kawałka druta lub płyty przewodzącej, zapiętych do wejścia układu. Rolę drugiej okładki spełnia ziemia. Im większa pojemność tej elekrody do "mierzonego" obiektu z ładunkiem, tym silniejszy efekt obserwujesz.
W tych układach ważna jest izolacja! Nie stosuje się płytek drukowanych (jak w linku, który podałeś) ze względu na kiepskie właściwości materiałowe PCB.
Układy wejściowe elektrometrów są realizowane w technice klasycznego montażu drutowego z użyciem najlepstych materiałów izolującyh (teflon) i specjalnych technik układowych (guard ring).

Dodam jeszcze, że to powinien być J-FET, a nie MOS-FET. Typowo tranzystory MOS-FET mają zabezpieczenia w bramce i te diody (Zenera) swoimi upływnościami degradują poważnie impedancję wejciową. Są wprawdzie typy MOS-FET bez takiej ochrony (np. 3N128), ale ich stosowanie odradzam, bo padajką jak przysłowiowe komary, zanim się obejrzysz (przebicie bramki).
J-FET jest w tym względzie daleko bardziej odporny na wyładowania (ESD) i zasadniczo wystarcza mu duża oporność w bramce.
We wspomnianym mostku może to być oczywiście woltomierz, byle z zerem po środku skali. Komercyjne moduły nie nadają się, bo tylko niektóre mają (zazwyczaj) nieznaczny margines dla wskażań napięć ujemnych.

swallower napisał:

Uff sprawa coraz bardziej się komplikuje. Dzięki _jta_ za radę dt. tego modułu, byłem o krok od kupna. Nie przemyślałem zupełnie tego rozwiązania. Teraz już zupełnie z niego zrezygnowałem, stawiam na J-FET'a.

Swallower! Nic się nie komplikuje, tylko _jta_ trochę ściemnił.
Ten moduł nada się, ale nie w zastępstwie układu elektrometrycznego, lecz jako wspomniany indykator zapięty w przekątną układu mostkowego.
Ma tylko tę wadę, że potrzebuje oddzielnego zasilania 9V; za to pobiera znikomo mało prądu. Układ mostkowy zasiliłbyś np. z 2...3 ogniw 1,5V.
Nie jest jednak wykluczone, że ten moduł dałoby się zasilić z jednego źródła razem z układem mostka ... to trzeba by sprawdzić, bo opis jest skąpy.
Najlepszym układem mostka byłoby, zamiast wspomnianego dzielnika oporowego, użyć drugiego identycznego obwodu z J-FETem i opornikiem w drenie i w bramce, w roli drugiego ramienia; lecz z bramką zapiętą do masy (przez identyczny opornik bramkowy!).
Przy zastosowaniu dobrze sparowanych i kontaktujących (termicznie) obudowami tranzystorów miałbyś dość stabilny układ. Idealne byłyby tu dual-J-FETs, coś jak te: http://www.datasheetarchive.com/datasheet.php?article=260071

_jta_ Mieszasz pojęcia! Elektrometry mają standardowo 200TΩ || 20pF i mierzą szybciej, niż potrafisz odczytać wynik. Ich głównym przeznaczeniem są pomiary ładunków, napięć i ich pochodnych (pochodnych nie w tym sensie, co myślisz!). Pikoamperometry to inne układy i inne impedancje.
Pozdrawiam

_jta_!
Link do tego dual-J-FETa podałem dla ilustracji i nigdzie nie twierdziłem, że on się nadaje do elektrometru per se, natomiast Twoje propozycje tym bardziej się nie nadają. Nie będę rozwijał, bo nie widzę sensu.
Swallower szuka prostej namiastki elektrometru.
Pisałem już, że elektrometry i pikoamperometry to różne układy i różne impedancje, a Ty ciągle swoje!

_jta_ napisał:

Elektrometr z elementów półprzewodnikowych - używałem takiego, który mógł mierzyć prądy rzędu 1aA=10^(-18)A, z tranzystorami FET (a dokładniej BiFET) na wejściu.

_jta_ napisał:

Elektrometr Keithleya, o którym tu pisałem, ładunki też mierzy - może wykryć kilkadziesiąt ładunków elementarnych - przy pojemności 20pF te 10aC wytworzą pół mikrowolta - tego raczej żaden elektrometr nie wykryje. W tym, co pisałem, chodziło mi o to, że potrafi mierzyć małe prądy, i nawet przy pomiarze prądu rzędu 1aA czas ustalania się wskazania to sekundy.

Po pierwsze, nie ma obecnie elektrometru pozwalającego mierzyć ładunki rzędu 10aC i nie wiem, skąd "wyczarowałeś" te "10aC".
Najlepszy obecnie Keithley Model 6517A oferuje
"Charge measurements from 10fC to 2µC" - z foldera firmowego.
Gdyby się uprzeć, można by tym elektrometrem próbować mierzyć prądy rzędu dziesiątek aA, a czy niżej to mocno wątpliwe.
Jedynym obecnie osiągalnym przyrządem do pomiarów prądów na poziomie attoamperów jest Keithley Model 6430 Picoammeter/Voltage Source, użyty w konfiguracji Source-Measure. Ten przyrząd nie potrafi mierzyć ładunków elektrycznych i nie jest elekrometrem; mimo, że czasem tak go nazywają!
Ponadto, przy użyciu Keithley 6430, pomiar jednej wartości prądu w zakresie pojedynczych aA na poziomie ufności lepszym od 1aA wymaga szacunkowo tysiąc sampli, czyli ca. pół godziny czasu, natomiast przed pomiarem sam przyrząd wymaga uprzedniej kalibracji w konkretnym set-up, co zajmuje typowo od 12 do kilkadziesięciu godzin samplowania. Przy tym ten model jest efektywnie co najmniej o rząd wielkości szybszy, niż najszybsze high-end elektrometry.
Nie będę wchodził w detale, bo brak Ci wiedzy w zakresie podstaw, zarówno układowych jak i metodologicznych oraz zrozumienia podstawowych pojęć.
Nie rozumiesz nawet różnicy pomiędzy "wskazaniem" a "pomiarem".

_jta_ napisał:

Pojemność wejściowa kilka pF przy oporności 100 teraomów to dużo - przy pomiarze prądu wynik się ustala przez godzinę przybliżony, dokładniejszy przez kilka godzin. Ten elektrometr z BiFET-em mierzył w ciągu sekund - miał specjalne kable z kompensacją pojemności
i pojemność wejściową wraz ze swoimi kablami rzędu femto, a nie pikofaradów.

Należy czytać ze zrozumieniem! Nie pisałem o danych elektrometru w konfiguracji AMPS, bo nie to jest tu tematem. Przy poimiarze prądu impedancja Keithley Model 6517A na najniższym zakresie (20 pA) wynosi 1GΩ || 20pF, (preamp) settling time (90%) - 2,5sec. !!!!!!!!
"pojemność wejściowa wraz ze swoimi kablami rzędu femto" ? - nie wiesz, o czym piszesz!!!
Czas odpowiedzi dla Keithley 6430 w układzie Source-Measure nie wynika z pojemności kabli, lecz wewnętrzych, rzędu 1pF i wynosi on ca. 2sek.
Coś grają, ale nie wiesz, co i gdzie ...

_jta_ napisał:

Pikoamperometry to grube tysiące razy mniejsza rozdzielczość od tego elektrometru.

Nie rozumiesz nawet różnicy pomiędzy "zakresem" a "rozdzielczością".
Pikoamperomierz Keithley Model 6430:
Current Programming Accuracy (with remote preamp): 1,00000 pA, Resolution: 50aA
Noise floor: 0.4fAp-p

_jta_ napisał:

Można by tym elektrometrem sprawdzić, ile jonów wytwarza aparat pana Sobolweskiego - gdyby on go wypożyczył, i gdybym się umówił na zrobienie pomiarów (to mogłoby być trochę zachodu, i bez gwarancji, bo elektrometr nie jest mój, ani nawet mojego zakładu - a znajomy, z którym kiedyś robiłem nim pomiary, już nie pracuje w naszym instytucie). Ale Mirek nie chce.

Mirek nie chce, a Ty nie potrafiłbyś (pomierzyć)!
Też bym nie chciał ... przyglądać się celowaniu z armaty do wróbla ... przez ślepca
Jest ewidentne, że nawet nie wiesz - choćby z grubsza - jak taki przyrząd funkcjonuje! Pozostań lepiej przy multimetrach z hipermarketu.
Nie zamierzam kontynuować ...

Witam.
Ten artykuł polecam, bo jest napisany z głową i autor przedstawił dużo ciekawych doświadczeń.
Układ mostka na dual-J-FET daje równowagę termiczną, czyt. stabilne napięcie wyjściowe (małe różnicowe napięcie bramek, mały dryft niezrównoważenia). Kiedy para jest źle dobrana, różnice charakterystyk przejściowych Id = f(Ugs) powodują, że układ dryfuje przy zmianach temperatur (rozjeżdżają się prądy drenów).
Tranzystory J-FET mają swój punkt (napięcie Ugs), w którym prąd drenu nie zmienia się od zmian temperatury. http://www.google.pl/search?hl=pl&q=J-FET+temperature+stability+point&lr=
Punkt ten można odczytać z charakterystyk (o ile dostępne).
Aby to wykorzystać, trzeba by w tym układzie dołożyć opornik szeregowy kilkadiesiąt ... kilkaset Ω w źródło (dobrać); nieistotne, że bramka nie jest strikt uziemiona. Tą drogą można w układzie dual uzyskać bardzo dobrą stabilność, ale potrzebny byłby bardzo duży opornik w drugiej bramce (rzędu GΩ lub więcej). Dlatego najlepiej zamiast opornika w bramce drugiego J-Feta byłoby zapiąć diodę, identycznie jak w ramieniu po stronie wejścia.
Na pojedynczym J-Fecie będziesz miał silne pływanie "zera" od temperatur.
Dioda zabezpieczająca w bramce powinna być (bramki J-Fet są delikatne) i mieć minimalne prądy zerowe (rzędu pA). Oprócz varicapów, jak zastosował _jta_ nadają się J-Fety typu N: bramka do masy, a dren ze źródłem zwarte razem przyłączasz do bramki J-Feta wejściowego.
Prąd zerowy diody absorbuje część prądu zerowego (Idgo) J-Feta i wpięcie takiej diody czyni zauważalne różnice.
Użyte J-Fety powinny mieć minimalne prądy upływności bramek (Igso i Idgo).
Skalę mógłbyś zrobić na wyjściu wzmacniacza operacyjnego w układzie symetrycznego wejścia, zapiętego na przekątną mostka.
Z wyjścia WO podałbyś diody LED różnych kolorów, polączone antyparalelnie i zapięte na dzielnik oporowy (analoiczny, jak w drugim ramieniu mostka z pojedynczym J-Fetem). WO musi być typu "single supply", jakiś LM, TLC27x lub tp. Jak się uprzesz, może być bez WO, na diodach LED tzw. "low current", zapiętych wprost na przekątną; oporniki w drenie/drenach rzędu 1kΩ.
Pozdrawiam

_jta_. Znowu nawrzucałeś tu tyle fantazji, że nie chce mi się tego dementować. Sam się poczuj w roli. Albo zacznij pisywać Hi-Tek Sci-Fi Inaczej.
Nic nie będzie za małe, nie trzeba tantali i żadne typy bipolarne nie mają stałego wzmocnienia.
Zerowy współczynnik ZTC w tranzystorach polowych wynika z ich fizyki, i ma miejsce zarówno w typach J-FET jak i MOS-FET.
W takim punkcie Ugs, Id, Uds tranzystor jest niewrażliwy na zmiany temperatur od - 55°C do +100°C; gdzie Ugs jest parametrem pierwszoplanowym. Coś jak tu: http://www.eetasia.com/ARTICLES/2005JUN/A/2005JUN23_EMD_AN.PDF
Konkretne wartości są parametrem procesu, ale punkt ZTC zawsze leży w zakresie średnich prądów Id. W przypadku Power-MOS punkt ten jest celowo wybierany w pobliżu Id-max.
Faktycznie, dziś za informacje na ten temat w sieci chcą pieniądze. ... Się porobiło! Ale można się przejść do biblioteki szkolnej.

swallower napisał:

Myślałem trochę o układzie, niestety z moim skromnym zasobem wiedzy niewiele jestem w stanie zdziałać. Przeczytałem owy artykuł, nadal nie wiem jak wykryć ładunek dodatni. Owszem autor artykułu opisuje pewien sposób, ale niestety jest to tak naprawdę efekt uboczny układu - jaśniejsze świecenie diody. A mi zależy na tym, żeby móc załączać dwa niezależne układy (dioda, lub diody świecące), każdy w zależności od znaku przystawionego ładunku. "Wykrywacz" ładunku negatywnego zbudować łatwo - wystarczy jeden J-FET. Ale jaki element, zależność wykorzystać do wykrycia ładunku pozytywnego?

Witam.
Przecież napisałem już 24 Wrz 2006 15:01 jak to zrobić.
Wszystkie elektrometry pracują na identycznej zasadzie - indulcji elektrostatycznej. I ten układ nie jest wyjątkiem, ale ma ponadto tę zaletę i przewagę nad szkolnym elektrometrem, że rozpoznaje i wskazuje polarność ładunku bezpośrednio. Czego więcej chcieć?
Zasada jest prosta: dodatni ładunek - wzrost prądu drenu; ujemny - spadek.
Taki układ "zeruje się" przez dotknięcie ręką elektrody wejściowej (odprowadzenie ładunku do ziemi).
Do wskazania polarności wystarczłby np. miliamperomierz. Umowne "zero" gdzieś w środku skali należałoby jednak nanieść pisakiem na podziałce.
A jeśli chcesz indykator na LED-ach, który świeciłby jasno, trzeba stosownie wzmocnić poziom sygnału wyjściowego (prąd/napięcie drenu). Przedstawiłem też dwa odpowiednie sposoby konwersji sygnału ciągłego na wskazania dyskretne "plus/minus":
a) układ porównania (napięcia drenu) z referencyjnym napięciem (z dzielnika oporowego)
b) zastosowanie wprost układu różnicowego (para różnicowa JFET).
Układ a) ma tę wadę, że "zero" będzie dryfować przy zmianach temperatury, ale to można skorygować potencjometrem.
Jeśli masz problemy ze zrozumieniem układów lub nie wiesz, o czym mowa, to pytaj. Po to jest forum.
I spróbuj wreszcie coś praktycznie. Masz już te JFET-y? Jakie?