Testy termiczne wzorców napięcia

Prawie każdy elektronik chciałby mierzyć z jak najlepszą dokładnością. Testy opisane w artykule pokazują, jakie są rzeczywiste parametry wzorców napięcia stałego, dostępnych dla każdego hobbysty. Między innymi parametry rewelacyjnego wręcz wzorca napięcia, który można kupić za około 40…50 złotych.

Uzupełnieniem i rozszerzeniem tego artykułu jest film M020 na moim kanale YT.

Warto przypomnieć, że co prawda najdokładniejsze wzorce napięcia są koszmarnie drogie, ale jak pokazuje ten artykuł i film, dziś każdy hobbysta zaskakująco tanio może zrealizować wzorce napięcia (stałego) o parametrach rewelacyjnych jak na zastosowania amatorskie. Stabilność i dokładność najlepszych kwantowych laboratoryjnych wzorców napięcia opisana jest w artykule Wzorce wielkości elektrycznych. Laboratoryjne klasyczne wzorce napięcia mają dokładność mniej więcej trzy rzędy wielkości mniejszą, czyli około 0,0001%, inaczej 1 ppm.

Dla porównania, popularny, klasyczny cyfrowy multimetr 3,5-cyfrowy ma rozdzielczość 0,05% i dokładność około ±0,5%…1%. Multimetr 4,5-cyfrowy, jak na przykład Aneng AN870 (fotografia 1) ma rozdzielczość 0,005% (50 ppm), a przy pomiarze napięć stałych producent deklaruje dokładność ±0,05% (500 ppm).

Wzorce napięcia dla (nie)każdego hobbysty

Niniejszy artykuł pokazuje, jak zmiany temperatury wpływają na źródła napięcia wzorcowego. Jest kontynuacją artykułu Amatorskie wzorce napięcia (M020) opublikowanego w ZE 9/2023.

Kwestie dokładności, precyzji i stabilności są skomplikowane, co omawiam w cyklu zaczynającym się od artykułu Dokładność i zakres pomiarów w elektronice. Większość hobbystów nie chce wnikać we wszystkie trudne szczegóły. Ale chyba każdy chciałby mieć pod ręką dobry wzorzec napięcia. Możliwości jest wiele, co udowadnia ten artykuł. Na fotografii 2 pokazane są egzemplarze zaskakująco tanich wzorców napięcia o dokładności i stabilności dużo lepszej, niż potrzeba do sprawdzenia, coraz popularniejszych także wśród hobbystów, multimetrów 4,5-cyfrowych, gdzie w najlepszym przypadku zmiana wskazania o 1 cyfrę to zmiana o 0,005% (50 ppm).

Tymczasem pokazane tu wzorce przy zmianach temperatury w zakresie +18…+28°C zmieniają swoje napięcie o mniej niż 0,005% czyli 50 ppm. Spodziewana stabilność długoczasowa też zapowiada się dobrze. Dla multimetrów 4,5-cyfrowych są więc aż za dobre. Z powodzeniem mogą służyć do kalibracji także multimetrów 5,5-cyfrowych.

Stabilność wskazań to jedno, ale z uwagi na nieunikniony rozrzut produkcyjny, jakie dokładnie napięcie ma konkretny egzemplarz? Skuteczne rozwiązanie przedstawione jest na końcu tego artykułu!

W artykule przedstawione są też testy wielu innych źródeł napięcia odniesienia w mojej prostej komorze termicznej. Fotografia 3 pokazuje wszystkie elementy i układy, których parametry zostały zmierzone i przedstawione w tym materiale.

Są wśród nich elementy kosztujące poniżej 10 złotych, o parametrach wystarczających dla wielu hobbystów. Przetestowałem wiele spośród posiadanych źródeł napięcia odniesienia, a dla porównania także zwykłe diody Zenera (które w świadomości wielu osób też są wzorcami napięcia).

W tym artykule opisane są tylko bardzo proste i bardzo tanie rozwiązania. Najlepsze i najdroższe z przedstawionych są układy LM399, które właśnie do takich testów zakupiłem w chińskich sklepach. Same kostki LM399 (przy zakupie dwóch egzemplarzy) można nabyć po około 40 złotych za sztukę, natomiast moduły z tą kostką – za około 70…80 złotych. Czyli niemal za bezcen, jak na ich parametry.

Artykuł ten daje szeroki obraz zagadnienia i jest dobrym wstępem do realizacji jeszcze dokładniejszych wzorców. A jeszcze lepsze parametry mają układy scalone LTZ1000 (ADR1000). Tak, ale po pierwsze, sam układ scalony LTZ1000 kosztuje ponad 300 złotych (wersja LTZ1000A i ADR1000 jeszcze drożej), a po drugie, do układu scalonego trzeba dodać dobry wzmacniacz operacyjny, wysokiej klasy rezystory oraz odpowiednio zaprojektować połączenia w układzie. A to już jest naprawdę trudna sztuka – zadanie tylko dla naprawdę doświadczonych elektroników.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze majowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 5/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 5/2024 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Możliwość dokładnych pomiarów!

Nazywam się Bartłomiej Radzik, jestem weteranem Szkoły Konstruktorów, inżynierem elektronikiem i entuzjastą metrologii.

Jestem w stanie zaproponować społeczności ZE dokładny pomiar źródeł napięcia odniesienia DC i rezystorów wzorcowych. Proszę o uważne zapoznanie się z poniższymi warunkami współpracy:

1. Pomiar wykonywany jest dla celów amatorskich, pro publico bono – brak korzyści finansowych, ale i brak możliwości wnoszenia wszelkich roszczeń;

2. Pomiar napięcia stałego w zakresie 1 V do 19,9 V z użyciem zespołu trzech wzorców Fluke 732A oraz multimetru Datron 1281 używanego jako transfer;

3. Pomiar rezystancji w zakresie 1 k…19,9 kΩ z użyciem wzorca ESI SR104 oraz multimetru Datron 1281;

4. Niepewność pomiaru U oraz R szacowana jest na ±10 ppm, względem wzorców GUM;

5. Warunki pomiaru: temperatura, wilgotność oraz napięcie zasilania będą w raporcie pomiarowym;

6. Urządzenie testowane będzie wygrzane przez minimum 1 h przed dokonaniem pomiaru;

7. Nadsyłanie i odsyłanie przedmiotu tylko i wyłącznie przy użyciu paczkomatów Inpost. Jest to jedyna akceptowana forma wysyłki;

8. Termin realizacji: do 10 dni, w sezonie urlopowym i świątecznym możliwe wydłużenie terminu;

9. Niedopuszczalne jest wysyłanie wzorców zasilanych akumulatorami litowymi na czas transportu ze względu na ryzyko pożarowe;

10. Dane adresowe i szczegóły dotyczące nadawania paczek udostępniane są zainteresowanym po uprzednim wysłaniu wiadomości na mój adres.

Pozdrawiam

Bartłomiej Radzik

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mamy wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 4/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.