实验国产基准源

longshort · 发表于 2012-6-25 20:27:13

最近完成了国产基准管2DW232做的基准电压源，同时作为对照，以同一电路结构又做了LM399H的基准电压源。

由于LM399H是带有加热器的自恒温基准器件，所以也给2DW232设计了一个外部恒温器，温度调节到测试出的零温度系数点上。以下为区分起见，简称23x型和399型。

两种类型都使用14V电压供电，交流电源是220V/24V，整流后的直流电压通过稳压器给6升10／7升10电路供电，同时未稳压电压直接供给加热器使用，提高电源利用效率。后备电源使用四个强力手电用的1200mAH的4V铅酸电池，预计的最大供电时间对于23x和399分别为23小时／45小时。之所以选用铅酸电池，一是充放电控制成熟、容易，二是便宜，才四元一个，三是适合实验使用，不必多考虑成本。

由于这类铅酸电池的电介质比重都较高，导致端电压高出约2.5%，所以放电截止电压、充电截止电压、浮充电压也相应升高，分别是14.8V、18.4V、18.9V，充放电控制电路是按这种情况设计的。

为安全使用电源给基准供电，前面板上除了10V输出和防护端子之外，还设了四个LED指示：交流电源（橙色）、充电指示（绿色）、低电压告警（红色）、加热指示（蓝色）。其中：
充电指示在电池达到17.6V~18V时灯灭，进入小电流充电和浮充状态。
低电压告警阈值为15V~15.2V，灯亮即表示须立刻进行充电。
加热指示分两种情况：23x型的加热指示通常只发生明暗变化，与加热保持电流的大小成正比。399型的加热指示通过在1欧电阻上对加热器取样，可设置在10mA以下灭，10mA以上亮，亮度与加热电流成正比。

加热器采用晶体管直接加热的方式工作。

基准不设电源开关。

先上图是硬道理。

使用定制的90x60x200铝合金机箱，内部位置安排：
01_内部位置安排.jpg

装上元件的PCB：

23x型的稳压器和6升10部分：
06_23x型的稳压器和6升10部分特写.jpg

399型稳压与升压部分：
20_399型稳压与升压部分.jpg

23x的加热器附件：
07_加热器附件.jpg

基准管的管脚绝缘：

加热器中的三个元件：基准管、热敏电阻、加热管
09_三个元件的布局.jpg

基准管用压片紧固：

压片上锉一条槽，用于插温度探头：
13_压片上锉一条槽，用于插温度探头.jpg

这样使用温度探头：

整体布局：

老化中的两个基准源，左边是23x型，右边是399型：
22_老化；前面板.jpg

longshort · 发表于 2012-6-25 20:28:50

组装完成后进行了48小时的老化，20日开始上电测试。这是两种类型的上电曲线：

23x上电60分钟：
26_23x上电60分钟.jpg

399上电60分钟：
27_399上电60分钟.jpg

23x上电14小时：
28_23x上电14小时.jpg

399上电14小时：
29_399上电14小时.jpg

测试使用一台二手的六位半Solartron7065，未标定过，仅将10V及以下档位校准到0.01%准确度以内。稳定性经过十个月的考核，在无杂乱气流的半密闭环境中可以比较好地复现温度系数。限于条件，测试采用人工读值，匀速读出100个值后再填入Excel表。

2DW23x型，其中20日~22日的序列长度是42；“六位半”一行是7065的本底测试方差：
31_2DW23x型初测.jpg

LM399H型，其中20日~22日的序列长度是42；“六位半”一行是7065的本底测试方差：
32_LM399H型初测.jpg

23x型与399型背靠背测试，其中25日（今天）的数据似乎比较好：
33_背靠背测试.jpg

这会儿觉着六位半的位数确实太少！10V档读得的值在两种类型人工相减后的结果远大于背靠背测得的数据，这使直接测量的结果与背靠背测得的数据很难进行比较。

longshort · 发表于 2012-6-25 20:29:17

制作小结：

１　交流供电
　　　交流部分可合并为24V，减少供电类型并使元件种类减少。原来考虑23x型使用较低的电源电压有利于加热器的设计和控制，现在看来没有必要，电压加高反而使加热的效率比较高。为保持基准性能和随时测试变化，不设置电源开关，简化了使用。

２　直流供电
　　可考虑采用更大容量的蓄电池组，例如长效镍氢电池，或更大容量的锂离子蓄电池，但设计安全的充电回路较复杂。
　　一般地，若期望供电寿命在96小时以上时，锂离子电池是首选。在重量和体积不是问题的情况下，铅酸电池最经济，同时铅酸电池的充放电设计也最成熟。
　　直流供电低电压告警由BG202完成，串接在射极上的D204用于反向保护。当直流供电电压降至15V左右时，R209两端的电压降为小于2V，而R207上的电压在3.5V左右，因此D204上端的电压将被拉低至11.5V，此时BG202的基极与D204的负极串联电压为1.1V左右，告警打开。

３　充电电路
　　目前的充电回路中主充电支路为D202和R202串联的双重分路，每条分路承担最大约40~50mA的电流。对于1W的稳压管，这个电流大了些，最好是在四分之一功率时的电流，对于15V，大约为16.7mA，由四条分路共同承担充电功率。
　　目前使用的铅酸蓄电池是可充电手电、可充电电蚊拍等家用电器中使用的蓄电池，电介质的比重较高，导致端电压也升高，这使低电压告警阈值和浮充电压值都相应升高，寿命也会相应受到影响。但如果不升高这些电压，电池的能量存储便显得不足，影响了后备的维持时间，所以也必须修改这些电压值。
　　从现有的调试情况来看，标称电压可设为16.44V，放电截止电压可设为14.8V，充电截止电压为18.9V，则浮充电压可设为18.8V。
　　有条件的话，可使用五块3.7V的锂离子蓄电池，工作电压分别为17.5V、18.5V、20.75V、20.9V。充电部分的相关器件均须重新取值。由于是浮充，可以不设均压均流电路。

４　稳压器
　　稳压器的悬念不大，原准备参考电压使用6.2V的普通稳压管，但经恒流源测试噪声太大，与基准管相比起码有百倍以上的差距，故最后还是使用了2DW234作为参考电压发生器，由此也知道了稳压管和基准管本质上的区别，因为也同时测试了其它稳压值的稳压二极管，情况一致。
　　由P沟道MOS功率管和高增益运放组成的稳压器有极好的线路调整率，输入电源的变化被压缩到-91dB，这对于纹波的抑制有同样水准的效果。
　　由于参考基准有-(25~31)ppm/°C的温度系数，没有超出预设的±50ppm的变化范围，所以取样分压器R213、R214未作温度系数匹配选择，这样输出电压有-50ppm/°C以内的温度系数，对0~40°C的全温范围应用没有妨碍，总的随温度变化的电压变化应不会超过|-28|mV。

５　加热器
　　加热器的功耗比预想的大，从现状看与热沉过大有关系，一方面需要一定的保持功率，另一方面又因较大的面积而在不断地散热。
　　热沉的尺寸应该还可以再减小将近一半，这样至少保持功率可以减半。由于体积减小而使防风隔热材料的包裹面积也相应减小，或者保持外部体积不变而增厚隔热材料，这将直接减小保持功率。原先的想法是较大的热沉可以平衡掉热量的较快速起伏，即可以增大热时间常数，现在减小面积和体积后，是否也降低了平衡热起伏的能力，这需要在体积和功率之间寻找平衡。
　　加热所使用的晶体管是IRF510场效应管。这种管子价廉物美，很适合这类应用。但使用中发现发热能力稍差，原因是最大功耗较小、热阻稍大，这使热量不能充分快速地传递到热沉上，今后可以考虑选用允许功耗大、热阻小的晶体管，尽可能充分利用单位时间内产生的热量。
　　较高的加热电压使加热电流降低成为可能，同时也使23x型与399型在供电电路上趋于一致。
　　23x型加热器的加热控制电路是成功的，控制能够达到预定目标。由于热沉的作用，安装在热沉上的热敏电阻器阻值变化平稳，这也使控制过程产生的噪声降到最低。
　　399型的加热控制指示更为灵敏，在低温漂的LT1013的控制下控制点分隔清楚，指示明确。
　　对于399型电路，LM399H基准的外部附加一个防风隔温罩，可以使保持电流进一步降低，特别是在较低供电电压下的后备电源工作时，意义重大。

　　　　　　根据调试结果，冷态上电时的瞬时加热电流约达270mA，三、四秒后下降到10mA以下。
　　LM399H在使用本身自带的隔温罩时，交流供电时的稳定电流为6.6mA，直流供电时的稳定电流为17.4mA。
　　当LM399H加上额外的防风措施时，交流供电时的稳定电流为5.8mA，直流供电时的稳定电流为11.92mA。
　　显然，额外增加的防风罩对交流供电时的状态改善不明显，但对直流供电意义重大，按上述数据，省下的5.48mA至少可增加6~8小时的供电时间。
　　在环境温度为27.4°C，且机壳密闭的情况下，直流供电时的最小稳定电流为10.06mA；交流供电时，最小稳定电流为5.2mA。

６　主升压部分
　　23x型的这一部分可以明确基准器件本身与进口器件没有本质上的差别，控制运放的稳定性也同样媲美进口运放。进一步的数据需经测试后得出结论。上无十七厂的23x型产品相比较2000年以前的产品，噪声性能和热回差特性都有明显改进。控制运放使用5G26的目的，一是测试存放二十年以上的国产器件是否可用，二是测试国产运放的噪声水准，三是作为一种Ib较大的古老器件，看它对基准的稳定性究竟会发生些什么影响。
　　399型的这一部分在结构上与流行电路没有明显区别，差别在于使用较大的工作电流、附加隔温套、单级升压运放，以及简易的统计电阻网络。
　　两型电路的统计电阻都使用了国产RX12-2精密线绕电阻器，温度特性中温漂较小，长稳如何则需要后续的测试来得出结果。
　　两型电路的运放都使用了失调调节电位器，在电压微调电位器已经预先设置了位置的情况下，只需调节失调便可满意地调至要求的输出电压，而电压微调则保留为今后的长期测试调节使用。
　　5G26作为升压运放，目前表现比较稳定。初始的2.xxmV的失调在上电几分钟后稳定，并通过已经调节的失调电位器在一小时后进入±1ppm稳定度范围内。
　　输出电压的负载调整率是个重要指标，两者相差在十倍以上。23x型为1.55ppm/mA，399型为0.15ppm/mA。不过算起来也正常，23x型使用中增益运放5G26，而399型使用高增益运放LT1012，前者的Av为100dB，后者则达120dB以上，负载调节能力的差距是显而易见的。通过给定的负载调整率，可以修正测试中因不同的负载而产生的下偏差。负载调整率是在标称的10mA输出电流下测试，并在1mA负载下复现。

longshort · 发表于 2012-6-25 20:29:36

相关文档资料：

23x的试算：
34_23x的试算.jpg

399的试算：

23x型D101的精测值：
36_23x型D101的精测值.jpg

399型D101的测试值：
37_399型D101的测试值.jpg

面板设计：

03_面板设计.pdf (44 KB, 下载次数: 204)
电源：

实验国产基准源电源_138.pdf (165 KB, 下载次数: 505) （修正了一个小错误，版本已更新）
主升压：

实验国产基准源主升压_002.pdf (138 KB, 下载次数: 477)
PCB图：

BottomLayer.pdf (23 KB, 下载次数: 253)
导孔位置图：

PCB导孔位置图.pdf (10 KB, 下载次数: 169)

（待续）

裕作 · 发表于 2012-6-25 20:36:46

好手工！！！！！！！！！！！

王珏 · 发表于 2012-6-25 20:36:49

鼓励原创!

boingo · 发表于 2012-6-25 21:12:25

牛人太棒了

放牛的春天 · 发表于 2012-6-25 21:13:54

帮顶。。。支持

爱好一点 · 发表于 2012-6-25 21:24:23

等着学习。

小尚弟 · 发表于 2012-6-25 21:56:26

很有说服力。

iking921 · 发表于 2012-6-25 22:03:43

国产的看起来不错哦！

puff · 发表于 2012-6-25 22:22:08

像论文一样的文章。

好手工，好文字。

那种蓝色电阻就是文中提到的国产RX12-2精密线绕电阻器？

dy008 · 发表于 2012-6-25 22:54:58

认真学习了！

cuison · 发表于 2012-6-26 00:28:37

优秀文章，支持！n神马都是浮云

longshort · 发表于 2012-6-26 08:57:40

谢谢各位回帖、鼓励！
今后一段时间将陆续上一些测试结果。

longshort · 发表于 2012-6-26 09:01:04

puff:
像论文一样的文章。

好手工，好文字。

那种蓝色电阻就是文中提到的国产RX12-2精密线绕电阻器？

谢谢！

RX12-2电阻器就是这种样子，浙江东阳三星：
10_10K_0.1.jpg

电位器123456 · 发表于 2012-6-26 09:39:41

顶！

enquireyhw · 发表于 2012-6-26 09:54:57

支持用国产器件DIY

zwei13 · 发表于 2012-6-26 10:05:32

顶。。。。。。。。。。。。 [s:31]

qw66 · 发表于 2012-6-26 10:26:37

最后,看看比较结果怎么样.

实践经验证明,时间能说明一些问题

adsnet · 发表于 2012-6-26 10:58:59

优秀文章，支持！n神马都是浮云

news · 发表于 2012-6-26 15:09:39

独立完成，真不容易，可称优秀示范！

youngliu · 发表于 2012-6-26 17:28:54

楼主用的2DW232的温度系数规格是50ppm/k的吗，怎么温度系数那么大？
2DW232有5ppm/K的，在标称的测试电流5mA时，20~60度范围内任何温度点下也不会超过30ppm/K。
既然你用到的232温度系数偏大，似乎更应该让Iz小些，这样0温度系数点才不至于太高。增大Iz不只增大温度系数，还会将0温度系数点温度升得更高
8.5mA对232来说高太多了，对234似乎比较合适

minideerx · 发表于 2012-6-26 17:37:20

顶好文章～

longshort · 发表于 2012-6-26 18:58:49

youngliu:
楼主用的2DW232的温度系数规格是50ppm/k的吗，怎么温度系数那么大？
2DW232有5ppm/K的，在标称的测试电流5mA时，20~60度范围内任何温度点下也不会超过30ppm/K。
既然你用到的232温度系数偏大，似乎更应该让Iz小些，这样0温度系数点才不至于太高。增大Iz不只增大温度系数，还会将0温度系数点温度升得更高
8.5mA对232来说高太多了，对234似乎比较合适

抱歉，是我没有标注清楚。下图中，左边的表格里B、C列的数据单位是毫伏。对于色点接正电源的情况，极值点电压在40C的6.362V+0.00081V=6.36281V，在45C时为6.36280V，这一区域的温漂值约为-0.314ppm/C。

曲线是在8mA下测的，在9mA时的极值上升到60C左右，因此将工作电流定在了8.5mA，而真实的极值则通过调试时调整到输出最大电压为止，现在的这个温度是50.3C。

对于目前上海市场上的商用产品，2DW23x系列的离散值是相当大的，只有军工级、工业级产品才有参数比较明确区分的。在我购入的232和234中，基本上所有的管子极值点都偏高，有三个234的极值点甚至超过了10mA，而232的极值点都高于5mA。所以没办法严格按datasheet设计，测试一下心里比较有底。232中极值点在30~40C的比例较高，这也提示今后再进货时可以只选择232就行了，工作电流相对较低。

puff · 发表于 2012-6-26 19:14:45

longshort:抱歉，是我没有标注清楚。下图中，左边的表格里B、C列的数据单位是毫伏。对于色点接正电源的情况，极值点电压在40C的6.362V+0.00081V=6.36281V，在45C时为6.36280V，这一区域的温漂值约为-0.314ppm/C。

....... (2012-06-26 18:58)

原来LZ是上海的啊，有空多请教，哈哈