Алгоритм создания необходимой электрической схемы с нуля

[realeugene]

У LMC662CM typical - 1 фА, но максимальный ток утечки - 2 пА. На самом деле, фемтоамперные токи - это уже очень круто и требуют специальных конструктивных решений вроде припайки проводка к ноге на весу, сборки части схемы на фторопластовых подставках и очень аккуратного подбора флюсов и способов их отмывки (а лучше вообще не мыть). Была история, когда у подобного усилителя измеряли входные токи, контакты переключателя замыкались фторопластовым штоком, и заряды, накопленные на поверхности этого фторопласта, искажали измерения. В общем, измерение аэроионов немного не студенческого уровня задача.

Ещё такого уровня токи можно измерять, заряжая ими небольшой качественный конденсатор в течение некоторого времени и измеряя потом напряжение на нём. Коммутация при этом - отдельная задача.

[Emergency]

Solaris86 в сообщении #1520893 писал(а):

У меня вопрос: как я подключу эту схему к микроконтроллеру, если я да же не могу понять, где какие тут токи и напряжения в каждой ветви?
Методами ТОЭ это не посчитать, догадываюсь.

А зачем вам считать токи и напряжения схемы? Вам известно, что все эти схемы сводятся к получению высокого напряжения на электродах и обеспечению некоторого (небольшого) тока разряда в газе. Все остальное - обеспечение стабильной работы схемы.

Solaris86 в сообщении #1520902 писал(а):

Инженер-разработчик: разрабатывает и усовершенствует технику.

Чтобы этому научиться, надо пытаться разобраться с работой простейших узлов и деталей, понять логику их работы, преимущества и недостатки различных решений. Потом все это как-то само собой превращается в понимание более сложных схем, глаз учится определять путь полезного сигнала и обращать меньшее внимание на вспомогательные цепи. То что вначале казалось жутким нагромождением элементов, превращается в более или менее логичное устройство.

[EUgeneUS]

realeugene в сообщении #1520936 писал(а):

это уже очень круто и требуют специальных конструктивных решений вроде припайки проводка к ноге на весу, сборки части схемы на фторопластовых подставках и очень аккуратного подбора флюсов и способов их отмывки (а лучше вообще не мыть).

Некоторых найденных описаниях реальных конструкций (без схем), там действительно небольшие фторопластовые проставки, и расположение измерительного ОУ непосредственно на датчике.
В общем и целом - согласен. Измеритель в этой поделке - самая сложная для разработки часть, если, конечно, все нюансы учитывать, а не просто схему нарисовать (и выбрать более-менее подходящие компоненты) "на отвяжись".

[Solaris86]

Прежде чем чем собирать усилитель, хочу прояснить верность моего понимания принципа работы конденсатора в схеме счётчика аэроионов.

Я предположил, что схема А служит для измерения отрицательных ионов, а схема Б - положительных ионов.
Одна из обкладок конденсатора, заряженного до некоторой разности потенциалов, имеет контакт с воздушным потоком (для А - это положительно заряженная обкладка, для Б - отрицательно заряженная обкладка), а другая обкладка защищена от доступа воздушного потока и через пикоамперметр заземлена. И работает это всё так: когда пролетающий ион отдаёт обкладке свой заряд, то на это обкладке заряд уменьшается на один элементарный заряд, при этом на противоположной обкладке за счёт электрической индукции также уменьшается заряд на один элементарный заряд, происходит это за счёт заземления (электрон либо уходит с обкладки на землю, либо уходит с земли на обкладку), при этом микоамперметр показывает ток.
Это верное понимание принципа?
Мне не ясно, как тут подключить пиковольтрметр, чтобы измерять то самое пиковольтовое напряжение и в дальнейшем его усиливать?

-- 03.06.2021, 07:52 --

По поводу подключения пиковольтметра появилось только одно предположение: подключить его параллельно пикоамперметру.

[EUgeneUS]

Solaris86 в сообщении #1520995 писал(а):

Это верное понимание принципа?

Нет.

Solaris86 в сообщении #1520995 писал(а):

Я предположил, что схема А служит для измерения отрицательных ионов, а схема Б - положительных ионов.

Наоборот.

Работает это так. Обе обкладки обдуваются воздухом - воздух просто продувается в зазор конденсатора.
Отрицательные ионы притягиваются к положительно заряженной обкладке и создают на ней ток. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженной обкладке и создают ток на ней. Токи зависят от приложенного напряжения, скорости потока, емкости измерительного конденсатора и, наконец, от концентрации и подвижности ионов (подробности см. в рекомендованной литературе)

В общем случае, эти токи не равны - так как концентрации и подвижности ионов разного знака различны. Поэтому устройство должно быть заземлено.

У Вас удачное решение - измерять ток на "холодной", заземленной через пикоамперметр, обкладке. Так как измерять такие токи на "горячей", находящейся под напряжением, обкладке просто для ламповых схем, а для полупроводниковых - отдельный геморрой.

[Solaris86]

Страница 126 учебника по счётчикам аэроионов:

Предложены 2 варианты подключения счётчика: а - параллельно измерительному конденсатору и б - последовательно с измерительным конденсатором.
Для каждого из двух вариантов подключения предложено 3 варианта заземления: а - схема с заземляемой собирающей обкладкой, б - схема с заземляемой отталкивающей обкладкой, в - схема с заземлённой промежуточной точкой.
Если я правильно понимаю автора учебника, то на данной схеме верхняя обкладка конденсатора собирающая, а нижняя - отталкивающая.
Как тогда понять ваши тезисы?

EUgeneUS в сообщении #1520996 писал(а):

Отрицательные ионы притягиваются к положительно заряженной обкладке и создают на ней ток. Положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженной обкладке и создают ток на ней. Токи зависят от приложенного напряжения, скорости потока, емкости измерительного конденсатора и, наконец, от концентрации и подвижности ионов (подробности см. в рекомендованной литературе)

Согласно Вашему посту, обе обкладки собирающие, так? Или я не верно понял?

-- 03.06.2021, 13:23 --

Кстати, в схеме с последовательны соединением конденсатора и электрометра я не могу понять, зачем ещё отдельно параллельно электрометру ветвь с ключом? И вообще, я знаю как подключается амперметр и вольтметр к цепи, но я не сталкивался с тем, как подключается электрометр к цепи...
Я могу предположить, что через электрометр ток не идёт, он как разрыв цепи или конденсатор. Тогда он должен включаться в цепь параллельно какому-то элементу, на котором мы хотим узнать напряжение, тогда на схеме "а" понятно его включение параллельно источнику питания, конденсатору и нагрузке. Но на схеме "б" электрометр подключён параллельно ключу, то есть короткозамкнутому участку провода, на котором напряжение равно 0 при идеализации, что соединительные провода и ключ имею нулевое сопротивление. Если же мы учитываем, что соединительный провод имеет отличное от нуля сопротивление и на любом его участке имеет место падение напряжения, тогда по такой логике почему я не видел, чтобы вольтметр подключали параллельно какому-либо участку провода?

[realeugene]

Solaris86 в сообщении #1521030 писал(а):

Если я правильно понимаю автора учебника, то на данной схеме верхняя обкладка конденсатора собирающая, а нижняя - отталкивающая.

Собирающая и отталкивающая что именно? Аэроионы какого знака?

Вы представили для себя физику процесса сбора аэроионов из воздушного потока? Она не совсем тривиальна.

Вот, вентилятор продувает поток воздуха между обкладками конденсатора. Аэроионы дрейфуют в электрическом поле. Куда они дрейфуют? Если заряды движутся - значит, есть электрические токи? Как они текут?

Solaris86 в сообщении #1521030 писал(а):

И вообще, я знаю как подключается амперметр и вольтметр к цепи, но я не сталкивался с тем, как подключается электрометр к цепи...

Начните с определения: электрометр - это...

Вообще, не забывайте, что любая схема - это не сборочные чертежи, а лишь схематичная иллюстрация важных идей при игнорировании неважных. Что важно, а что не важно, определяет её автор. Не стоит удивляться тому, что на анатомическом атласе кровеносной системы обычно не показаны нервы.

[Solaris86]

realeugene в сообщении #1521033 писал(а):

Собирающая и отталкивающая что именно? Аэроионы какого знака?

Собирающая ионы противоположного самой обкладке знака и отталкивающая ионы одного с обкладкой знака.

realeugene в сообщении #1521033 писал(а):

Вы представили для себя физику процесса сбора аэроионов из воздушного потока? Она не совсем тривиальна.

Подробных детальных механизмов я не знаю. В общих чертах представлю, что ион в электрическом поле конденсатора под действием силы Кулона отклоняется к обкладке противоположного с ним знака, далее "прилипает к ней" на какое-то время и в этот момент происходит отдача заряда конденсатору либо забор заряда у конденсатора, таким образом измеряется заряд одной из обкладок конденсатора и в цепи появляется электрический ток до тех пор, пока заряды обкладок опять не станут одинаковыми. А ион, превратившийся теперь в нейтральный атом или молекулу, увлекается потоком воздуха из конденсатора и покидает счётчик.

realeugene в сообщении #1521033 писал(а):

Начните с определения: электрометр - это...

В интернете пишут, что электрометр - это статический вольтметр. Но как он может быть статическим вольтметром, если подключается к цепи с током, где не электростатика, а электродинамика?

realeugene в сообщении #1521033 писал(а):

Вообще, не забывайте, что любая схема - это не сборочные чертежи, а лишь схематичная иллюстрация важных идей при игнорировании неважных. Что важно, а что не важно, определяет её автор. Не стоит удивляться тому, что на анатомическом атласе кровеносной системы обычно не показаны нервы.

Ну, я хотел бы, чтобы автор хоть пару слов сказал про допущения и пренебрежения, а то так понимай, как хочешь, и возникают вопросы.
Обычно же как изложение строится:
1. Сначала даётся идеальная модель с такими-то свойствами.
2. Далее объясняется, что в реальных случаях эта идеальная модель применима с такими-то ограничениями, допущениями и пренебрежениями.
Если для кого-то всё это очевидно, это хорошо, но автор же пишет учебник не только для одарённых Максимов, но и для обычного среднестатистического студента, для которого фразы автора "очевидно", "легко видеть", легко заметить", "не требует пояснений" и т.п. не всегда таковыми являются.

[realeugene]

Solaris86 в сообщении #1521044 писал(а):

Собирающая ионы противоположного самой обкладке знака и отталкивающая ионы одного с обкладкой знака.

То есть, каждая обкладка одновременно и собирающая, и отталкивающая? И одновременно в воздухе присутствуют аэроионы обоих знаков? Каждые собираемые своими обкладками? Как же прибор узнаёт, какие именно аэроионы он собрал?

Solaris86 в сообщении #1521044 писал(а):

и в цепи появляется электрический ток до тех пор, пока заряды обкладок опять не станут одинаковыми

В какой именно цепи? Вы не могли бы разъяснить свою фразу про "одинаковые заряды обкладок"? Что вы можете сказать про заряды обкладок? Предположим, что аэроионов нет и ток никуда не течёт.

Solaris86 в сообщении #1521044 писал(а):

В интернете пишут, что электрометр - это статический вольтметр. Но как он может быть статическим вольтметром, если подключается к цепи с током, где не электростатика, а электродинамика?

А вот так и может быть. Он представляет собой конденсатор, у которого измеряют силу, с которой притягиваются обкладки друг к другу. У него есть ёмкость при очень большом внутреннем сопротивлении. Пока напряжение не изменяется, ток через него не течёт.

Для этой схемы представьте, что электроскоп идеален, т. е. у него бесконечное сопротивление при нулевой ёмкости.

А вы, вообще, знаете, что такое "внутреннее сопротивление вольтметра"?

Solaris86 в сообщении #1521044 писал(а):

Ну, я хотел бы, чтобы автор хоть пару слов сказал про допущения и пренебрежения, а то так понимай, как хочешь, и возникают вопросы.

Мир жесток, да. Автор пишет книгу для человека с некоторым пониманием основ. Это не учебник, а описание его идей. Собственно поэтому задача и не для студента. Студент может сам не справиться даже с чтением подобной книжки.

[Solaris86]

Кстати говоря, я хотел бы заодно и разобраться с работой детектора ионов под названием чаша Фарадея.

Цитата из Википедии
Цилиндр Фарадея — устройство для определения полного электрического заряда и интенсивности пучка частиц. Назван в честь известного английского физика Майкла Фарадея.
Устройство изготавливается из массивного проводника, может иметь любую форму, не обязательно цилиндрическую, важно лишь, чтобы толщины материала хватило для полного поглощения частиц пучка. Цилиндр устанавливается в вакууме. При измерениях на него выводится пучок частиц и измеряется стекающий заряд, с точностью до ошибок измерения равный заряду поглощённого пучка. Ошибки измерения связаны с рассеянием некоторых частиц пучка на большие углы за пределы цилиндра, а также со вторичной эмиссией электронов. Цилиндр Фарадея широко применяется на разных типах ускорителей, в основном на этапах запуска и наладки, а также для калибровки других устройств, поскольку относится к разрушающим методам диагностики.
Не совсем понимаю, как стекает заряд, если электрометр - это разрыв цепи?
1. Положительный ион ударился о чашу и захватил электрон.
2. Заряд отрицательного полюса источника питания уменьшился на единицу.
3. Вслед за этим заряд положительного полюса источника питания должен уменьшиться на единицу, для чего забирается электрон у стержня и стрелки электрометра.
4. Отклонение стрелки электрометра уменьшается за счёт уменьшения заряда стержня и стрелки электрометра.
5. Заземлённым корпусом электрометра один электрон захватывается через заземление у земли, чтобы скомпенсировать уменьшившийся отрицательный заряд стержня и стрелки электрометра с помощью уменьшения положительного заряда корпуса электрометра.
Примерно так это объясняется?

-- 03.06.2021, 15:22 --

realeugene в сообщении #1521051 писал(а):

То есть, каждая обкладка одновременно и собирающая, и отталкивающая? И одновременно в воздухе присутствуют аэроионы обоих знаков? Каждые собираемые своими обкладками? Как же прибор узнаёт, какие именно аэроионы он собрал?

Вот это самое непонятное для меня место. Если в конденсаторе каждая обкладка одновременно и собирающая, и отталкивающая, то конденсатор разряжается как за счёт положительных ионов, забирающих заряд у отрицательно заряженной обкладки, так и за счёт отрицательных ионов, отдающих свой заряд положительно заряженной обкладке. При этом в какие-то моменты времени заряд на обкладках случайным образом либо будет одинаков, либо будет разный и тогда нужен механизм, обеспечивающий в каждый момент времени равенство зарядов на обкладках - вероятно, заземление одной из обкладок, которое позволит либо скинуть лишние электроны на землю, либо забрать недостающие электроны у земли.
Есть такое предположение: конденсатор непрерывно заряжается от источника питания, поэтому если сделать так:

Тогда уходящий с конденсатора заряд на каждую обкладку будет тут же поставляться с клеммы источника питания. И можно будет отслеживать ток отдельно для каждой обкладки конденсатора и узнавать его значение по пикоамперметрам pA1 и pA2. Но меня опять же смущает возможная неодинаковая скорость потери заряда обкладками конденсатора, как в этом случае будут происходить работа источника питания по восполнению зарядов на обкладках?

Solaris86 в сообщении #1521053 писал(а):

В какой именно цепи? Вы не могли бы разъяснить свою фразу про "одинаковые заряды обкладок"? Что вы можете сказать про заряды обкладок? Предположим, что аэроионов нет и ток никуда не течёт.

Цепь источника питания-конденсатор. Заряды обкладок становятся одинаковыми, они нарастают до тех пор, пока потенциалы обкладок не станут равными потенциалам клемм источника питания.
Если аэроионов нет и ток никуда не течет, то конденсатор может очень медленно разряжаться за счёт токов утечки (через изоляцию на землю).

realeugene в сообщении #1521051 писал(а):

Для этой схемы представьте, что электроскоп идеален, т. е. у него бесконечное сопротивление при нулевой ёмкости.

Почему у электроскопа нулевая ёмкость мне не совсем ясно, потому что вместо корпуса из проводника силовые линии электрического поля при заряженном электроскопе заканчиваются на ближайших к нему проводниках: потолок, стены, пол, люди и т.п.

realeugene в сообщении #1521051 писал(а):

А вы, вообще, знаете, что такое "внутреннее сопротивление вольтметра"?

Это сопротивление его токопроводящих частей, оно в идеале должно стремиться к бесконечности, чтобы ток через вольтметр стремился к нулю.

[realeugene]

Solaris86 в сообщении #1521053 писал(а):

Вот это самое непонятное для меня место. Если в конденсаторе каждая обкладка одновременно и собирающая, и отталкивающая, то конденсатор разряжается как за счёт положительных ионов, забирающих заряд у отрицательно заряженной обкладки, так и за счёт отрицательных ионов, отдающих свой заряд положительно заряженной обкладке. При этом в какие-то моменты времени заряд на обкладках случайным образом либо будет одинаков, либо будет разный и тогда нужен механизм, обеспечивающий в каждый момент времени равенство зарядов на обкладках - вероятно, заземление одной из обкладок, которое позволит либо скинуть лишние электроны на землю, либо забрать недостающие электроны у земли.

Да, именно, этот нескомпенсированный ток должен стечь в Землю. На самом деле, не важно, какую обкладку заземлять, и сетевой прибор скорее всего можно не заземлять специально вообще: нескомпенсированные токи мизерные и они стекут через не слишком высокое сопротивление изоляции между первичными, вторичными цепями и корпусом прибора Но про то, куда эти токи текут, забывать не следует.

Solaris86 в сообщении #1521053 писал(а):

Заряды обкладок становятся одинаковыми

Что вы вообще называете "зарядами обкладок"? Как заряды распределены по обкладкам?

Solaris86 в сообщении #1521053 писал(а):

Почему у электроскопа нулевая ёмкость мне не совсем ясно

Потому что это - идеализация. Механический электроскоп скорее всего непригоден для измерения таких малых зарядов. Впрочем, точно не знаю, может быть и бывают микроэлектроскопы.

Solaris86 в сообщении #1521053 писал(а):

Это сопротивление его токопроводящих частей, оно в идеале должно стремиться к бесконечности, чтобы ток через вольтметр стремился к нулю.

Это неверно. Не только токопроводящих частей. Это сопротивление между клемами вольтметра, которое видно внешней схеме. У электростатических вольтметров это только сопротивление утечки изоляции, но большинство вольтметров содержат внутри себя сопротивление порядка 10 МОм и, на самом деле, измеряют ток, текущий через это сопротивление.

[Solaris86]

Solaris86 в сообщении #1521053 писал(а):

И можно будет отслеживать ток отдельно для каждой обкладки конденсатора и узнавать его значение по пикоамперметрам pA1 и pA2

Это же ток в одной цепи, он одинаков во всей должен быть, иначе нарушается первый закон Кирхгофа...
Короче говоря, я запутался окончательно.

-- 03.06.2021, 15:59 --

realeugene в сообщении #1521058 писал(а):

Что вы вообще называете "зарядами обкладок"? Как заряды распределены по обкладкам?

Избыток электронов на одной обкладке и равный ему дефицит электронов на дурной обкладке. Заряды по обкладкам распределены равномерно по внутренней поверхности с некоторой поверхностной плотностью заряда $\sigma$ (кроме краёв этих обкладок, где их этих зарядов больше).

[realeugene]

Solaris86 в сообщении #1521059 писал(а):

Это же ток в одной цепи, он одинаков во всей должен быть, иначе нарушается первый закон Кирхгофа

Дорисуйте к цепи поток воздуха и Землю.

Solaris86 в сообщении #1521059 писал(а):

Избыток электронов на одной обкладке и равный ему дефицит электронов на дурной обкладке. Заряды по обкладкам распределены равномерно по внутренней поверхности с некоторой поверхностной плотностью заряда $\sigma$ (кроме краёв этих обкладок, где их этих зарядов больше).

А снаружи на обкладках нет зарядов?

[Solaris86]

realeugene в сообщении #1521061 писал(а):

Дорисуйте к цепи поток воздуха и Землю.

Так?


-- 03.06.2021, 17:01 --

realeugene в сообщении #1521061 писал(а):

А снаружи на обкладках нет зарядов?

Да, точно, есть.

[EUgeneUS]

Solaris86 в сообщении #1521070 писал(а):

Так?

Нет. У Вас получилось, что обкладки конденсатора замкнулись через Землю.
На фиолетовых линиях д.б. изображены источники тока.