Picoamperímetro de bajo coste.

Para que un picoamperímetro ?.

Un picoamperímetro de este tipo es capaz de medir las bajisimas corrientes inducidas por la radioactividad en el aire, las débiles corrientes generadas por efecto fotoeléctrico y otras aplicaciones un tanto sofisticadas. Con una sonda accesoria se puede convertir en un voltímetro de altísima impedancia (electrómetro) capaz de detectar la electricidad estática en un aislante o en un material piezoeléctrico.

Hace un par de años realice un electrómetro, (un medidor de altisima impedancia capaz de medir electricidad estática) bastante avanzado. El aparto en cuestión presentaba una impedancia de entrada superior a los 1013 ohmios, lo que significa que un condensador de tan solo 10 picofaradios tardaba en descargarse a su través varios minutos. El aparato en cuestión resultó ser bastante bueno, comparable con los instrumentos comerciales pero para un aficionado no muy ducho presentaba bastantes dificultades de realización, fundamentalmente por tener que seleccionar cuidadosamente los materiales. Siendo así postergue el documentarlo en la pagina para una ocasión venidera.

Mientras tanto llego a mis manos un circuito de picoamperímetro, bastante fácil de construir y muy barato, así que decidí construirlo. El circuito en cuestión viene en las notas de aplicación del circuito integrado CA3420, circuito que se encuentra fácilmente en las tiendas de electrónica por un precio inferior a los 2 euros. El esquema y la información que aparece en las notas de aplicación es el siguiente.

 

 

This circuit uses a CA3420 BiMOS op amp to form a picoammeter with 4 ranges. The exceptionally low input current (typically 0.2pA) makes the CA3420 highly suited for use in a picoammeter circuit. Input transient protection is provided by the 1 megohm resistor in series with the input. The 10 megohm resistor connected to pin 2 decouples the potentially high input capacitance often associated with lower current circuits and reduces the tendency for the circuit to oscillate under these conditions. The 10k potentiometer is used for null offset.

 

Puesto a construirlo, encontré algunas dificultades iniciales, que motivaron un cierto cambio en el esquema y que expongo a continuación.

El circuito esta pensado para emplear un miliamperimetro de aguja con cero en el centro y escala 500 microamperios. Estos medidores hoy son difíciles de encontrar y cuestan mas de 40 euros. Por que no emplear un tester digital normal para hacer las lecturas ? Visto el ahorro de dinero opte por esta solución.

 

El circuito modificado aparece a continuación.

Como se puede ver se alimenta con mas menos tres voltios, (cuatro pilas de 1,5) mientras que el original esta alimentado con solo dos pilas de 1,5 voltios. Esto tiene como objeto que la salida del operacional cubra toda la escala de los tester digitales en la escala +- 2.000 voltios. La alimentación se ha desacoplado con dos condensadores de 0,1 micros simplemente como precaución. El circuito se ha modificado ligeramente para que los cambios de escala sean 1, x 10, y x100.

La salida podría haberse tomado entre la salida del operacional y masa, pero en este tipo de aparatos suele ser conveniente ajustar el cero a un punto arbitrario para compensar voltajes estáticos. Esto se consigue mediante el potenciómetro de 10 k de 10 vueltas y las dos resistencias de 5 k en serie.

 

 

 

El potenciómetro de 10 K entre las patillas 1 y 5 son el ajuste de offset.

 

Funcionamiento:

Pensemos por ahora que tomamos la tensión entre el terminal salida y mas, y que el conmutador esta en la escala mas alta, o sea conectado directamente a la salida. Si nos olvidamos de las resistencia a la entrada de 1 M y la que va en serie con la entrada del operacional, y del condensador en paralelo con la resistencia de 10G, tendríamos simplemente un convertidos corriente tensión en el que

Vs = -Iin . R.

Es decir la tensión a la salida seria la corriente en la entrada multiplicada por 10 gigahomios. En otras palabras 100 picoamperios en la entrada darían una salida de 1 voltio. Si el conmutador esta en la segunda posición

El condensador de 33 pF en paralelo con la resistencia de 10 G tiene como objeto rechazar las frecuencia de red. Un aparato tan sensible como este puede ser totalmente sacado de su rango de medida por las corrientes parásitas de la red, este es el motivo de ese condensador. El conjunto tiene una frecuencia de corte de 33 Hz, pero se puede aumentar el valor de este condensador a unos 100 pF si se requiere mas rechazo a los 50 Hz de la red.

En las otras dos posiciones la salida será 10 o 100 veces esta relación con lo que tendremos 10 picoamperios o 1 picoamperio para 1 voltio de salida.

 

Montaje.

El circuito es muy simple, se puede montar en una plaquita perforada de tiras teniendo, con el circuito integrado en un zócalo cuidado las observaciones que se dan a continuación respecto a la entrada inversora ( patilla 2) que requiere un tratamiento especial.

El conjunto completo se puede incluir en una caja de aluminio con pilas y todo. Como requiere una alimentación simétrica de +-3 voltios es necesario hacer una toma extra en un portapilas estándar. Yo he empleado un conmutador de tres circuitos cuatro posiciones que conmuta entre Apagado, 100 picoA, 10 picoA y 1 picoA. La entrada se realiza con un conecto BNC para panel, y la salida a través de dos bananas miniatura donde pueden conectarse las puntas de prueba de cualquier Tester.

 

 

Antes de montar el circuito integrado en el zócalo conviene doblar la patilla 2 para que no entre en el y quede al aire. El objeto de esta operación es evitar cualquier posible fuga a través de contactos innecesarios de esta patilla. A conector BNC de la entrada se suelda directamente la resistencia de 1 M (1/8W) y esta a la de 10 M que va a la patilla 2. Téngase en cuenta que este operacional tiene una resistencia de entrada de mas de 10 gigahomios y que la humedad o una falta de aislamiento puede degradar sus prestaciones. Salvo el circuito conectado a la pata 2, el resto del circuito no plantea requisitos especiales.

 

El consumo de este aparato es inferior a 1 miliamperio por lo que normalmente las pilas durara varios años si se cuida de apagarlo después de su uso.

 

Calibración.

Las resistencias empleadas son del 5 % y si se seleccionan un poco los valores se pueden conseguir precisiones del orden del 3% mas que suficiente para un aparato de este tipo.

La fuente de imprecisión mas grande que hay en este aparato es la resistencia de 10 gigahomios. Yo he empleado una resistencia SMD soldada al aire. Estas resistencias suelen tener una tolerancia del 20 % y más, por lo que yo las mido y complemento con resistencias de 1 y 0,1 gigas con objeto de conseguir que se el valor del conjunto este entre 9,5 y 10,5 gigas.

Como este aparato no se emplea para hacer medidas cuantitativas precisas, puede obviarse la calibración, en caso contrario se puede optar por conectar a la entrada una fuente de 0,100 voltio a través de una resistencia de 1.00 gigas y ajustar la salida para 1 voltio. Esta resistencia se puede conseguir con bastante precisión poniendo en serie 100 resistencias de 10 megas o con la resistencia de calibracion que se sugiere al final.

 

 

Ajuste del offset.

Independientemente de que se coloque o no un potenciómetro para el ajuste de cero, conviene ajustar el offset del circuito con el potenciómetro de 10 K que hay entre la patilla 1 y la 5. Para ello conectar un polímetro entre la salida y masa. El offset se ajusta para salida cero con corriente de entrada cero y esto se consigue cuando la entrada esta en circuito abierto. El circuito es muy sensible a la electricidad estática así que habrá que tener cuidado en no despistarlo. El mejor ajuste de cero debe hacerse con el circuito encerrado en la caja ( debe ser metálica para que actúe de blindaje) y realizando un orificio en la caja para tener acceso al potenciómetro ( es conveniente que sea de 10 vueltas).

Comprobación del zumbido de red.

El circuito puede dar medidas erróneas porque se cuelen los 50 Hz de la red, por ello si se tiene un osciloscopio conviene comprobar de que no existe tensión de red en la salida. No cometa la torpeza de principiante de tratar de medir con un polímetro normal voltajes en el circuito de entrada, la resistencia del polímetro es 1000 veces menor que la de este circuito y las medidas seran absurdas. Si no se dispone de osciloscopio conecte a la salida el polímetro y colóquelo en la posición de medida de voltaje alterno, no debe haber mas allá de 0,1 voltio para la entrada en circuito abierto.

 Sonda para medir voltajes.

Con este sencillo aparato se pueden medir corrientes bajisimas y aunque no es el instrumento más perfecto con una sonda se pueden medir voltajes estáticos. Si se quiere aprovechar esta capacidad compre además de la resistencia de 10 gigaohmios resistencias de 50 gigas y conéctelas en serie para conseguir una resistencia de 100 o 1000 gigahomios. Lo mas conveniente es conectar 20 resistencias de 50 gigas en serie pero el coste es un poco elevado.

La sonda para alta tensión se debe hacer con las resistencias en la punta y llevar el cable a la entrada a través de un cable coaxial. Con la sonda de 1000 gigas el aparato se ha convertido prácticamente en un electrómetro con escalas de 200, 20 y 2 voltios a fondo de escala con una impedancia de 1012 ohmios. Todo un récord !!!. Esto significa que se puede medir la tensión a que se encuentra un condensador de 100 picos con esta sonda con una constante de tiempo de 100 segundos ( al medir el condensador se descargara paulatinamente y su voltaje habrá caído a 0,6 del inicial en ese tiempo).

Componentes.

Los componentes de este aparato son sencillos de conseguir salvo las resistencias de alto valor que se pueden conseguir en RS

Resistencia de 1 gigahomio 1% ( para calibrar) codigo RS 296-0667 precio 7 euros.

Resistencia SMD 10 gigas código RS 294-5113

Resistencia SMD 1 giga código rs 294-50 90

Resistencia RS de 50 gigas codigo 294-5135

Estas resistencias SMD tienen un precio de 1,79 euros.

 

Aplicaciones.

Con este sencillo instrumento he medido la ionización producida en el aire por materiales radioactivos. También se pueden medir otros fenómenos en los que están involucradas pequeñas corrientes. Téngase en cuenta que este aparato es detectar una corriente de 1 Femptoamperio, lo que es mas o menos la intensidad de corriente que producen 1000 electrones por segundo. En días sucesivos indicare como hacer algunos experimentos con el.

 

Detalle de una sonda para medir la ionización del aire por radiaciones ionizantes ( RX, alfa, UV)

 

 

 

 

 

 

 Profesor Frank de Copenhague.