Ontwerp, bouw en meten aan een referentie met oven

De constructie van de print luistert nauw. Qua ontwerp is er aandacht gegeven aan de stroom die de brander nodig heeft. Als de brander aan is, zal deze stroom de rest niet mogen beïnvloeden. Over smalle printbanen heb je al gauw een aantal millivolts verlies. Dat mag je niet terugzien in de uitgangsspanning!

Bij het "IC" is heel mooi de ster vormige constructie te zien, waarbij het sterpunt aan de min van het referentie IC ligt (rood kruisje in de foto). De lab uitvoering heeft een soortgelijke constructie.

Nu maar eens meten

Eerst de uitgang van de referentie, want daar was het om begonnen. Dit is zonder temperatuurregeling. Het referentie IC zit pas een paar uur op de print gesoldeerd, en heeft dus nog mechanische stress. En natuurlijk nog geen burn in van 1000 uur. Dus ben ik wat voorzichtig met conclusies trekken.

Linker (groene) led is power, rechts (rood) is de brander. Deze blijft aan omdat de brander geen voeding heeft en niet kan opwarmen. Er is niets speciaals qua meetsnoeren gebruikt. Gewoon huis, tuin en keuken spul.

Uitgangsspanning:

Volgend plaatje is de uitgang, gemeten over 10 minuten. De referentie stond ongeveer 15 minuten aan. In het lab is het 26 °C.

5 µV/div komt overeen met 2 ppm/div.
Valt niet tegen

De referentie is niet getrimd op 2,500.00V @ 26°C. Dat heeft een reden, waarover later meer.

Bij die paar lange halen naar beneden denk ik aan mechanisch stress, die eruit gaat. Na 1000 uur burn-in verwacht ik dat die weg zijn.

Temperatuur van de die:

Dit is wel een leuke van de REF5025. TI zegt daarover het volgende:

the output voltage follows the VTEMP PIN = 509 mV + 2.64 × T(°C) relation

en

This pin indicates general chip temperature, accurate to approximately ±15°C.
Although it is not generally suitable for accurate temperature measurements, it can be used to indicate temperature changes or for temperature compensation of analog circuitry.

Bij een eerste meting vond ik de uitgang wat ruiserig, dus heb ik een weerstand van 33k en een condensator van 100 nF als filter op het breadboardje gezet.

Dat geeft dit resultaat:

Als ik dan de 554 mV terug reken naar temperatuur, dan kom ik op (554 - 509) / 2.64 = 17 °C. Dat valt binnen de specificatie van ±15°C. In werkelijkheid is het 26°C.

100 µV/div komt overeen met 0,037°C/div

Als laatste een plaatje van het opwarmen van de die:

De eindwaarde is 645 mV en wordt in ongeveer 40 seconden bereikt.
20 mV/div is 7,5°C/div. De eindwaarde ligt ongeveer 4,5 hokje boven de beginwaarde, dus dat is 34°C boven de beginwaarde. Dat zou dus een die van 60°C betekenen.
Dit is ook op een andere manier te zien: 645mV = (645-509) / 2.64 = 51,5°C. De afwijking was -9°C, dus de werkelijke die temperatuur = 60,5°C

Altijd leuk is het blijkt te kloppen

Volgende post meer, de 5 plaatjes hangen er weer in ..

Prachtig mooi! Gebruik standaard 35µM koperdikte op het printmateriaal?

Yep, gewoon 35µ koper, 1,6 mm materiaal
De 3 via's naar de andere kant zijn 0,65 mm

De plaat van de MJD127 is relatief dik, wel 0,5 mm

Is een gewone weerstand als verwarmingselement niet beter? (zijn er in D2PAK)

Een weerstand moet je ook regelen, dus iets (BJT, MOSFET) in serie heb je toch nodig. Tenzij je PWM gaat doen, verstook je dan een deel van de energie in het serie element. Ik heb voor een voltage controlled current source gekozen, juist om het serie element te vermijden.

En om zijn eenvoud, natuurlijk

Als ik het goed begrijp zit er intern in de referentie chip ook al een oven die de die op 60°C houd?

Serie element heb je nu toch ook in de vorm van R6?

Nee, op de chip zit alleen een temperatuursensor.

Alleen de REF50XX serie van TI heeft bij mijn weten de sensor. De LT1021, de REFXX en vergelijkbare niet. Vandaar dat ik de sensor niet gebruik, anders zou ik geen andere IC's kunnen gebruiken.

R6 = 4,7 Ohm. Bij vol vermogen is de spanning over R6 de BE spanning van de transistor, dus 0,6V. Maximaal vermogen in R6 is dan 76 mW! (t.o.v. 1,5 Watt in de transistor)

In normaal gebruik is het vermogen 0,5 Watt, vermogen in R6 is dan 8 mW!

Nog een paar plaatjes

De meest brandende vraag is natuurlijk: is het de moeite waard om een oven eromheen te bouwen?

Daar kan onderstaand plaatje antwoord op geven:

Het plaatje begint met de chip op lab temperatuur, met de brander uit. De spanning is dan 2,498.38V
Op 1 min. 30 gaat de brander aan en zien we de uitgangsspanning oplopen naar 2,500.01 V
Het temperatuurverschil hadden we eerder bepaald op 34°C. In spanning is het verschil 1,63 mV en dat komt neer op 48 µV per °C. En dat is weer 19 ppm/°C

Wow .. dat is veel meer dan de 8 ppm/°C die de datasheet vermeld.
WTF?? Nu heeft deze nog geen burn in gehad van 1000 uur, maar dit lijkt niet goed .. op het eerste gezicht.

Gelukkig heb ik er 2 gemaakt

Dus referentie eruit, en een andere erop.

Grafiekje:

Deze start bij 2,499.22V en na opwarmen 2,499.99V
Verschil dus 0,77 mV en dat komt neer op 22 µV/°C. Dat is 9,2 ppm/°C. En dit zou heel goed kunnen voor een IC dat pas een paar uur geleden gesoldeerd is en nog geen burn in heeft gehad.

Wat me opvalt bij het testen is dat de tweede (goede) referentie ook een veel lagere stroom nodig heeft om de temperatuur in stand te houden. Wellicht is met de eerste nog iets mis? (ga ik onderzoeken)

Maar deze "afgekeurde" referentie geeft wel mooi aan waar het om gaat bij de bouw van een oven. Als ik de balans opmaak van alle mogelijke afwijkingen aan een referentie, dan is de temperatuur gevoeligheid veruit de grootste post. Door een oven wordt deze afwijking grotendeels geëlimineerd. En zo kun je van iets middelmatigs, iets enorm goeds maken.

Om deze post af te ronden nog 2 lange termijn plaatjes:

Dit plaatje laat het temperatuur verloop gedurende 45 minuten van de die zien. De schaal is ongeveer 0,076 °C/div. Als ik alle ruis meeneem dan heeft het 4 hokjes gezwabberd, wat neerkomt op een variatie van 0,3°C. Aangezien het geheel nog niet ingeblikt is, ben ik daar heel tevreden mee

Dit plaatje laat de uitgangsspanning over 50 minuten zien. Dit is dan wel de "afgekeurde" referentie. Ook daar zou ik al heel tevreden mee zijn. Maar misschien dat de referentie die er nu opzit beter is.

Hi JBerg54,

Mooi werk!

Er zijn nog een paar referenties die ook een temp uitgang hebben, maar dat is verder niet intressant.
Ik vraag mij af waarom je zo'n hoge temperatuur gekozen hebt..
Bij mij stop het bijna altijd bij 42C en als het voor een losse referentie is die niet in een product komt dat veel warmte genereerd, het liefst nog wat lager als 39 of 40C.
Scheeld ook weer energie als het uit batterijen gevoed moet worden en er is minder stress in je oven.

Je uitschieters
Ik denk dan aan stoorsignalen en minder snel aan mechanische stress door soldeer werk.
Daar kan je snel achter komen door je referentie in een blikken doosje de hangen, koekblik, handencreme blikje enz.
Voor de snelle isolatie gebruik ik meestal de orenje zakjes die om de samples van Analog Devices of andere IC merken zitten.
Er omheen vouwen, elastiekje er om en je zult verbaasd staan hoe goed dat isoleerd.
Los op tafel is er eigenlijk niet goed te meten met resoluties beneden de 10PPM.

Ik vind je oplossing betreffende het verwarmen meteen transistor met de extra stroombegrensings weerstand de beste manier.
En je hebt er aan gedacht het vermogen niet te groot te maken (maar denk ook aan de temperatuur die er minimaal mag zijn voor goede werking)
De val van lekker snel opwarmen ben ik ook al een paar keer ingetrapt
Met mijn laatste dubbele oven, los ik dit een stuk intelligenter op aan de hand van iemand hier op CO die een opmerking maakte over het eerst "voorverwarmen" tot zeg 40C en dat dan pas de regelloop mag gaan werken als de voorverwarmer uit gaat.
Als je het dan zo uitkiest dat de overshoot dan net onder de gewenste temperatuur blijft regeld het uiteindelijk mooier en is ook snel.

Dit is voor jou niet van toepassing maar wel leuk om te laten weten dat door een losse opmerking ik er een mooi ovensysteempje aan overgehouden heb.

Dan je grote Referentie.
Denk je ook aan een verise met een "echte" referentie, zoals de LT1236LS8 of de LT1027LS8?
De LTC6655LS is wat minder geschikt voor een oven als je die steeds aan en uit zet omdat de hysteresis vrij hoog is van dit IC zelf in de LS behuizing.
Verder vind ik de Maxim 6125AASA50 erg goed voor een SO8 IC.

Heb je bij je grote oven niet mogelijk om ook de pootjes van de transistor ook op het zwevende stukje print te houden?
Dan hou je nog meer van de opgewekte energie op de plek waar het hoort.
Nu heb je misschien extra stess in de print door de energie de door de pootjes naar de rest van de print weglekt?

Ik zie graag je verdere ontwikkelingen!

Gegroet,
Bram

@JBerg54:
Mijnbrandende vraag, waarom je de interne temp sensor niet gebruikt heb je al beantwoord, maar was het niet mogelijk om de optie open te laten voor andere toepassingen? Je motivatie begrijp ik, maar het lijkt mij namelijk veel nauwkeuriger/betrouwbaarder als je van de chip temperatuur uit gaat.
Boeiend onderwerp! en misschien toepasbaar voor eed DAC, die bij mij in de planning staat.

@blackdog:
Die opwarming, kan die dan niet middels een proportionele regeling worden bewerkstelligd? Je hebt dan veel minder last van overshoot in de temperatuur en daarmee toch een kleinere temperatuurshock.
Ik ken dit principe uit diverse kristalovens, o.a. van HP.

Hi Blackdog

De MJD127 had idd nog iets verder naar achter gekund, en dan waren de pootjes onder de temperatuur sensor terecht gekomen. Ik moet eerlijk bekennen dat ik er niet aan gedacht heb dat via de pootjes ook warmte weglekt.

De temperatuur is instelbaar, en ik heb bewust voor een wat hogere temperatuur gekozen om de verschillen goed te zien. Ik wil in elk geval een paar graden boven de maximale omgevingstemperatuur gaan zitten. Ik denk dat in de praktijk iets van 46°C wel goed zal voldoen, aangenomen dat de maximale temperatuur iets van 42°C zal zijn. Het zal afhangen van de toepassing.

Ik heb nog niet in de richting van echte referenties gedacht. Eigenlijk steeds in de richting van minder goede referenties, omdat de tempco daar steeds roet in het eten gooide. Nu dat min of meer opgelost is moet ik eens kijken waar ik nu sta. Maar ik heb de mogelijkheid om van alles in so8 erop te zetten, dus wie weet?

De thermal hysteresis moet ik nog aan meten, na een dagje spelen lijken de 4 exemplaren die ik heb toch steeds weer goed op hun waarde terug te komen.

De temperatuur regeling heb ik lang aan geprutst. Het is een lastige afweging om massa, verwarmen en regelen in een goede balans te mixen. In elk geval niet teveel vermogen erin gooien, daar wordt het instabiel van. En ervoor zorgen dat de individuele trappen ook zonder terugkoppeling al stabiel zijn, en met een duidelijke forward guidance gestuurd kunnen worden.

De uitschieters naar beneden hou ik nog in onderzoek, ik heb die wel vaker gezien bij pas gesoldeerde so8 IC's. Maar eens een paar dagen aankijken, en anders idd iets aan de opstelling veranderen. Ik moet sowieso nog wat blik knippen en op maat maken.

Ik kijk nu al meer dan twee jaar dag in dag uit tegen referenties aan, en ik heb meestal wel vlot door hoe goed iets is. Ik moet zeggen dat ik bijzonder aangenaam verrast ben door de resultaten.

@Tidak Ada: uiteraard heb ik daar wel mee geëxperimenteerd
Maar de resultaten vielen toch tegen. Daar waren twee redenen voor:
- de temperatuur uitgang is vrij ruiserig
- de die is niet direct genoeg gekoppeld aan de verwarming. Je krijgt een zwabberende regeling, en het is heel lastig omdat stabiel te krijgen. Met veel truuks is dat wel gelukt, maar ik vond het uiteindelijk niet betrouwbaar genoeg om het op de print te zetten.

Wat je nu eigenlijk doet is het vlak onder de die op een constante temperatuur houden, en de die neemt dan die temperatuur over. Dat is veel eenvoudiger goed te krijgen dan door het plastic van het IC proberen te regelen.

[Bericht gewijzigd door JBerg54 op woensdag 11 mei 2016 22:48:22 (15%)]

Hi Tidak Ada,

Even een tipje van de sluier betreffende de regeling die ik gebruik.
Ik heb een dubbele wikkeling over mij ovenbuis, in koude toestand staan deze wikkelingen parallel en op een hoge voedingspanning en via een comparator meet ik dan de temperatuur van de oven buis.
Komt deze bij de 39C aan dan wordne de twee wikkelingen in serie gezet en in tegenfase zodat er geen magneet veld in de oven wordt opgewekt.
En als de wikkelingen dan in serie staan, dan komt de eigenlijke ovencontroler in werking en die kan dan van het simpele type zijn net zoals JBerg54 deze toepast.
Meer hierover in een eigen topic, het is nameijk nog een beetje complexer door de dubbele oven.

Gegroet,
Blackdog

Hi Tidak Ada,

Even een aanvulling op de opmerking van JBerg54 over de temperatuur uitgang van de REF4050 series.
De ruis is niet zo'n probleem, maar dus wel wat JBerg54 al aangeeft dat je geen goede koppeling kruigt tussne de Chip en de warmte bron.
Dan heb je een complexe pid regeling nodig...

Dat is ook de rede dat ik de sensoren van mijn ovens in het materiaal boor en vast zet met thermische lijm voor een zeergoed contact.
En dan ook nog goed gekoppeld met de warmte bron.
Meestal kan je dan met simpel filtering toe en je kan een vrij hoge gain gebruiken.
Die hoger gain geeft dan weer een kleinere afwijking door de variaties van de omgevings temperatuur.

Een simpel opgebouwde oven regelt ongeveer 20 to 50x, doe je echt je best met de zaken die ik net aangeef en goede isolatie dan is 150 a 200x verkleining van de temperatuur variatie mogelijk.
Prof fabrikanten krijgen het nog beter, maar die hebben daar de resources voor

Gegroet,
Blackdog