diseño y construcción de referencia de tension con diodo zener pre t1 mie-2
TRANSCRIPT
Diseño y construcción de una f ó éreferencia de tensión eléctrica
continua basada en un diodo Zenercontinua basada en un diodo Zener(informe de avance)
David AvilésEnrique NavarreteEnrique NavarreteDionisio Hernández
CENAM
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
IntroducciónIntroducción
NOTA 1. Este trabajo ha sido desarrollado con recursos del gobierno federal de México. Sólo se permite su reproducción sin finesde 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 unp p y gentendimiento claro de las técnicas y procesos descritos. En ningún caso esta identificación implica recomendación o aval delCENAM o de alguna otra institución del gobierno federal de México, ni tampoco implica que los equipos o materiales identificadossean necesariamente los mejores para el propósito para el que son usados. El CENAM y las demás instituciones no tienencompromisos con ninguna marca comercial en particular.
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Importancia de mejorar los patrones secundarios de tensión eléctrica continua
P t ó0,001 µV/V
Nivel de incertidumbre
Referencias
Patrón nacional
TRA
ZA 1 µV/V
Multímetros y
Referencias Zener
AB
ILIDA
Multímetros y calibradores de alta
exactitud
D
10 µV/V
Multímetros y calibradores industriales 100 µV/V o más100 µV/V o más
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
El diodo Zenerd odo e e
I
Vz
V
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Gráfica Tensión – Temperatura de un Zener
de 7 V (LTZ1000)
Vz contra Temperatura
6,9∆V/∆T = 2 6 mV/°C
6,8
6,85∆V/∆T = 2,6 mV/°C
y = 0,00258x + 6,66065
6 7
6,75
sión
Vz
(V)
y = 0,00266x + 6,58701
y = 0,00266x + 6,544596,65
6,7
Tens
Iz = 4.7 mA
Iz = 2.6 mA
6,55
6,6
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Iz = 1.4 mA
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Temperatura (°C)
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Gráfica Tensión – Temperatura de la unión base-emisor de un transistor bipolar
Vb t T tVbe contra Temperatura
0,6129 i∆V/∆T 2 3 V/°C
y = -0,00214x + 0,63211
y = -0,0024x + 0,65070,59
0,629 microampere
35 microampere
41 microampere
∆V/∆T = - 2.3 mV/°C
y = -0,00234x + 0,61674
y = -0,00234x + 0,62515
y , ,
0 56
0,57
0,58
ón (
V)
p
45 microampere
0,54
0,55
0,56
Tens
ió
0,52
0,53
0,5110 15 20 25 30 35 40 45
Temperatura (°C)Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Compensación térmica (LTZ1000)(LTZ1000)
Referencia: Hoja de datos de Linear Technology Corporation
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Circuito de una Referencia ZenerCircuito de una Referencia Zener Fluke 732 B
+10 V10 V
Ra
1.018 V
1 kΩRb 1 kΩ
Vref
Rb
Horno a temperatura controlada 45 °C
ComúnComún
Vsal=Vref(1+RA/RB)
Referencia: Calibration: Phylosophy in Practice, Fluke
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Características de lasCaracterísticas de las Referencias Zener comerciales
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Referencias ZenerCaracterísticas:
• Efectos de temperatura• Efectos de Humedad• Efectos de Presión• Impedancia de salida• Es posible sacarles corrienteEs posible sacarles corriente• Insensible a vibraciones• Patrón robusto comparado con pilas patrón
Ni l d id d b j f i• Nivel de ruido de baja frecuencia• Estabilidad a largo plazo• Requieren baterías (ruido e histéresis)q ( )
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Efecto de histéresis de la tensión con la temperatura
Baterías Vsal
Horno a temperatura controlada a 45 °C
E l f i Z i l i t l b t íEn 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/VReferencia: Manual del Fluke 732 B
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Coeficientes de presión en referencias Zener
Coeficientes de presión de referencias Zener en partes en 109/hPa
Tipo “L” : modelos a partir de 1999p
Modelo: Fluke 732 B
Tipo “L” Tipo “M”
partir de 1999.
Tipo “M” : modelos anteriores a 1999.
1,018 V 1,6 - 2,4 - 0,1410 V 1,6 - 2,2 - 0,20
Para un cambio de altitud de 2000 m, ∆V ≈ 0,4 µV/V (tipo “L”)
T J Witt “Presure coefficients of some Zener Diode-Based Electronic Voltage Standards IEEET.J. Witt, Presure coefficients of some Zener Diode-Based Electronic Voltage Standards, IEEE Trans. Instr. And Meas., Vol 48, No. 2 APRIL 1999.
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
R f i Z Ef t d H d dReferencias Zener – Efectos de Humedad en la referencia Fluke 732B (salida de 1,018V)
)∑=
−+
−−−= ∆
n
j
j
ji eHftt
t k1
)( ](
1)()
[ τ
f(t) – Cambios de tensión por Referencia Zener salida de 1,018 V f( ) pefectos de humedad
?H – Cambio de %HR
K – Coeficiente de humedad
? – Constante de tiempo1 0181675
1,018168
1,0181685
ensi
ón .
140160180200
∆
τk? Constante de tiempoValores medidos**
k = 0,070 (µV/%HR)
? + = 19 d ías1 018166
1,0181665
1,018167
1,0181675
Te
6080100120140
rela
tiva
.
τ
τ? - = 45 días
1,018165
1,0181655
1,018166
0 10 20 30 40 50 600204060
Hum
edad
τ
0 10 20 30 40 50 60
Días
Referencia: L.X. Liu et all, “Response of Zener DC voltage Standards Under Humidity Step Change 9° Congrès International de MétrologyStep Change, 9 Congrès International de Métrology.
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Referencias Zener – Ruido
Ruido Blanco
Ruido 1/f (Flicker)Ruido 1/f (Flicker)
Referencia: T.J. Witt and Reymann, “Using spectra and Allan variances to Characterise y g pthe noise of Zener-diode voltage standards”, IEE Proc., Sci., Meas., Technol., Vol 147, No. 4 July 2000
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Referencias Zener – Ruido
• Limite de incertidumbre dada por el ruido 1/f en la referencia Zener 732 B
7 partes en 109 (7 nV) para las salidas de 1.018 V (Zeners tipo L)
,
7 partes en 109 ( 70 nV) para las salidas de 10 V
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Deriva a Largo Plazo
0.25 ppm/año0,25 µV/V por año
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Diseño y construcción de laDiseño y construcción de la referencia Zener
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Características de DiseñoPosibles mejoras sobre los Zeners comerciales
• Referencia sellada
Evitar efectos de presiónEvitar 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 temperaturaPara disminuir los requerimientos del control de temperatura
• Baterías desacopladas de la alimentación de tensión alternaBaterías desacopladas de la alimentación de tensión alterna
Disminuir el ruido
Evitar desconectar el Zener de la línea de alimentación para medirlop
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Diagrama a bloquesDiagrama a bloques
Regulador
Circuito de la referencia Zener
Cilindros de Aluminio
Módulo de baterías
Control de temperatura
45 +/- 0,01 °C
Bloque de cobre
,
Cargador de baterías
Termistor Calefactor
de baterías
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Circuito de la referencia ZenerCircuito de la referencia Zener
14 V
Vout
+10 kΩ
+
-14 V
+14 V
10 kΩ
VoutZ-14 V
400 Ω
Elementos de la referencia Zener LTZ1000
- Resistores de muy bajo coeficiente térmico
-Amplificador operacional de muy bajo ruido y
muy bajo corrimiento de “offset”
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Piezas del horno de la referencia ZenerPiezas del horno de la referencia Zener
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Regulador de tensión +/- 14 Vg
+
10 kΩ
RR
+ 14 V+ 18 V
++
+
10 kΩ R
R - 14 V
++
+
7 V LM399Amplificadores operacionales de bajo ruido y bajo offset
14 V
de bajo ruido y bajo offset
Resistores marca “Vishay” de bajo coeficiente térmico
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Diagrama simplificado del MóduloDiagrama simplificado del Módulo de baterías
TimerON - OFF
Fuente de tensión de 18 V
Regulador de 14 V 14 V
Baterías recargables de 18 V
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Control de temperatura
+
+ 12 V
1 kΩ 10 kΩ+ 12 V
_12 kΩ*10 kΩ* 47 Ω
5 kΩ_
Calefactor
2.5 kΩ
1 µF
_
+
12 kΩ*Termistor 47 Ω+
1 kΩ
10 kΩ
LED
1 µF
+10 kΩ Calefactor
* Resistores de bajo coeficiente térmico y alta estabilidadtérmico y alta estabilidad.
•Amplificadores operacionales de bajo “offset” y bajo ruido
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Resultados preliminares
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Variaciones de la tensión de salida con la temperatura del horno
LTZ 1000 con divisor resistivo
200
100
150
) R = 3 30 kilo ohm
0
50
- Vsa
l (25
°Cm
icro
volts
R = 3,30 kilo-ohm
R = 3,32 kilo-ohm
R = 3,34 kilo-ohm
R = 3 36 kilo ohm
-100
-5020 25 30 35 40 45 50
Vsal
(T) -
en m R = 3,36 kilo-ohm
R = 3,35 kilo-ohm
R = 3,8 kilo-ohm
-200
-150
Temperatura (°C)
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Variaciones de tensión con la temperatura al encender-apagar el horno
Referencia Zener LTZ1000+DivisorReferencia Zener LTZ1000+Divisor
21
23
, .
17
19
21
crov
olt/v
olt
13
15
Vsa
l en
mic
9
11
acio
nes
de
5
7
28 33 38 43 48
Var
ia
Temperatura en °C
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009
∼
Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009