Posiblemente quien se acerque a este desarrollo haya tenido alguna experiencia con un electroscopio de panes de oro. Estos sencillos instrumentos son capaces de detectar la carga acumulada en un trozo de celofán y el voltaje a que se encuentra un globo de feria.
Pero estos instrumentos aunque sorprendentes no parecen adecuados en estos tiempos. Desearíamos un aparato capaz de realizar las mismas mediciónes que estos de panes de oro, pero señalando la medida en el panel de un medidor. A estos instrumentos se les denomina electrómetros, que no es otra cosa que un voltímetro con una altísima impedancia de entrada, impedancia que suele ser del orden de 10.000 giga ohmios. Sorprendentemente los electrómetros son instrumentos muy caros, del orden de 1000 euros o mas por supuesto muy por encima de lo que un aficionado puede gastarse.
Por que es tan caro un Electrómetro ?.
En teoría podríamos construir un Electrómetro con algún operacional de entrada basada en FET o MOSTFET, esto es cierto. Por ejemplo el amplificador operacional OPA128 de BurrBrown es un excelente candidato con una impedancia de entrada del orden de 1013 ohmios. También podríamos emplear aunque con peores prestaciones el CA3420 ya usado en la construcción del pico amperímetro.
Efectivamente, con el OPA128, cableado en seguidor de ganancia 1 podríamos construir un voltímetro de altísima impedancia de entrada que cumpliría sus funciones como Electrómetro. Claro esta estaría limitado a medir +- 10 voltios. Pues a pesar de lo que parezca ese circuito no seria practico, porque simplemente al moverse un bolígrafo por ejemplo se están produciendo 50 o mas voltios y el electrómetro se saturaría, y como tiene una impedancia tan alta, cualquier capacidad asociada a los cables de entrada tardaría minutos en descargarse por lo que el instrumento estaría bloqueado por minutos haciendo su uso prácticamente imposible.
Para que un Electrómetro sea viable debe tener un rango dinámico de al menos +- 100 V. de entrada. A primera vista, la solución parece sencilla, colocamos un divisor de tensión a la entrada, que si queremos seguir conservando la alta impedancia de entrada el divisor de tensión debería estar formado por resistencias del orden de los 10.000 giga ohmios. Esas resistencias no existen y si existiesen sus valores no serian estables. Un poco de humedad o la luz del sol harían variar en mas de un 100 % el valor de estas resistencias. La única solución viable es construir un amplificador con una impedancia de entrada como las señaladas y con un margen dinámico de entrada de al menos +- 100 voltios.
Esquema del amplificador.
El esquema a continuación es el de un operacional de ganancia 1 y un rango dinámico de +- 100 V. para ello la alimentación del circuito se realiza a +- 120 voltios. El operacional es un OPA128 con alimentación flotante, por lo que el circuito resultante tiene las características de impedancia de este dispositivo que son excelentes. Los transistores Q1 a Q4 deben soportar 250 V de tensión colector emisor. Q1 y Q2 son del tipo BF420 (BF422) mientras que Q3 y Q4 son BF421(BF423).
Como se puede ver la salida del operacional esta conectada a un micro amperímetro a través de una resistencia R8, el valor de esta resistencia depende de la escala de medida, de la sensibilidad y de la resistencia interna del micro amperímetro. En mi caso he empleado un instrumento con cero en el centro lo que resulta mucho mas adecuado para esta aplicación ya que así no tenemos que preocuparnos por la polaridad. Tiene una sensibilidad de 50 micro amperios para fondo de escala. Es un instrumento de 15 cm de ancho por lo que resulta muy visible. Es caro, 30 euros, pero es muy adecuado. El conjunto R8 y el medidor puede sustituirse por cualquier polímero digital, pero no será igual de amigable. No obstante Pueden colocarse unas tomas para conectar un polimetro digital exterior y compartir las dos medidas. Esto puede hacerse fácilmente entra la toma J2 (Guarda) y la J3 (Masa)
Detalles constructivos.
Es conveniente aislar el bloque separado por la linea amarilla, en una caja metálica.
Siguiendo con el esquema simplificado del Electrómetro.
El terminal J1 es la entrada de alta impedancia. La resistencia de 100 mega ohmios protege el instrumento de sobrecargas de tensión. Como se ha dicho el amplificador esta configurado para que la salida siga a la entrada, es decir con ganancia uno. El terminal J2 es la guarda. Como se puede observar esta conectado a la salida con una resistencia de 10 K. La guarda sirve para apantallar el cable que se conecta a la entrada J1. Al ser este de altísima impedancia podría captar campos eléctricos externos si no estuviese apantallado. Pero si estuviese apantallado el terminal central tendría una capacidad parásita bastante grande con respecto a masa. Unas capacidad que puede ser del orden de 100 pf/metro de cable. Esta capacidad seria a toda vista perjudicial ya que por ejemplo si tratásemos de ver la tensión en un condensador de 100 pF, la carga almacenada en ese condensador se emplearla para cargar las capacidades parásitas de la entrada. Por ello estas deben ser lo menor posibles. Lo mismo ocurre con la resistencia parásita del aislamiento del cable. Un aislante no muy bueno en los cables de entrada pueden degradar las prestaciones del electrómetro, por eso se recomiendan cables de teflón. No obstante, el aislante entre la entrada y la Guarda tendrá mucho menos efecto ya que la guarda esta al mismo potencial que la entrada.
Vista de la caja donde se encuentra el conjunto de alta impedancia.
Se necesitan cuatro cables para conectar este conjunto al exterior, P(+120 V), N(-120V), S (salida) y masa. Abajo a la izquierda conector LEMO ( puedes emplear cualquier otro que sea bueno) para la entrada, la guarda y la masa. El operacional se ha montado sobre una placa de circuito impreso en la que se han grabado islas mediante un dremel. La entrada esta al aire, evitando perdidas y sostenida por los componentes. Encima el conmutador de resistencias de entrada.
Opción Variación de impedancia de entrada.
La impedancia de este instrumento esta entre 10 13 y 1014 ohmios. A veces es conveniente disponer de impedancias mas bajas y mas precisas, por ejemplo para medir capacidades o para medir intensidades. Para ello del punto R se dispone un conmutador que conecta un juego de resistencias a masa. En mi caso los valores elegidos han sido Ninguna 100G, 10G, 1G, 100M 10M y 1 M. Otra Opción interesante es un pulsador que conecta el punto R a masa, para descargar el medidor y para buscar el cero.
En la fotografía superior puede verse este conmutador y el juego de resistencias. Debe tenerse especial cuidado en la calidad de esos conmutadores ya que si no son especialmente buenos pueden degradar las características del circuito.
Escalas de medida.
En la fotografía anterior arriba a la izquierda se encuentra el conmutador de escalas y las resistencias asociadas. Mi instrumento tiene las siguientes escalas de medida, 1, 3, 10, 30,100 Voltios. Estas escalas se consiguen simplemente seleccionando mediante un conmutador la resistencia R8.
En mi caso el medidor es de 50 micro amperios con una impedancia interna de 2 K. Para confeccionar las diferentes escalas habrá que calcular 20 K por voltio y descontar la resistencia interna del micro amperímetro. Así el valor de R8 será.
1V 18 K.
3V 58K
10V 198K
30 V 600 K
100V 2M
Estos valores se consiguen fácilmente, con un par de resistencias en serie. Conviene seleccionar las resistencias para conservar una precisión razonable sin necesidad de ajustes. Para evitar golpes bruscos de la aguja por sobre tensiones conviene puentear el medidor con dos diodos en antiparalelo. Comprobar que no altera las mediciones.
Fuente de alimentación.
Como se ha mencionado el electrómetro requiere una fuente simétrica de 120 V. Como la ganancia del aparato es 1 y esta referenciada respecto a masa no es necesario que esta fuente sea de altas prestaciones, teniendo además en consideración de que el consumo no sera superior a los 5 mA.
Para conseguir esta fuente, lo ideal seria tener un transformador de entrada 220 y salida 110-0-110o un transformador de aislamiento pequeño. Como suponemos este transformador será difícil conseguir se ofrece una solución de bajo costo. En ella se parte de dos transformadores iguales de 220 a 12 , y se conectan como se expone en el esquema. De esa manera se consiguen las tensiones y el aislamiento galvánico necesario.
Como se ve en el esquema, además de +- 120 V se obtienen también +- 100 V. Estas tensiones aunque no son imprescindibles son muy útiles a la hora de realizar mediciones. Hay otras muchas posibilidades de alimentar el aparato. En mi caso empleo una batería hermética de 12 V a partir de los cuales con un conversor obtengo 110 V a 20 KHz que rectifico con un esquema similar al propuesto. Mediante un adaptador cargo la batería cuando lo necesito. En fotografía de abajo se puede ver el transformador del oscilador que esta en el centro.
Comprobación de la impedancia de entrada.
Una vez montado el electrómetro, primero debemos comprobar que las mediciones de tensión son correctas. Esto es fácil, basta con medir un voltaje generado por una fuente de alimentación y comprobarlo con un voltímetro convencional. A continuación debemos comprobar que la impedancia de entrada esta entre 1012 y 1013 ohmios que es lo que permite utilizar el instrumento como electrómetro.
Para esto, colocar la escala de medida en 100 voltios. Conectar entre la entrada y masa un condensador de 1000 pF de poliéster. Durante un instante conectar los 100 V al condensador para que se cargue. El electrómetro deberá indicar 100 V valor que deberá bajar muy lentamente. Medir el tiempo que transcurre entre la conexión a 100 V y el momento en que el condensador se ha descargado y el electrómetro indica 36 V.
Esa es la constante de tiempo del circuito formado por el condensador y la impedancia de entrada del electrómetro RC. Como el condensador es de 1000 pF o sea 10-9 F
La impedancia de entrada sera: Zinp = Tdescaga . 10 9 .
Si el instrumento esta bien construido el tiempo de descarga esta entre 1000 y 10.000 segundos con lo que la impedancia de entrada estaría entre los 1012 y 1013 ohmios. Si el valor del tiempo de descarga es muy inferior, es que hay algún problema. Seguramente hay una falta de aislamiento a la entrada del OPA128. Como las corrientes de polarización del OPA128 afectan la descarga conviene comprobar esta medición con 100 V y con -100 V.
Medida de resistencias de alto valor.
Para medir resistencias de 10 Megohmios o inferior no es necesitamos emplear este aparato, bastara con un polímetro digital corriente, pero para muy altas resistencias nos puede venir muy bien. Basta con conectar la resistencia entre la tensión de +100V y la entrada, y poner en conmutador que ajusta la impedancia de entrada en un valor adecuado. leyendo la tensión y mediante unos sencillos cálculos sabremos el valor de la resistencia.
Medida de condensadores.
Hoy prácticamente cualquier polímetro te da la medida de un condensador instantáneamente, pero no te da las fugas, especialmente si son pequeñas. Con este instrumento colocamos un condensador en la entrada, ajustamos la impedancia de entrada, conectamos durante un instante la entrada a +100V y medimos el tiempo que tarda esta tension a 36 voltios. Mediante un sencillo calculo considerando la impedancia de entrada tendremso el valor del condensador.