晶体管恒温炉

longshort · 发表于 2013-10-13 07:19:26

tubefans 发表于 2013-10-12 22:20
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 ...

谢谢一直关注。电路图：

实验国产基准源主升压_213.pdf (145.42 KB, 下载次数: 94)

longshort · 发表于 2013-10-13 07:23:19

zy_sh_npk 发表于 2013-10-12 22:46
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。

电阻丝均匀缠绕在作为容器的热沉上，热沉的温度确实可以分布得很均匀，但容器内部的基准器件等都没有和容器体直接关联，且这些器件的功耗各不相同，并且都有不同的热阻，因此容器内部的空气温度场均衡性值得怀疑。

longshort · 发表于 2013-10-13 07:42:05

kangning 发表于 2013-10-12 23:33
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 ...

第一：晶体管本身通过热阻产生的热量可以在保温措施的支持下快速累积。
第二：晶体管是可控的，在负反馈线性控制方式中内阻是由运放根据传感器反馈来的数值进行控制的，而在通断控制方式中同时作为开关和发热源使用。
第三：不产生额外的损耗，没有可观的电感分量。

如果没有这些理由，那么还可以举外国人的例子：LM399内部就是晶体管加热，许多年份较近的OCXO使用晶体管加热，近年流行的拆机铷钟里也是晶体管加热。

作为发热源的晶体管在导通时，电源电压基本上都加在晶体管的源-漏端，其UI乘积就是加热功率。在以往的控制电路中，晶体管上承载的功率是要尽量散发掉的，这部分能量显然被浪费了。

longshort · 发表于 2013-10-13 07:49:12

kripac 发表于 2013-10-13 00:23
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 ...

对温度的一体化测量和计量我没有经验。
曾经在一个单核的基准中试过传感器离开加热较远的距离，在通-断式控制的情况下对基准的干扰非常明显，达到有效值7uV的水平，改成负反馈式或者将传感器贴近加热源后改善了很多，直至无法观察到相干的变化。
　

youngliu · 发表于 2013-10-13 08:19:31

longshort 发表于 2013-10-13 07:11
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 ...

晶体管散热热阻包括结-壳热阻、壳-环境热阻、结-环境热阻。结-壳热阻即使为0也不会有不能升温的结果。

longshort · 发表于 2013-10-13 08:20:35

chinapp 发表于 2013-10-13 01:32
这样的话外围的电阻和其他器件没有处于恒温的环境啊

外围器件如果有直接关系的，通过匹配等等手段可以将温度影响减少到最小。例如基准管的限流电阻每100ppm的变化对基准管的影响是0.95ppm，那么就可使用10ppm/C温漂的规格。对于分压器电阻，我用三点匹配（即15C、28C、40C三点）的方法在10ppm以下的精密电阻中选择，可以获得接近0.01ppm/C的效果。当然实际作品中的变化会大一些，但比之盲目使用“补品”则要现实得多。
　

longshort · 发表于 2013-10-13 08:27:42

youngliu 发表于 2013-10-13 08:19
晶体管散热热阻包括结-壳热阻、壳-环境热阻、结-环境热阻。结-壳热阻即使为0也不会有不能升温的结果。

这是有条件的，若结-壳热阻为零，且壳-环境热阻为零，那么结的温升就为零。结-壳的热阻越小，热量就越多地通过壳-环境转移到环境中。结-环境热阻则是结-壳热阻与壳-环境热阻之和。

youngliu · 发表于 2013-10-13 08:35:43

longshort 发表于 2013-10-13 08:27
这是有条件的，若结-壳热阻为零，且壳-环境热阻为零，那么结的温升就为零。结-壳的热阻越小，热量就越多 ...

你做的是恒温槽，不会傻到让壳-环境热阻=0吧？只要在外面加保温措施，壳（热沉）-环境热阻做到几十度/W还是轻而易举的。

tudou204 · 发表于 2013-10-13 08:43:51

热陈材料的热导率随温度是变化的，所以加热目标的温度无法简单获得，这样忽略的热陈的散热成了影响目标温度的主导。楼主可否尝试在目标端温度传感器，并把整套装置在温差比较大的环境验证。

longshort · 发表于 2013-10-13 08:47:55

youngliu 发表于 2013-10-13 08:35
你做的是恒温槽，不会傻到让壳-环境热阻=0吧？只要在外面加保温措施，壳（热沉）-环境热阻做到几十度/W还 ...

那只是打个比方，你不会傻到把打的比方当现实吧？

youngliu · 发表于 2013-10-13 08:47:55

本帖最后由 youngliu 于 2013-10-13 09:23 编辑

longshort 发表于 2013-10-12 18:50
愿闻其详。

1.热敏电阻本身老化水平远比你的结论大得多，我用单端引出的玻封的NTC做的恒温槽，一年内阻值已增大超过1000ppm。
2.反馈控温其实是NTC位置的温度波动最小，槽壁上其它点通常很难比它更好。多数情况下环境温度波动对槽壁的影响不能忽略。
3.NTC本身热阻比较大（大约2.1mW/K），NTC与槽壁或者加热源之间的热耦合很难做到理想，用导热胶粘或者填充导热硅脂，热阻的长期变化会使控温温度发生不可忽视的漂移。
4.有没有额外装一颗NTC监测恒温效果，以验证理论？

longshort · 发表于 2013-10-13 08:58:11

tudou204 发表于 2013-10-13 08:43
热陈材料的热导率随温度是变化的，所以加热目标的温度无法简单获得，这样忽略的热陈的散热成了影响目标温度 ...

您说的很对，是有这样做的打算，准备在后续的作品中实现。
使用热沉在本意上是为了均温，但由于有了加热距离的概念，目标端的热量实际上是靠保温材料的支持而逐渐累积起来的。由于保温材料的保温性能不是绝对的，总有一定的热量被散发掉，这造成目标端的温度有一定的波动。从宏观来看，采用直接测量目标的电压波动是比较直接和现实的方法，只要控制器的通-断波动节律与显示的噪声波形不相干，就可认为波动已经被抑制。

longshort · 发表于 2013-10-13 09:23:38

youngliu 发表于 2013-10-13 08:47
1.热敏电阻本身老化水平远比你的结论大得多，我用单端引出的玻封的NTC做的恒温槽，一年内阻值已增大超过1 ...

你的结论对我有参考作用。
１．我的两个单核基准已经运行了一年多的时间，前些日子拆开取出两个轴向引出的MF58，在尽可能与以前一致的温度环境下测量了阻值，并未发现有超过100ppm的变化。可惜当时没有做记录，因为觉得环境条件不完全等效，后续的设计中会考虑这个问题。
２．NTC的位置与加热目标的位置有相当大的关系，我不认为是NTC位置上的波动最小，只要保温尽可能完善使散失的热量最少，槽壁的其它部位的波动可以比NTC上的波动小得多。
３．NTC漂移是不可避免的，即使漂移达到1000ppm，在例子中也只有二十几毫度，在以后的设计中采取措施使它的影响再进一步减小。
４．没有装额外的测温元件，准备在后续设计中完成。理论验证有不少方法，测量输出电压是其中一种，不过由于加热目标本身有一定的老化存在，所以数据限制在一定的时段内是必要的。

pcbboy1991 · 发表于 2013-10-13 09:24:36

longshort 发表于 2013-10-13 07:11
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 ...

我还是有点不太懂，等我去了解下

youngliu · 发表于 2013-10-13 09:42:09

longshort 发表于 2013-10-13 09:23
你的结论对我有参考作用。
１．我的两个单核基准已经运行了一年多的时间，前些日子拆开取出两个轴向引出 ...

要测试NTC阻值变化不超过100ppm，要求温度差异在2.5mK以内，甚至0.8mK以内，一年之内如何获得这个环境是个问题。

longshort · 发表于 2013-10-13 09:58:50

youngliu 发表于 2013-10-13 09:42
要测试NTC阻值变化不超过100ppm，要求温度差异在2.5mK以内，甚至0.8mK以内，一年之内如何获得这个环境是 ...

所以另一种途径，就是在设计上寻找改善的途径，使它对目标的影响最小。
看看其它传感器，LM35的1000小时老化是80mK，DS18B20是200mK，而他们都已经被做死了，调整是在软件中拟合。热敏电阻方法可以通过设计使影响减小，这是比集成电路传感器有优势的地方。

hldiy · 发表于 2013-10-13 10:35:28

本帖最后由 hldiy 于 2013-10-13 10:39 编辑

传感器老化是影响温度长稳的关键因素
NTC老化问题，可以通过多只统计方法减小，NTC本身不贵，需要解决的就是怎么安装的问题。
再有就是干脆换pt1000

maithon · 发表于 2013-10-13 10:38:50

跑过来听专家讲课。

hldiy · 发表于 2013-10-13 10:41:16

longshort 发表于 2013-10-13 09:58
所以另一种途径，就是在设计上寻找改善的途径，使它对目标的影响最小。
看看其它传感器，LM35的1000小时 ...

“所以另一种途径，就是在设计上寻找改善的途径，使它对目标的影响最小。”
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这种电阻测温电桥，很难从设计上降低NTC老化的影响吧

longshort · 发表于 2013-10-13 10:46:14

hldiy 发表于 2013-10-13 10:35
传感器老化是影响温度长稳的关键因素
NTC老化问题，可以通过多只统计方法减小，NTC本身不贵，需要解决的就 ...

不知道pt100或pt1000的老化特性如何？有机会也要试试看。

hldiy · 发表于 2013-10-13 10:55:57

靠晶体管加热的案列很多了，但都是结构非常小的恒温装置使用。
恒温槽体积稍大的时候，使用单一晶体管做加热热源的话，不论外壳热容量多大，都会导致温度不均的。

作为一个高精度基准源，排除主升压电阻的温飘外，运放等外围器件的温飘也不容乐观，加上每个焊点都有热电势，累计起来不小的。
之所以263基准性能优良，很大程度上是依赖于整体恒温的。所以做一个体积相对大一点的恒温槽是必要的。
我测算了一下，一个263基准全部电路，最少最少需要16立方厘米体积。
这么大的体积下，使用加热丝加热，成为必要。
但使用加热丝的情况，控制用晶体管必须外置了，就造成效率的极为低下。
至于热沉和被加热体之间的温度传导方式，不采用空气的话，还真没法。

hldiy · 发表于 2013-10-13 10:59:35

longshort 发表于 2013-10-13 10:46
不知道pt100或pt1000的老化特性如何？有机会也要试试看。

我也没能力实测。
PT100的核心材料是铂。从材料上看就和NTC差距就不是一两个量级。

longshort · 发表于 2013-10-13 11:01:05

hldiy 发表于 2013-10-13 10:41
“所以另一种途径，就是在设计上寻找改善的途径，使它对目标的影响最小。”
-------------------------- ...

电桥除测温元件以外的其它元件都位于常温环境下，并且现代1%金属膜电阻器第一年的老化也就最多几十ppm，在构成分压器的情况下影响可以忽略。NTC本身的老化影响的是电桥一侧的分压比，分压点的移动影响到设定的温度，这是NTC老化影响的主要来源。

hldiy · 发表于 2013-10-13 11:07:41

longshort 发表于 2013-10-13 11:01
电桥除测温元件以外的其它元件都位于常温环境下，并且现代1%金属膜电阻器第一年的老化也就最多几十ppm， ...

将测温电桥的其余三种电阻至于常温下，就不如一起恒温了。
测温电桥的电阻非常重要，使用好一点的电阻也贵不了几个钱。
我上个帖子里面的恒温槽控制板，pcb下面留有三个金属箔电阻位置。如果用NTC测温的话，这三个电阻可以使用MELF，焊接于正面。

hldiy · 发表于 2013-10-13 11:13:31

关于传感器安装位置，理想的是绝对一体。
加热体就是传感器，传感器就负责加热。

longshort · 发表于 2013-10-13 11:19:29

hldiy 发表于 2013-10-13 10:55
靠晶体管加热的案列很多了，但都是结构非常小的恒温装置使用。
恒温槽体积稍大的时候，使用单一晶体管做加 ...

铷钟FE5680A中的铷泡恒温用了两个功率管并联，并且放置在一侧而没有平均放置，体积似乎超过了20cm^3。
热沉和被加热体之间的温度传导，如果有兴趣的话，可以试试我的例子，用L型的角铝构件与热沉结合在一起，不过这没有现成的元件，需要自己动手加工。

53_四核组件02.jpg

longshort · 发表于 2013-10-13 11:24:11

hldiy 发表于 2013-10-13 11:07
将测温电桥的其余三种电阻至于常温下，就不如一起恒温了。
测温电桥的电阻非常重要，使用好一点的电阻也 ...

我的想法是处于高温下的元件尽量少，少到只有最重要影响的元件才放进去。在大一些的项目中，可以考虑你的做法。

youngliu · 发表于 2013-10-13 11:31:31

hldiy 发表于 2013-10-13 10:59
我也没能力实测。
PT100的核心材料是铂。从材料上看就和NTC差距就不是一两个量级。

PT1000/PT100本身稳定性确实要比NTC高不少，不过PT100、PT1000对测温电桥桥臂电阻要求高10倍，最终结果估计比NTC也好不到10倍

youngliu · 发表于 2013-10-13 11:41:31

longshort 发表于 2013-10-13 09:58
所以另一种途径，就是在设计上寻找改善的途径，使它对目标的影响最小。
看看其它传感器，LM35的1000小时 ...

LM35、18B20的1000小时老化都是在最高温度125度下的吧，常温或者 65度下，老化要低得多。优质的NTC，厂家的老化测试合格判定标准通常是 160度下1000小时0.5%～3%，0.5%相当于120mK。网上查到一家国内厂家的试验标准未命名.JPG

hldiy · 发表于 2013-10-13 11:42:41

youngliu 发表于 2013-10-13 11:31
PT1000/PT100本身稳定性确实要比NTC高不少，不过PT100、PT1000对测温电桥桥臂电阻要求高10倍，最终结果估 ...

增加PT1000数量，要么就改良桥臂电阻，特烧猛烧

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