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

Diseño y construcción de una
referencia de tensión eléctrica
f ó é
continua basada en un diodo Zener
(informe de avance)

David Avilés
Enrique Navarrete
Dionisio Hernández

CENAM

Centro Nacional de Metrología Derechos Reservados 2009

Introducción

NOTA 1. Este trabajo ha sido desarrollado con recursos del gobierno federal de México. Sólo se permite su reproducción sin fines
de 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 un
p p g
entendimiento claro de las técnicas y procesos descritos. En ningún caso esta identificación implica recomendación o aval del
CENAM o de alguna otra institución del gobierno federal de México, ni tampoco implica que los equipos o materiales identificados
sean necesariamente los mejores para el propósito para el que son usados. El CENAM y las demás instituciones no tienen
compromisos con ninguna marca comercial en particular.


Importancia de mejorar los patrones secundarios
de tensión eléctrica continua

Nivel de incertidumbre
0,001 µV/V
Patrón
P tó
TRAZA

nacional
1 µV/V
ABILIDAD

Referencias
Zener

Multímetros y
calibradores de alta 10 µV/V
exactitud

Multímetros y calibradores
industriales 100 µV/V o más


El diodo Zener
d odo e e

I

V

Vz


Gráfica Tensión – Temperatura de un Zener
de 7 V (LTZ1000)
Vz contra Temperatura

6,9
∆V/∆T = 2,6 mV/°C
26
6,85

6,8
y = 0,00258x + 6,66065
sión Vz (V)

6,75

6,7
67
Tens

y = 0,00266x + 6,58701
6,65 Iz = 4.7 mA
y = 0,00266x + 6,54459
Iz = 2.6 mA
6,6 Iz = 1.4 mA

6,55
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Temperatura (°C)


Gráfica Tensión – Temperatura de la unión base-
emisor de un transistor bipolar

Vbe
Vb contra Temperatura
t T t

0,61
∆V/∆T = - 2 3 mV/°C
2.3 V/°C 29 microampere
i
0,6
y = -0,0024x + 0,6507 35 microampere
0,59
y = -0,00214x + 0,63211
, , 41 microampere
p
0,58
y = -0,00234x + 0,62515 45 microampere
0,57
Tensió (V)

y = -0,00234x + 0,61674
ón

0,56
0 56

0,55

0,54

0,53

0,52

0,51
10 15 20 25 30 35 40 45
Temperatura (°C)

Compensación térmica
(LTZ1000)

Referencia: Hoja de datos de Linear Technology
Corporation


Circuito de una Referencia Zener
Fluke 732 B
10 V
+10 V

Ra

1.018 V

Rb
1 kΩ
Vref

Común
Común
Horno a temperatura controlada 45 °C

Vsal=Vref(1+RA/RB)

Referencia: Calibration: Phylosophy in Practice, Fluke


Características de las
Referencias Zener comerciales


Referencias Zener
Características:
• E fectos de temperatura
• E fectos de Hum edad
• E fectos de Presión
• Impedancia de salida
• E s posible sacarles corriente
• Insensible a vibraciones
• P atrón robusto comparado con pilas patrón
• N i l d ruido d b j f
ivel de id de baja frecuencia i
• E stabilidad a largo plazo
• Requieren baterías (
q (ruido e histéresis)
)


Efecto de histéresis de la tensión con la
temperatura

Baterías Vsal

Horno a temperatura
controlada a 45 °C

En l
E las referencias Z
f i Zener comerciales, si se agotan l b t í y
i l i t las baterías
no se conecta, se enfría el Zener. Al reconectarlo la tensión de
salida cambia en aproximadamente 0,25 µV/V
Referencia: Manual del Fluke 732 B


Coeficientes de presión en
referencias Zener

Coeficientes de presión de referencias Tipo “L” : modelos a
Zener en partes en 109/hPa
p partir de 1999.
1999
Modelo: Fluke 732 B
Tipo “M” : modelos
Tipo “L” Tipo “M” anteriores a 1999.
1,018 V 1,6 - 2,4 - 0,14
10 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
T J Witt, “Presure coefficients of some Zener Diode-Based Electronic Voltage Standards IEEE
Standards,
Trans. Instr. And Meas., Vol 48, No. 2 APRIL 1999.


Referencias Z
R f i Zener – Ef t de Humedad
Efectos d H d d
en la referencia Fluke 732B (salida de 1,018V)
n − (t − tj )
f i
(t ) = ∑ ∆H jk
[1 − e τ
+ ( −)
]
j =1

Referencia Zener salida de 1,018 V f(t) – Cambios de tensión por
f( ) p
efectos de humedad
1,0181685 200
∆H – Cambio de %HR
?
ensión .

180
1,018168 k – Coeficiente de humedad
K
160
1,0181675
1 0181675 140 τ – Constante de tiempo
?
Te

1,018167 120 Valores medidos**

Humedad relativa .
100 k = 0,070 (µV/%HR)
1,0181665 80
60
τ + = 19 d ías
?
1,018166
1 018166
40 τ
? - = 45 d ías
1,0181655
20
1,018165 0
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 Métrology.
Change 9° Métrology


Referencias Zener – Ruido
Ruido Blanco

Ruido 1/f (Flicker)

Referencia: T.J. Witt and Reymann, “Using spectra and Allan variances to Characterise
y g p
the 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 10 9 (7 nV) para las salidas de 1.018 V
(Zeners tipo L)

7 partes en 10 9 ( 70 nV) para las salidas de 10 V


Deriva a Largo Plazo

0.2 5 pp m/añ o
0,25 µV/V por año


Diseño y construcción de la
referencia Zener


Características de Diseño
Posibles mejoras sobre los Zeners comerciales

• Referencia sellada
Evitar 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 temperatura

• Baterías desacopladas de la alimentación de tensión alterna
Disminuir el ruido
Evitar desconectar el Zener de la línea de alimentación para medirlo
p


Diagrama a bloques

Circuito de la
Cilindros de referencia
Aluminio Zener Regulador

Bloque de Control de
cobre temperatura Módulo de
,
45 +/- 0,01 °C baterías

Termistor Calefactor

Cargador
de baterías


Circuito de la referencia Zener
+14 V
14
10 kΩ
+ +
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 Zener


Regulador de tensión +/- 14 V
g

+ 18 V
+ + 14 V
R
R
10 kΩ
R +
+

+ +
R - 14 V
+

7 V LM399
Amplificadores operacionales
de bajo ruido y bajo offset

Resistores marca “Vishay” de
bajo coeficiente térmico


Diagrama simplificado del Módulo
de baterías

Timer
ON - OFF

Fuente de
tensión de Regulador
18 V de 14 V 14 V

Baterías
recargables
de 18 V


Control de temperatura
+ 12 V
+ 12 V
+ 1 kΩ 10 kΩ

_ Calefactor
10 kΩ* 12 kΩ* 47 Ω 1 µF
_
2.5 kΩ
5 kΩ

Termistor 12 kΩ* +
_ 47 Ω 1 µF 10 kΩ

+ 1 kΩ LED
10 kΩ Calefactor

* Resistores de bajo coeficiente
térmico y alta estabilidad.
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

150

100
R = 3 30 kilo ohm
3,30 kilo-ohm
Vsal(T) - Vsal (25°C)

50 R = 3,32 kilo-ohm
en microvolts

R = 3,34 kilo-ohm
0
R = 3 36 kilo ohm
3,36 kilo-ohm
m

20 25 30 35 40 45 50
-50 R = 3,35 kilo-ohm
R = 3,8 kilo-ohm
-100

-150

-200
Temperatura (°C)


Variaciones de tensión con la temperatura al
encender-apagar el horno
Referencia Zener LTZ1000+Divisor

23
crovolt/volt , .

21

19

17
aciones de Vsal en mic

15

13

11

9
Varia

7

5
28 33 38 43 48
Temperatura en °C


∼


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