Diseño y construcción de una referencia de tensión eléctrica. (informe de avance)

Transcripción

1 Diseño y construcción de una referencia de tensión eléctrica continua basada en un diodo Zener (informe de avance) David Avilés Enrique Navarrete Dionisio Hernández CENAM

2 Introducción NOTA 1. Este trabajo ha sido desarrollado con recursos del gobierno federal de México. Sólo se permite su reproducción sin fines de lucro y haciendo referencia a la fuente. NOTA 2. En este documento pueden aparecer marcas comerciales únicamente con fines didácticos y a fin de lograr un entendimiento claro de las técnicas y procesos descritos. En ningún caso esta identificación implica recomendación o aval del CENAM o de alguna otra institución del gobierno federal de México, ni tampoco implica que los equipos o materiales identificados sean necesariamente los mejores para el propósito para el que son usados. El CENAM y las demás instituciones no tienen compromisos con ninguna marca comercial en particular.

3 Importancia de mejorar los patrones secundarios de tensión eléctrica continua Nivel de incertidumbre TRAZA ABILIDA D Patrón nacional Referencias Zener Multímetros y calibradores de alta exactitud Multímetros y calibradores industriales 0,001 µv/v 1 µv/v 10 µv/v 100 µv/v o más

4 El diodo dodozener e I V Vz

5 Gráfica Tensión Temperatura de un Zener de 7 V (LTZ1000) Vz contra Temperatura 6,9 6,85 V/ T =26mV/ C 2,6 6,8 Tens sión Vz (V) 6, ,7 6,65 6,6 y = 0,00258x + 6,66065 y = 0,00266x + 6,58701 y = 0,00266x + 6,54459 Iz = 4.7 ma Iz = 2.6 ma Iz = 1.4 ma 6, Temperatura ( C)

6 Gráfica Tensión Temperatura de la unión baseemisor de un transistor bipolar Vbe contra Temperatura Tensió ón (V) 0,61 0,6 0,59 0,58 0, ,56 0,55 y = -0,0024x + 0,6507 y = -0,00214x + 0,63211 y = -0,00234x + 0,62515 y = -0,00234x + 0,61674 V/ T = mv/ C 29 microampere 35 microampere 41 microampere 45 microampere 0,54 0,53 0,52 0, Temperatura ( C)

7 Compensación térmica (LTZ1000) Referencia: Hoja de datos de Linear Technology Corporation

8 Circuito de una Referencia Zener Fluke 732 B V Ra V Vref Rb 1kΩ Horno a temperatura controlada 45 C Común Común Vsal=Vref(1+R A /R B ) Referencia: Calibration: Phylosophy in Practice, Fluke

9 Características de las Referencias Zener comerciales

10 Referencias Zener Características: Efectos de temperatura Efectos de Humedad Efectos de Presión Impedancia de salida Es posible sacarles corriente Insensible a vibraciones Patrón robusto comparado con pilas patrón Nivel de ruido de baja frecuencia Estabilidad a largo plazo Requieren baterías (ruido e histéresis)

11 Efecto de histéresis de la tensión con la temperatura Baterías Vsal Horno a temperatura controlada a 45 C En las referencias Zener comerciales, si se agotan las baterías y no se conecta, se enfría el Zener. Al reconectarlo la tensión de salida cambia en aproximadamente 0,25 µv/v Referencia: Manual del Fluke 732 B

12 Coeficientes de presión en referencias Zener Coeficientes de presión de referencias Zener en partes en 10 9 /hpa Modelo: Fluke 732 B Tipo L Tipo M Tipo L : modelos a partir de Tipo M : modelos anteriores a ,018 V 1,6-2,4-0,14 10 V 1,6-2,2-0,20 Para un cambio de altitud de 2000 m, V 0,4 µv/v (tipo L ) TJ T.J. Witt, Presure coefficients of some Zener Diode-Based Electronic Voltage Standards, IEEE Trans. Instr. And Meas., Vol 48, No. 2 APRIL 1999.

13 Referencias Zener Efectos de Humedad en la referencia Fluke 732B (salida de 1,018V) f i n ( t) = j = 1 H j k ( t ) tj [ 1 τ e + ( ) ] Te ensión. 1, , , , , , , , Referencia Zener salida de 1,018 V relativa. Humedad f(t) Cambios de tensión por efectos de humedad?h Cambio de %HR k τ K Coeficiente de humedad? Constante de tiempo Valores medidos** k = 0,070 (µv/%hr) τ τ? + = 19 d ías? - = 45 días Días Referencia: L.X. Liu et all, Response of Zener DC voltage Standards Under Humidity Step Change, 9 Congrès International de Métrology.

14 Referencias Zener Ruido Ruido Blanco Ruido 1/f (Flicker) Referencia: T.J. Witt and Reymann, Using spectra and Allan variances to Characterise the noise of Zener-diode voltage standards, IEE Proc., Sci., Meas., Technol., Vol 147, No. 4 July 2000

15 Referencias Zener Ruido Limite de incertidumbre dada por el ruido 1/f en la referencia Zener 732 B 7 partes en 10 9 (Zeners tipo L) 7 partes en 10 9 (7 nv) para las salidas de 1.018, V ( 70 nv) para las salidas de 10 V

16 Deriva a Largo Plazo 0, µv/v ppm/año por

17 Diseño y construcción de la referencia Zener

18 Características de Diseño Posibles mejoras sobre los Zeners comerciales Referencia sellada Evitar efectos de presión Evitar efectos de humedad, y obtener una deriva más lineal (predecible) Muy bajos coeficientes de temperatura Para disminuir los requerimientos del control de temperatura Baterías desacopladas de la alimentación de tensión alterna Disminuir el ruido Evitar desconectar el Zener de la línea de alimentación para medirlo

19 Diagrama a bloques Cilindros de Aluminio Circuito de la referencia Zener Regulador Bloque de cobre Control de temperatura 45 +/- 0,01 C Módulo de baterías Termistor Calefactor Cargador de baterías

20 Circuito de la referencia Zener + 10 kω 10 kω V Vout Z -14 V 400 Ω Elementos de la referencia Zener LTZ Resistores de muy bajo coeficiente térmico -Amplificador operacional de muy bajo ruido y muy bajo corrimiento de offset

21 Piezas del horno de la referencia Zener

22 Regulador de tensión +/- 14 V 10 kω + 18 V R R R + 14 V + R V 7 V LM399 Amplificadores operacionales de bajo ruido y bajo offset Resistores marca Vishay de bajo coeficiente térmico

23 Diagrama simplificado del Módulo de baterías Timer ON - OFF Fuente de tensión de 18 V Regulador de 14 V 14 V Baterías recargables de 18 V

24 + 12 V Control de temperatura + 1 kω 10 kω + 12 V _ 10 kω* 12 kω* 47 Ω 5 kω 1 µf _ 2.5 kω Calefactor Termistor 12 kω* _ 47 Ω 1 µf + 10 kω + 1 kω LED 10 kω Calefactor * Resistores de bajo coeficiente térmico y alta estabilidad. Amplificadores operacionales de bajo offset y bajo ruido

25 Resultados preliminares

26 Variaciones de la tensión de salida con la temperatura del horno LTZ 1000 con divisor resistivo Vsal(T) - Vsal (25 C ) en microvolts R=330kiloohm 3,30 kilo-ohm R = 3,32 kilo-ohm R = 3,34 kilo-ohm R=336kiloohm 3,36 kilo-ohm R = 3,35 kilo-ohm R = 3,8 kilo-ohm Temperatura ( C)

27 Variaciones de tensión con la temperatura al encender-apagar el horno 23 Referencia Zener LTZ1000+Divisor Vsal en mic crovolt/volt,. Varia aciones de Temperatura en C

28

29

30