Keithley 610C Transistor-Elektrometer

Keithley 610C Frontansicht (Tischgerät, es gibt auch eine Rack-Ausführung)
(Bilder zum Vergrößern anklicken)

Das Keithley 610C ist ein vielseitiges Elektrometer. Im engeren Sinne wäre das also ein Meßgerät für Gleichspannungen mit sehr hohem Eingangwiderstand. Das 610C kann zusätzlich zu Spannungen auch Ströme, Ladungen und Widerstände in weiten Bereichen messen.

Spezifikationen

• 11 Spannungsbereiche, 1 mV bis 100 V Vollausschlag (× 1 / × 3 - Stufen)
  Eingangswiderstand >10¹⁴ Ω oder dekadisch wählbar 10 Ω bis 10¹¹ Ω
  Genauigkeit 1% vom Vollausschlag, Rauschen 25 μV,
  Nullpunktdrift <1 mV pro Tag bzw. 150 μV pro °C
• 28 Strombereiche, 10^-14 A bis 0.3 A Vollausschlag
• 25 lineare Widerstandsbereiche, 100 Ω bis 10¹⁴ Ω Vollausschlag
• 17 lineare Ladungsbereiche, 10^-13 C bis 10^-3 C Vollausschlag

Das Anzeigeinstrument kann zwischen positiver und negativer Polarität sowie bipolarer Darstellung mit Null in der Skalenmitte umgeschaltet werden.

Der Eingang liegt an einer PL259-Buchse («UHF»-Buchse, im Amateurfunk weit verbreitet). In diesem Punkt merkt man dem 610C sein Alter an – modernere Elektrometer haben triaxiale Eingangsbuchsen, bei denen der innere Schirm («Guard») vom Verstärker niederohmig auf Eingangspotential gehalten wird, um Leckströme zu minimieren. (Bereits das Keithley 602 von 1975 hatte einen triaxialen Eingang). Mit einem Adapter kann man das auch beim 610C erreichen, das Guard-Potential liegt am «× 1»-Ausgang an der Geräterückseite an (verwirrenderweise gibt es dort auch noch eine Klemme namens «Guard», die aber zur Widerstandsmessung im Feedbackbetrieb verwendet wird).

Das Gerät hat zwei Ausgänge auf der Rückseite, einen für DVM oder Schreiber mit +/- 3 V oder +/- 1 mA – leider mit Spezialstecker – und einen zweiten («× 1») mit der am Eingang anliegenden Spannung. Man kann es damit auch als Verstärker nutzen, die Bandbreite geht von 40 kHz bei × 1 hinunter bis auf 100 Hz bei maximaler Verstärkung.

Ströme kann man mit dem 610C als Spannungsabfall über einem Widerstand messen. Der große Bereichswahlschalter dient zur Auswahl des Widerstands entsprechend 1 / Strombereich, so z.B. 1 nA entspricht 1 GΩ. Da trotzdem eigentlich nur die Spannung gemessen wird, kann man die Strombereiche auch dafür verwenden, um bei Spannungsmessungen einen definierten Eingangswiderstand von 10 Ω – 100 GΩ zu wählen.

Wenn man den «Feedback»-Schalter auf «Fast» schiebt, wird der Widerstand zwischen Ausgang und Eingang des Verstärkers geschaltet, wodurch der Spannungsabfall am Eingang unter 100 μV bleibt.
Dadurch spricht das Gerät bei kleinen Strömen (= hohen Quellimpedanzen) schneller an, weil die Eingangskapazität nicht umgeladen werden muß.

Meßprinzip im «Fast»–Modus: Ein Transimpedanzverstärker

Keithley 610C Rückansicht.
Hilfreich: Eine (knappe) Bedienungsanleitung ist aufgedruckt!

Die Coulomb-Bereiche funktionieren genauso (also nur im Fast-Mode) mit einem Kondensator statt dem Widerstand im Gegenkopplungspfad, d.h. das Instrument integriert den Eingangsstrom (Q = I * t).

Aufbau

Das 610C ist ein bestechend einfaches und doch sehr komplex und vielseitig anwendbares Meßgerät. Im Wesentlichen besteht es aus einem diskret aufgebauten Operationsverstärker mit MOSFET-Eingang, der mit +/- 120 V Versorgungsspannung arbeitet, dadurch kann er im gesamten Meßbereich bis +/- 100 V ohne den ansonsten benötigten Eingangsteiler auskommen. (Batteriebetriebene Elektrometer können das üblicherweise nicht, das erwähnte Keithley 602 z.B. mißt nur bis 10 V, obwohl es ansonsten fast gleich aussieht und ähnliche Daten aufweist.)
Der Verstärker hat einen dreistufigen Nullabgleich mit zwei Schaltern für grobe und mittlere Stufen (grob auf der Geräterückseite, sollte man eigentlich nie brauchen), und ein Zehngangpotentiometer für den Feinabgleich. Der Nullpunkt bleibt gut stabil, wenn das Gerät erst aufgewärmt ist, besonders im Vergleich zu früheren Geräten wie dem sehr ähnlich aufgebauten 610B, das aber noch Elektrometerröhren im Eingang verwendet.

Insgesamt enthät der 610C nur 10 Transistoren und 2 Feldeffekttransistoren, die alle der Verstärkung dienen — die Netzteilstabilisierung besteht nur aus ein paar Zenerdioden.

Der eigentliche Aufwand steckt aber im Detail:

Bereichswahlschalter mit Teflon-Isolation.

Eingangsstufe. Die beiden MOSFETs sind thermisch verbunden, der Eingang wird mit Teflon-Isolatoren über der Leiterplatte herausgeführt. Links im Bild der Null-Schalter.

Bereichswiderstände von 10 Ω bis 10¹¹ Ω.
Ja, es gibt tatsächlich 100 GΩ-Widerstände als Bauteil! (In der Stückliste steht als Lieferant Fa. Victoreen. Heute produziert Ohmite Werte bis 10 TΩ!)

Ausgangsstufe und Netzteil

Innenansicht. Oben die Netzteil- und Ausgangsleiterplatte, unten in der Mitte der Eingangsverstärker.