晶体管恒温炉
本帖最后由 longshort 于 2013-10-12 14:43 编辑前言
顾名思义，“恒温炉”是用于将一个有限空间的温度保持在恒定状态的设备。缀之以“炉”，说明这种设备要保持的温度高于环境温度之上。
传统的恒温炉采用温控开关的方式来设定温度，现代恒温设备则采用温度传感器获得温度变化的信息，据此对设备进行适当的控制，其实这与温控开关的古老方式也没太大的区别，温控开关给出的是“高”还是“低”的区别，数字化技术则将这种高／低状态细分为多个步距，从而实现精细的控制。
无论是模拟技术还是数字技术，基本控温过程都是相近甚至一致的，因此这里仅以模拟方式下的炉温控制及其构造作一些探讨。
恒温炉的实现，有油浴、气浴作为热传导方式，以电阻丝、晶体管、PTC等作为加热源的实现手段等等方法。电阻丝加热在传统恒温炉中最为常用，现代电子产品中则普遍使用晶体管加热方式，而一些对温度变化要求不太高的场合则使用PTC作为加热源。
电阻丝加热源靠热损耗将电能转换成热能，通过间接加热热沉给加热目标提供温升，转换时间长、电能消耗大是这种加热方式的弱势。
晶体管加热源靠本身的热阻将电能转换成热能，其间的损耗与热阻的大小有关。通过传感器和控制电路能够对晶体管的加热状态进行精细控制，可以实现m°K级甚至更好的结果。
PTC加热源采用新近流行的PTC加热片，体积小巧容易集成，但规格和效果不是很理想。例如50°C的加热片，在45°C到60°C之间有一个转折区域，跨度达到15°C左右，对于要求1°K范围以内的应用控制实在过于粗糙，但用于普通TCXO的恒温改良，则是一种非常有效的器件。
由于晶体管加热技术的文献几乎找不到，所以根据自己的经验来记录这种实现方法。本文仅对晶体管加热方式试作一浅显的叙述，供作探讨。
本帖最后由 longshort 于 2013-10-13 07:01 编辑
恒温容器
恒温容器最常使用的材料是铝合金，热传导能力较高、热容量居中而使之成为优选。
恒温容器的内容物是加热目标和热媒介。加热目标就是需要保持一定温度的基准器件等等，而热媒介则可以是水、油、空气。用水作热媒介不太现实，要求必须是纯水，这样才不会因为含有杂质而对电子元件产生负面影响。变压器油可以作为热媒介，但其热膨胀系数较大，需要考虑加热以后产生的各种可能的后果，同时油品对于高分子材料有负面作用，产生的问题很多。而最常见到的则是空气作为热媒介，它无须考虑介质泄漏的问题，对电子元件的性能也没有显著的影响，但由于空气的热阻较高而使恒温容器内部的温度场梯度增大，这对加热目标是有一定影响的。
文献认为在油浴环境下，基准具有比气浴环境下更低的噪声，但油浴方法需要解决前述的负面影响，这使恒温炉在小型、微型化的今天显得很不适应。
既能保持温度梯度在最低的水平并且使加热效率增高的方法，是使用金属代替水或油作为热媒介、加热源直接加热金属的技术路线。热能在金属中的传导比在不流动的液体中传导要快得多，所以用合适的金属来替代油浴是一种可行的方法，金属中铝合金是一种廉价而导热良好的金属材料，用它来制作恒温容器是最合适的，这就能够通过晶体管加热技术来容易地实现这种方法。
将铝合金材料作为恒温容器兼导热介质，需要对它的某些特性作一些探讨。
假设加热源是点状的，热流呈均匀的放射状在容器平面上展开。若容器与环境空气之间有一定的热隔离措施存在且可忽略散发的热量，那么在特定距离上获得的热量与加热源给出的热量与距离的平方成反比，如下图所示：
严格地说，图中从加热源向四面扩散的热流在加热目标处又汇集到一起，若途中热量损失忽略不计的话，这一点的总热量应与加热源发出的热量相当。但实验无法得到这样的结果，在加热目标上获得的温度波动远低于加热源的波动，并且低到无法察觉的地步，变化的程度非常接近与距离平方成反比的规律。具体什么原因有待考察。
热量的具体多少无关紧要，要紧的是能够产生多少温度的变化，而温度的变化可以通过传感器并由控制电路来调节，因此温度的变化及其变化率是重要的。
传感器的安装位置很重要，它位于加热源与加热目标的路径中间的任一位置。假设传感器与加热源的距离为a，加热目标与加热源的距离为b，则a:b就成为度量加热目标一端温度波动的重要参数。
设a=2mm，b=30mm，则a与b之比为15。
已知平面导热介质的热量传导与距离的平方成反比，所以在加热目标端得到的热量在任一瞬间为传感器端的(1/15)²。
或者说，在15²或225倍的加热时间后加热目标端的温度与传感器端的平均温度持平，假定温度上升是线性的。
还可以说，当传感器端发生温度波动时，加热目标端的温度波动是传感器端的1/225。
假设传感器端的温度发生了100m°K的波动，那么在加热目标端的温度波动将为0.444m°K。如果加热目标的温度系数为1ppm/°K，那么这个波动对加热目标的影响是0.000444ppm。
现在我们可以预想，控制电路的PID还有必要去仔细计算么？任何波动都被上述这种结构在物理上给平滑了。
作为热沉的恒温容器还有一个保持功率的问题。实例是用的2mm厚度的合金铝型材，在有一定保温措施并可忽略热量损失的情况下，保持功率的实验结果约为55mW/cm²，发生温度改变或对抗温度改变时所需的温度-功率变化率约为4.5mW/cm²/°K。
本帖最后由 longshort 于 2013-10-12 14:48 编辑
加热源
加热源是任意一种功率晶体管。功率晶体管的热阻越小，所产生的热量就越多地转移到作为散热器的热沉上，而热沉就是需要加热的恒温容器。
晶体管的热阻分为结-外壳热阻和结-环境／大气热阻。一般情况下，功率晶体管的手册同时给出结-外壳热阻RqJC，结-环境热阻RqJA，有些还会给出外壳-散热器热阻RqCS。这里注重的是结-外壳热阻RqJC，选型的原则是越小越好，实例中的型号是TO220AB封装的P沟道MOS场效应管IRF4905。
TO220AB封装的晶体管，管芯到基板表面的距离可假设为1mm。
IRF4905的降额因子是1.3W/°C，从环境温度为25°C开始计算。若最高的外壳温度为65°C，那么需要减少的功耗为(65-25)*1.3=52W，即在65°C的外壳温度下最大的耗散功率为200-52=148W。由于这里介绍的恒温炉加热时的最大功率不过几W，所以这个问题可以忽略。
加热目标
加热目标就是需要保持特定温度的基准类器件，可以是基准管、石英晶体、精密电阻器和精密电容器等。
加热目标本身有一定的热阻，它与环境的相互作用使加热目标产生的输出可能不同于手册中记录的值。在实例中使用了国产基准管2DW232，手册中给出了降额因子而没有给出热阻，它的降额因子是在环境温度Ta>50°C时以1.6mW/°C线性降额。
降额因子的倒数就是热阻，1.6mW/°C的倒数为0.625°C/mW。换句话说，2DW232的耗散每增加1mW，结的温度就在环境温度的基础上上升0.625°C。对于在空气导热环境中的2DW232，当环境温度为手册中规定的55°C时，标称的5mA工作电流和6.2V的工作电压将产生31mW的电耗散，此时的结温在环境温度的基础上上升19.375°K，即结温为74.375°C。
显然，在以空气为热媒介的情况下测出的基准温度系数曲线，与以环境温度等于外壳温度的情况下测出的温度系数曲线是不太一样的。下面照片是我用水和冰来测出恒温目标温度系数的方法：
添加不同温度的水或者不同数量的冰，可以得到希望的温度范围，这有助于在任何环境温度下获取所需要的测量参数。这个小盒中的热介质与热沉的共同作用，使范围为0°~80°C的温度小环境得以实现，在27°C的环境温度下，温度循环一次的时间接近50分钟。
可以看到，外壳温度等于或接近于环境温度的方法就是使用热沉的方法。将基准器件通过热沉与加热源紧密联系起来，均温效果增强、热效率成倍提高，这使恒温设备的移动应用有了实现的可能。
本帖最后由 longshort 于 2013-10-12 14:50 编辑
传感器
这里的传感器使用MF58型热敏电阻实现，下图是它的温度系数曲线：
所用的热敏电阻器的阻值是在20°C下为50KΩ的标称值，感兴趣的温度点是45°C，这一点的斜率dR/dT大约为827Ω/°K。
MF58热敏电阻器的标称外直径是2mm，即管芯到外表面的距离是1mm，此时它距离加热管的管芯距离约为2mm。
作为传感器的热敏电阻有一定的热延迟，手册中的时间常数数据达到30秒，这和LM35、DS18B20等差不多。在实际应用中只要紧靠加热源，阻值的反应时间远远比这个值要小得多。
本帖最后由 longshort 于 2013-12-30 15:43 编辑
控制电路
控制电路总的形式不是很多，大体上可分为负反馈式、通断式两种。Thy888曾经在一篇文章中提到过这两种形式，当时他称为“线性连续加热电路”和“通断加热电路”，但没有找到他的有关于此的专帖。
负反馈式是通过传感器的阻值变化调整控制电路的输入，来对加热器件进行功率调整。这种调整的精细程度与控制加热器件的放大器增益有关。以输出扫幅为10V作为衡量标准，对于增益为120dB的运放，传感器上10µV的变化就可以获得10V的输出扫幅。在实践中通常要求反应时间能够快一些，所以这个值增为10倍比较合适，即100µV。负反馈式控制器的示意图如下：
在图中数据下，稳定时的保持功率为1.1W（电流约为110mA~55mA）。
若传感器与加热目标各自对加热源的安装距离之比为1:15的话，按运放的最大反应阈值为100µV计，产生这一电压的传感器阻值变化约为1.0143Ω，对应的温度变化约为1.23m°K，这意味着加热目标端的温度波动为这个值的1/225，即约5.45µ°K，这是个非常高端的值。
负反馈式控制器的劣势是对电源电压有些敏感。实验表明每变化1V的电源电压，就有大约0.05~0.5°C的控制点变化，这使需要高效率使用电源的移动应用无法成为现实。解决这个问题的方法，就是采用通断式控制器。
通断式是根据传感器在电路中的位置与分压器形成电桥的形式，通过放大器再对加热器件进行功率控制，因而加热期间的工作方式是开关式的，它对加热目标的作用是一个受控占空比的PWM波，当然频率非常低，稳定时的频率大约为0.05Hz，即20秒左右一个开关周期。由于放大器工作于开关状态，作为放大器的运放处于比较器的状态下工作，因此驱动的电平需要高一些，一般认为1mV比较适当，可以快速地驱使比较器从一个饱和的状态转向另一个反向的饱和状态。
下图是通断式控制器的电路示意：
图中D1和R4用来显示工作状态，除此之外增加了R5、R6、R7和BG1四个元件，其中R7是PTC陶瓷的加热片，用于充当BG2的限流电阻并和热沉组装在一起充分利用所产生的热量来提高热效率。除此之外的另三个元件则用于移动电平，使加热管可以接到无须稳压的直流电源上，进一步提高电源的使用效率。
按图中数据，接通时的电流在5W电源时接近0.3A，稳定时的接通电流约为100mA。接通与断开的比例在稳定后且环境温度为28°C时大约为1:14，相当于7mA多一点的平均电流，这跟保温、热沉面积和电源电压均有关。通常保温状态下散失的热量可以忽略不计的话，热沉面积越大则通-断比例越小，同时环境温度越低通-断比例也越小；此外加热管的供电电压越低，通-断比例也越小。
若传感器与加热目标各自对加热源的安装距离之比为1:15的话，按运放的最大翻转阈值为1mV计，产生这一电压的传感器阻值变化约为10.143Ω，对应的温度变化约为12.3m°K，这意味着加热目标端的温度波动为这个值的1/225，即约54.5µ°K，这同样是个非常高端的值，虽然比负反馈式控制器大了9倍。
一个极端的例子是将传感器安装于加热源与加热目标的正中间，即安装的距离比为1:2，于是加热目标端的波动将只比传感器感受到的波动小3/4。由于安装距离是原来的7.5倍，因此在传感器上感受到的12.3m°K波动，在原来的位置上将增加为过去的7.5²=56.25倍即691.875m°K=0.692°K，加之加热源到达传感器的热量的延迟时间也增加为7.5倍，这使随后到达的热量持续时间延长为将近7.5倍，于是加热目标端的温度持续上升，在保温材料的作用下，上升的幅度接近7.5倍。定性分析看来，传感器过荷时间很长，加热管关闭的时间相应延长，这使加热源处的温度下降幅度增大，再传递到加热目标后的下降幅度增大。实验得到的结果是，加热目标端（单核心基准）的波动幅度可达7µVrms，比thy888提到的3µV波动还要大一倍。
通-断式控制器的弱势是需要较多的元件，并且对电源的冲击较大。图中C1的作用是改善噪声响应并且减弱电源冲击的影响，使接通和断开时的变化变得比较柔和。增加元件的结果是减少了电源消耗，弱点就此转化成为优点。
最后还要考虑一下电路中传感器的老化性能对电路的影响。若作为传感器的MF58热敏电阻器在运行寿命的某一时段中阻值变化了1000ppm，那么在45°C下的变化值为21Ω，对于设定的控制点，移动了21/827=25.4m°K（参考传感器一节）。变化1000ppm需要多长时间呢？厂方没有给出明确的参数，从使用的情况来看，第一年的变化率远小于100ppm。于是要达到1000ppm的变化，要么超过十年，要么器件损坏。
本帖最后由 longshort 于 2013-10-12 14:56 编辑
保温措施
保温材料一般选择聚氨脂泡沫带，其它有相当保温能力的材料都可以用，适用的温度范围大约从常温一直到65°C左右，再高容易造成保温材料的快速脆化而降低保温性能。
泡沫保温材料的包裹有一定的讲究。在泡沫材料中有大量的小孔，这些小孔多半都是连通的，因而实际上材料内部空间的空气有一定程度的流通，这对保温效果有一定的影响。具体影响多少没有数据，但实验过程显示了这种影响的存在。
用2~3mm左右厚度的聚氨脂泡沫塑料带在热沉表面缠绕两层，然后用一般的透明胶带在外面缠绕封装，缠绕时用一点压力，使泡沫材料压缩到放松时的一半或更多一些，这样可使泡沫材料的内部孔洞互相之间的连通充分减少。
压缩之后的泡沫材料比未压缩时的保温性能有所改善，这体现在时间常数大约20%的延长。在使用通断式控制器并保持环境温度不变的情况下，实验达到的性能之一是通-断比从大约18秒延长到22秒，这直接正比于电能的节省。
实例中用上述材料对10cm²表面积的热沉进行包裹，横向缠绕两层，纵向再缠绕两层，再用透明胶带包扎后的厚度不超过3mm。当热沉工作时温度稳定后，调整相关元件使控制点温度下降1°C时，通断式控制器断开的时间花了整整180秒以上即3分钟还多。
本帖最后由 longshort 于 2013-10-12 15:02 编辑
实例
一个实例是为四核基准做一个恒温炉。
恒温炉采用2mm厚度的L型合金铝型材作为热沉，边长为2cm的方型，上下热靴连接处的高度为1cm，则总面积共约为10cm²。下面分别是侧剖面示意图和实物图：
图中的加热管为IRF4905，黄腊绸包裹的PTC元件为5V2W50°C规格的加热片，其实12V2W70°C规格也能用，目的只是用于给加热管限流，加热能力是附带的。传感器藏在加热管下面垫高的两片小铝片中间。这样一个恒温炉的传感器和加热目标分别与加热源的距离之比是1:15。
加热目标是国产基准管2DW232，经过十五次0°~100°C循环温度冲击，选择零温度系数点在45°C左右且工作电流较小的四个管子作为一组。
用薄的聚氨脂泡沫带在热沉上横向及纵向各缠绕两层，并且用透明胶带压缩性地绑扎好，如图：
由于本例中的热沉是两个L型的角铝连接而成，在热量的扩散路径上比四面连接的要少了四分之三的面积，故实际的加热目标端获得的热量或者波动是四面连接形式的四倍，即约为4/225=0.0178。热流向如下图所示：
采用前面介绍的通断式控制器，翻转温度的阈值为12.1m°K，按上式算，对应的加热目标端温度波动约为0.22m°K，对于加热目标在恒温点的温度系数为1ppm/°K的器件，影响为0.00022ppm。
下图是包含基准、控制器与稳压器的小板：
小板装在屏蔽盒中，屏蔽盒安装在大板上，布局如下图：
这样组装完成后的10V基准，在环境温度为28°C时的性能为：
初始加热时间为90秒，进入2ppm的时间为2小时，在6小时后进入1ppm范围。
负载能力为10mA，负载调整率为3ppm/mA，或30µV/mA。
稳定后的控制器通-断比约1:15，恒温炉平均工作电流约7.3mA；整机工作电流约47mA上下，交流供电下的总功耗约0.94W。
直流供电下，电源是3AH18.5V的锂聚合物电池，预期的续航时间至少为50小时。
在10V档测量，DC~0.78Hz频段的有效值噪声在0.7µV~3.5µV之间，视一天中的不同时段有所区别；相对10V输出，相当于0.07ppm到0.35ppm之间，平均为0.228ppm左右。
两台同规格、同工艺、同一选型标准的10V基准背靠背连接测量，六天的有效值噪声平均为0.35µV，对应单台平均0.245µV的水平。测量中测得的最大单台平均有效值噪声为0.552µV，最小单台平均有效值噪声为0.158µV，相对基准的10V输出，噪声水平分别相当于0.0552ppm和0.0158ppm。
无法在六位半的条件下精细测量基准随温度的确切漂移量，但通过背靠背连接的方法，两台基准在22天中的合成偏移在0~16µV内变化，且基本上与温度变化不构成对应关系。
在整个测试期中，没有发现控制器通-断过程的节律变化与显示的测量值的变化相关联，这表明通-断过程没有影响到基准器件的稳定。
使用的测量设备是Solartron7065，统计取样的时间间隔是2秒，读101个值做标准差和阿伦方差，结果取阿伦方差值。
本帖最后由 longshort 于 2013-10-12 15:06 编辑
参考资料
倪本来：《高稳定度电源》p73
thy888：《用SZA263试验制作超稳10V电压基准（二）》－“恒温与非恒温的选择”一节
lymex：《基准噪音问答》
longshort：短视频《2DW232四核基准背靠背测试》
本帖最后由 longshort 于 2013-10-12 15:07 编辑
（似乎到了“全文完”） 前排听课了，先谢谢前辈。 好文章! 客气了，我也从大家这里学到很多知识呢。
长短兄的技术贴一定要顶 很专业的文章，学习了，慢慢消化～ 谢谢大师，认真学习。 本人对楼主文中多个结论持怀疑态度 youngliu 发表于 2013-10-12 18:29
本人对楼主文中多个结论持怀疑态度
愿闻其详。
“或者说，在152或225倍的加热时间后加热目标端的温度与传感器端的平均温度持平，假定温度上升是线性的。
还可以说，当传感器端发生温度波动时，加热目标端的温度波动是传感器端的1/225。”
可否用公式论证？ tudou204 发表于 2013-10-12 19:42
“或者说，在152或225倍的加热时间后加热目标端的温度与传感器端的平均温度持平，假定温度上升是线性的。
...
请参看二楼“恒温容器”节。
好文章！学习了！{:140_312:} 晶体管加热源靠本身的热阻将电能转换成热能?这句话不对吧 楼主的文章，为我等业余爱好者制作恒温基准，提供了很好的思路。楼主是2DW232的忠实拥趸，数次发帖介绍这个国产电压基准的实验结果，使我等对2DW232的信心大增。手中也有几个873的近几年出品的2DW232，还偶得了一只873的2DW14C，很想动手实验一下。楼主可否提供一下2DW232四核恒温基准的电路图参考一下？谢谢！ 认真学习 嗯，这样的恒温容器结构简单，玩基准蛮好的选择。
不过应该还是不如电阻丝的恒温容器分布均匀吧。 楼主分析的深入浅出，非常生动。但是有一个疑问，为什么要用晶体管本身来做热源加热？晶体管的内阻一般较小，与电阻加热相比有什么优势？ 谢谢楼主的文章，看来需要将温度传感器尽量贴近加热源，而被加热器件可以稍微远一些，如此加热器的温度变化会被拥有一定热容量的热沉过滤，波动减小。让我想起了HAKKO T12 的烙铁头结构，加热丝前段就是热电偶，如果按照这个思路，使用加热测量一体化的器件效果是不是会更好，比如用温度系数已知的电阻丝兼加热和温度测量。 这样的话外围的电阻和其他器件没有处于恒温的环境啊 关于负反馈式控制器的劣势，好象太随意了，对于同一个物体，绝热不变，目标温度不变，我觉得不论用什么方式控制，其平均功率都一样的。
作为线性控制当然希望各环节都接近线性为好，但图中的ｍｏｓ管是接成开关，蓄意抹黑？ 老哥 发表于 2013-10-13 02:03
关于负反馈式控制器的劣势，好象太随意了，对于同一个物体，绝热不变，目标温度不变，我觉得不论用什么方式 ...
开关状态工作的是通断式控制器，负反馈控制器中的MOS管工作在线性状态下，怎么成了抹黑？不解。
pcbboy1991 发表于 2013-10-12 22:07
晶体管加热源靠本身的热阻将电能转换成热能?这句话不对吧
热阻的单位是°C/W或°C/mW，也就是每瓦或每毫瓦功率使结温上升的温度数。这里热阻是个重要参数，没有它我就无法获得热量了。
上升的结温通过热阻传递到外壳，再由外壳传递到热沉上，这种情况下希望热阻小些好，热量能更多地传递给热沉，而没有热阻的情况下不产生额外的结温升，那就得不到需要的热量，所以对于热阻，是一个希望它大一些又希望它不要太大的矛盾心理。