Welche Widerstände bei Bestückung mit Referenz LM399?

Themen rund um die Hardware und Abgleich des Digitalvoltmeters DIV gehören hier rein.
Antworten
Benutzeravatar
lab-freund
kann c't-Lab-Module umbauen
kann c't-Lab-Module umbauen
Beiträge: 88
Registriert: 23.01.2015, 20:27

Welche Widerstände bei Bestückung mit Referenz LM399?

Beitrag von lab-freund » 29.04.2015, 22:51

Gerne würde ich anstelle der IC-Referenz einmal testweise die LM399-Referenz verbauen. Ich erhoffe mir davon eine schnellere Konvergenz der LM399 gegen ihre Referenzspannung.

Der ganze Versuch erscheint mir jedoch witzlos, wenn die folgenden Widerstände, die das Signal aufbereiten, fröhlich vor sich hindriften, während die Referenz schon statisch ist.
Welche Widerstände von welchem Lieferanten haben denn diejenigen von Euch genutzt, die die LM399 verbaut haben?
Ich habe das Gefühl, die 0,1%-er des bekannten Lieferanten aus Sande reichen da nicht mehr aus. Interessanterweise (fälschlicherweise?!) ist ja lediglich der 20k-Widerstand des Drittelteilers mit 0,1% gekennzeichnet.

Für alle interessierten Mitleser:

Das DIV erhält seine Referenzspannung im Basismessbereich von 2,5V entweder von einem Referenz-IC, das etwa 2,5V liefert (einfache Lösung), oder von der beheizten Referenz LM399 (aufwendige Lösung).
Deren nominelle Spannung liegt laut Datenblatt bei 6,95V, die Exemplare streuen aber zwischen 6,75V und 7,3V. Der Versorgungsspannung vorgeschaltet ist ein Widerstand von 7,5k, der unkritisch ist.

Die nominellen 6,95V werden mit einem Spannungsteiler von 20k/10k auf ein Drittel reduziert. Dieser Wert erscheint am nichtinvertierenden Eingang des folgenden Operationsverstärkers.
Vereinfacht dargestellt, wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers mit einem 10k/1k-Teiler (91%) auf den invertierenden Eingang gelegt. Im Ergebnis wird dadurch die gedrittelte Referenzspannung noch einmal um 10% verstärkt.
Eine Referenz mit den typischen 6,95V würde also auf ein Drittel reduziert (2,32V) um dann auf 2,55V verstärkt zu werden.

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers lässt sich in Grenzen regeln, weil in Wirklichkeit anstelle des 1k-Widerstands des Teilers die Kombination aus einem 820Ohm-Widerstand und einem 200Ohm-Poti verwendet wird. Kommt man mit Einstellung des Potis nicht zu den gewünschten 2,5V, wird der 820Ohm-Widerstand entsprechend getauscht.

Neuling
kann c't-Lab-Bausätze löten
kann c't-Lab-Bausätze löten
Beiträge: 29
Registriert: 15.06.2013, 12:45

Re: Welche Widerstände bei Bestückung mit Referenz LM399?

Beitrag von Neuling » 09.05.2015, 11:19

Entscheidend für die Drift ist nicht der Temperaturkoeffizient der Widerstände (25 ppm/K für die 0.1% er vs. 50 ppm/K der 1%er lt. Datenblatt) sondern nur deren Unterschied. Nur wenn man nichts weiß, halbiert sich die Drift im jeweiligen worst case mit den 0,1%ern. Wenn man auch bei den METALL aus Sande welche mit einem Delta von wenigen ppm selektieren könnte oder sie ohnehin nur gering im Tk streuen, wären die 1%er besser. Wenn der Tk innerhalb eines Wertes nur gering streut, würde man den 1:2 Teiler zweckmäßig aus drei 20k-Widerständen (oder 22k) aufbauen, wobei zwei Widerstände parallel zu schalten wären.

Daher die Frage ans Forum: Hat jemand mal die Streuung des Tk dieser Widerstände bei gleichem Nennwert und bei verschiedenen Werten (vermutlich zweckmäßigerweise dekadenweise) untersucht oder kennt er eine derartige Untersuchung vielleicht im Rahmen einer Bachelor-, Diplom- oder Masterarbeit?

Benutzeravatar
lab-freund
kann c't-Lab-Module umbauen
kann c't-Lab-Module umbauen
Beiträge: 88
Registriert: 23.01.2015, 20:27

Re: Welche Widerstände bei Bestückung mit Referenz LM399?

Beitrag von lab-freund » 09.05.2015, 15:03

Neuling hat geschrieben:Entscheidend für die Drift ist nicht der Temperaturkoeffizient der Widerstände (25 ppm/K für die 0.1% er vs. 50 ppm/K der 1%er lt. Datenblatt) sondern nur deren Unterschied. Nur wenn man nichts weiß, halbiert sich die Drift im jeweiligen worst case mit den 0,1%ern. Wenn man auch bei den METALL aus Sande welche mit einem Delta von wenigen ppm selektieren könnte oder sie ohnehin nur gering im Tk streuen, wären die 1%er besser.
Ja, habe ich hier erörtet, mit Beweis.

Ist das so eine Faustformel, dass der Gleichlauf im schlimmsten Fall etwa die Hälfte des TK beträgt? Da hätte ich dann wieder etwas dazugelernt!

http://www.thoralt.de/phpbb/viewtopic.p ... =812#p4759
Wenn der Tk innerhalb eines Wertes nur gering streut, würde man den 1:2 Teiler zweckmäßig aus drei 20k-Widerständen (oder 22k) aufbauen, wobei zwei Widerstände parallel zu schalten wären.
Nein. Die richtige Lösung besteht meiner Meinung nach darin, diese drei Widerstände in Reihe zu schalten. Dann fließen die gleichen Ströme und es fällt an jedem Widerstand dieselbe Spannung ab. Infolgedessen muss jeder Widerstand die gleiche Leistung in Wärme umsetzen. und bei gleichem TK ändern sich die Widerstandswerte alle um denselben Faktor.

Deine Lösung bedeutet eine Verschlechterung um den Faktor 4.

Beweis:

20k parallel zu 20k ergibt 10k. Bei 10k in Reihe mit 20k teilt sich die Gesamtspannung von +7,2V auf +2,4V über 10k und 4,8V über 20k auf. Insgesamt fließt bei einem Widerstand von 10k+20k=30k ein Strom von 0,24mA.

Das macht eine Leistung von 4,8V*0,24mA =1,1562mW an dem 20k-Widerstand und 2,4V*0,12mA=0,288mW an jedem der beiden parallel geschalteten Widerstände.

Auch wenn die verbratenen Leistungen ziemlich klein sind, würde ich diese Situation vermeiden wollen.
Mir fehlt jetzt allerdings das Maß dafür, wie sehr sich die Widerstände pro Watt Leistung erwärmen.

Neuling
kann c't-Lab-Bausätze löten
kann c't-Lab-Bausätze löten
Beiträge: 29
Registriert: 15.06.2013, 12:45

Re: Welche Widerstände bei Bestückung mit Referenz LM399?

Beitrag von Neuling » 14.05.2015, 15:10

Peinlich, peinlich, ... und vielen Dank für die Richtigstellung. Mein Fehler war, nur an die Umgebungstemperatur gedacht zu haben und die Verlockung, lieber zwei parallelgeschaltete Widerstände auf der Platine zu haben als zwei garstig in die Höhe stehende :-).

Du hast natürlich völlig recht, der entscheidende Faktor ist die Erwärmung durch die umgesetzte Verlustleistung.

Anmerkung: In diesem speziellen Fall wird allerdings der Spannungsteiler an der praktisch konstanten Spannung des Referenzelements betrieben, sodass der Strom durch ihn ebenfalls praktisch konstant ist und damit auch die Teilströme bei einer evtl. Parallelschaltung. Damit sind auch die Verlusteistungen - obwohl unterschiedlich - ebenfalls zeitlich konstant. Da der Wärmewiderstand in erster Näherung temperaturunabhängig ist, ist in diesem speziellen Fall doch nur die Änderung der Umgebungstemperatur von belang. Der fehlerbehaftete Teilungsfaktor wird nach dem thermischen Einschwingen der Verlustleistung bei der Kalibrierung berücksichtigt. Dieses dauert aber und fällt bei Reihenschaltung weg, da sich alle Widerstände thermisch zeitlich gleich verhalten, wenn der TK gleich ist. Die Frage bleibt: wie stark streut er innerhalb eines Loses?

Btw.: der Wärmewiderstand der Widerstände ist 140K/W, damit rechnerisch 0,22° am 20k Widerstand und 0,04° an den anderen beiden.

Antworten