diseño y construcción de referencia de tension con diodo zener pre t1 mie-2

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.


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


El diodo Zenerd odo e e

I

Vz

V


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)


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


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


Características de lasCaracterísticas de las Referencias Zener comerciales


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 ( )


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


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.


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.


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


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


Deriva a Largo Plazo

0.25 ppm/año0,25 µV/V por año


Diseño y construcción de laDiseño y construcción de la referencia Zener


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


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


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”


Piezas del horno de la referencia ZenerPiezas del horno de la referencia Zener


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


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


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


Resultados preliminares


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)


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


∼


diseño y construcción de referencia de tension con diodo zener pre t1 mie-2

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