* Sehr * hohe Präzision, * sehr * stabile Stromquelle

Mein Hintergrund: experimentelle Physik. Ich bin kein Elektrotechniker, aber ich habe Erfahrung darin, grundlegende elektronische Schaltkreise für physikalische Experimente zusammenzustellen. Also sei bitte nett und erkläre, als wäre ich ein Noob. Vielen Dank!

Was ich versuche zu tun: Eine sehr genaue (<10 ppm Genauigkeit, 5 ppm ideal) Messung der Ladung, die über einen Zeitraum von Hunderten von Stunden durch eine Last fließt. Die Ströme liegen typischerweise zwischen 50 mA und 500 mA.

In der Regel erfolgt dazu eine handelsübliche programmierbare hochpräzise Stromquelle mit einer Genauigkeit von <10 ppm, um die Last anzutreiben, und der Strom wird auf der niedrigen Seite separat mit einem kalibrierten Präzisionswiderstand und einem hochgenauen Multimeter gemessen. Die Messungen vom Multimeter werden dann integriert, um Coulomb abzuschätzen. Der kalibrierte Widerstand und das Multimeter werden in einem Inkubator temperaturstabilisiert, um die thermische Drift zu minimieren.

Jetzt ist mein Problem, dass diese Präzisionsstromquellen teuer sind und ich mehrere dieser Setups für relativ billig bauen muss.

Daher muss ich eine Stromquelle und -senke mit einer Genauigkeit von <10 ppm und einer Stromstärke von 50-500 mA bauen, die Hunderte von Stunden lang stabil und rauscharm ist. Set-Punkt - Genauigkeitist nicht sehr wichtig, da ich den Strom sowieso separat messen werde. Der Strom muss jedoch sehr stabil und präzise sein, damit ich nicht zu viele Proben entnehmen muss, um eine hohe Genauigkeit der integrierten Coulomb zu erzielen. (Denken Sie daran, dass die Messung über Hunderte von Stunden dauert. Daher ist es praktisch, höchstens alle zehn oder zwanzig Sekunden eine Probe zu entnehmen, da sonst zu viele Daten verarbeitet werden müssen.) Die Stromquelle muss nicht programmierbar sein, solange ich einen oder zwei Skalierungswiderstände ändern kann, um den Sollwert für das jeweilige Experiment zu ändern. (Der Skalierungswiderstand und die Quelle können im Allgemeinen in einem Inkubator temperaturstabilisiert werden.)

Jetzt sind alle technischen Hinweise und Foren, die ich lese, für eine Genauigkeit von höchstens 0,01% (100 ppm) oder 0,005% (50 ppm) ausgelegt. Ich brauche etwas, das viel besser ist, und ich habe keine Strategien dafür online gefunden. Irgendwelche Ideen, wie das gemacht werden kann?

Vielen Dank im Voraus für Ihre Hilfe!

Erstens benötigen Sie keine präzise Stromquelle. Der Grund dafür ist, dass eine Stromquelle im Kern den Strom durch einen Widerstand misst und dann eine Rückkopplungsschleife um die Strommessung und eine Präzisionsspannungsquelle schließt. Da Sie nur den Strom (und damit die Ladung) durch Ihre Last messen möchten, benötigen Sie keine Präzisionsreferenzspannung. Sie können eine ziemlich schlampige Quelle verwenden, solange Sie den Strom genau messen.

Wie messen Sie den Strom? Nun, das ist (im Prinzip) ziemlich einfach. Sie messen einfach die Spannung an einem Widerstand in Reihe mit Ihrer Last, die allgemein als Nebenschlusswiderstand bezeichnet wird. Natürlich haben Sie nicht angegeben, dass extreme Stabilität in der aktuellen Stufe erforderlich ist, und wenn dies der Fall ist, müssen Sie sich darüber Sorgen machen.

Leider haben Sie mit Ihren Anforderungen ziemlich viel abgebissen. Sie wollen einen ziemlich hohen Strom für Ihre Stabilität. Dies wird eine fröhliche Hölle mit Ihren Anforderungen spielen, da die Selbsterwärmung zu einem Hauptakteur wird. Beginnen wir mit einem Basissystem. Nehmen wir an, Sie möchten 1 Volt an Ihrem Shunt bei vollem Strom. Dann beträgt die Verlustleistung 1/2 Watt und der Zielwiderstand 2 Ohm. Dies führt zu einer erheblichen Eigenerwärmung des Widerstands. Gehen Sie zu digikey.com und schauen Sie sich Niedertemperaturwiderstände an. Lassen Sie uns 10 ppm / ° C-Einheiten verwenden. Wenn Sie die Suche auf vorrätige Widerstände beschränken, werden Sie feststellen, dass die verfügbaren Einheiten mit höherer Leistung immer noch weniger als 1/2 Watt haben und im Allgemeinen nicht auf Lager sind, mit einem Mindestkauf von 4000 Einheiten (zugegebenermaßen bei 40 Cent pro Jahr) Pop, aber das sind immer noch ungefähr 1600 Dollar). Schlechter,

Sobald Sie 1/8 Watt erreicht haben, können Sie 10-Ohm-Einheiten finden. Wenn Sie 5 parallel schalten, erhalten Sie 2 Ohm bei 0,625 Watt. Dies wird jedoch ein No-Go sein. Die einzelnen Widerstände sind für eine Temperatur von 70 ° C oder 50 Grad über der Umgebungstemperatur ausgelegt. Dies führt natürlich zu einer thermischen Drift von nominal 500 ppm. Wenn Sie sie finden würden, würden Sie einzelne Temperaturen von etwa 0,2 ppm benötigen.

Informationen hierzu finden Sie unter https://www.digikey.com/products/en/resistors/chip-resistor-surface-mount/52?k=&pkeyword=&pv2085=u10+Ohms&pv2=4&FV=ffe00034%2C4400c9&mnonly=0&ColumnS = 0 & page = 1 & stock = 1 & Quantity = 0 & ptm = 0 & fid = 0 & pageSize = 25 und Sie finden 0,2 ppm / Grad, 10 Ohm, 1/4 W. Sie können 4 oder 5 parallel schalten , und Sie sollten in Ordnung sein. Der TCR ist nicht nur niedrig, die PCR beträgt 5 ppm bei 70 ° C. Zugegeben, das Schlucken der Hälfte Ihres Fehlerbudgets aus einer Hand bedeutet nur Ärger, aber das ist im Allgemeinen Teil des Spiels, wenn Sie Dinge billig machen. Es gibt einen sehr guten Grund, warum die aktuellen Quellen, die Sie sich angesehen haben, so viel kosten. Natürlich werden sie (die angegebenen Widerstände) Sie ungefähr 50 - 60 Dollar laufen lassen. Ist das ein Problem? Ist das "billig"?

Nun, es ist sicherlich viel billiger als die Art von aktueller Quelle, die Sie sich angesehen haben. Und es ist definitiv eine gute Idee, eine ordnungsgemäße Kühlung für Ihren Shunt in Betracht zu ziehen, aber das ist trotzdem eine gute Idee.

Und wenn wir schon dabei sind, sollten Sie sich darüber im Klaren sein, dass Ihre Zähleranforderungen außerhalb der üblichen Grenzen von Billig liegen. Sie benötigen mindestens 0,001% Linearität und mindestens 5 1/2 Stellen von einem DMM. Wenn Sie Ihr eigenes A / D rollen wollen, benötigen Sie mindestens 17 Bits.

Und diese Art von großem Dynamikbereich und hoher Genauigkeit impliziert eine Empfindlichkeit gegenüber Eingangsrauschen, die Sie beachten müssen. Zugegeben, wenn Sie nur die Samples addieren möchten, erhalten Sie eine beträchtliche Mittelung aus dem Rauschen, obwohl in diesem Fall eine höhere Samplerate besser als niedrig ist.

In keinem Fall ist klar, warum Sie eine so niedrige Datenerfassungsrate wünschen. Sicher, es sind viele Daten, aber wenn Sie keine Schicht von Arbeitern haben, die Messungen durchführen, sind 200 Stunden Daten nur 720.000 Sekunden. Unter der Annahme von 10 Bytes pro Sample entspricht dies nur einer Dateigröße von 7,2 MB. Sogar der niedrige FAT32 kann ungefähr das 500-fache dieser Menge halten. Werden Sie auf der anderen Seite, selbst wenn Sie 10 Sekunden pro Probe annehmen, wirklich versuchen, 72.000 Datenpunkte von Hand zu knacken? für mehrere Setups? Es ist schwer vorstellbar, warum es nicht sinnvoll ist, sowohl die Datenerfassung als auch die Datenreduzierung zu automatisieren. Zumindest können Sie eine einfache Summierung in Excel fast trivial durchführen.

Ich bin geneigt, Tony Stewart zuzustimmen, dass dies kein Projekt für Anfänger ist. Wenn Sie es unbedingt selbst tun müssen, würde ich mich für einen gut gebauten Shunt entscheiden und dann zu einem kommerziellen DAQ von einem Unternehmen wie Measurement Computing gehen. Sie können einen 8-Kanal-24-Bit-DAQ mit einer Software erhalten, die 2 Samples / Sek. Für etwas mehr als 400 Dollar ausführt. Die Eingangsoffset-Temperatur beträgt weniger als 0,5 uV / Grad, sodass Sie möglicherweise nicht an die Klimaregelung für Ihre Instrumente denken müssen. Andererseits liegt die Verstärkungstemperatur in der Größenordnung von 4 ppm / Grad, also tun Sie dies wahrscheinlich.

BEARBEITEN - Anstatt Kommentare zum Antworten auf Kommentare zu verwenden, erweitere ich diese Antwort.

Vielleicht habe ich Ihre Anforderungen falsch verstanden. Soweit ich Ihren Beitrag verstehe, interessieren Sie sich für die Gesamtladung, die durch Ihre Ladung (en) fließt. Sie haben nichts über die Unterscheidung zwischen dem Strom in die Last und dem Strom durch den Nebenschlusswiderstand gesagt. Mit anderen Worten, Sie haben den Eindruck erweckt, dass der Lasteingang dem Lastausgangsstrom entspricht, und wenn Sie den einen messen, messen Sie den anderen. Unter diesen Umständen besteht kaum Bedarf an einer Präzisionsquelle, zumindest nicht in dem Sinne, wie Sie es zu glauben scheinen. Wenn Sie den Strom auf 10 ppm messen, ist das das Beste, was Sie tun können. Wenn es zwischen den Proben etwas variiert, wird alles in der Wäsche herauskommen, solange diese Variation nicht mit dem Probenintervall korreliert.

Einerseits ist ja eine gewisse Stabilität notwendig. Mein Punkt war jedoch, dass es nicht so großartig sein muss, wie Sie vielleicht denken. Ja, wenn sich der aktuelle Pegel mit der Zeit ändert, muss er verfolgt werden. Sofern die Änderungen (die als Rauschen betrachtet werden können) nicht mit der Abtastzeit korrelieren, wird dieses Rauschen bei langen Datenläufen gemittelt. Mit anderen Worten, Stabilitätsprobleme werden auf lange Sicht tendenziell herausgefiltert. Grundsätzlich besteht immer die Möglichkeit, dass sich Fehler ansammeln, dies sollte jedoch kein großes Problem darstellen. Und Stabilität bedeutet in diesem Fall Stabilität über 10 Sekunden, was nicht schwer zu tun ist.

Und ich sollte meine Bedingungen quantifizieren, insbesondere die Stabilität. 0,01% (100 ppm) in einer Stromquelle sind nicht so schwer oder teuer, obwohl 0,1% viel einfacher sind. Und wenn Sie den von mir vorgeschlagenen Niedertemperatur-Shunt verwenden, können Sie diese Spannung zur Steuerung Ihrer Stromquelle verwenden, und die Referenzspannung wird zum begrenzenden Faktor, gefolgt vom Verstärkerversatz.

Darüber hinaus ist die Temperaturregelung irreführend leicht als "einfach" abzutun, und in mancher Hinsicht ist sie es auch. Wenn Sie Ihre Kontrolle jedoch nicht quantifizieren, können Sie nicht wissen, ob sie angemessen ist. Sie können nicht einfach einen Kühlkörper liefern und sicherstellen, dass das Problem behoben ist. Im Übrigen wissen Sie nicht einmal, ob es überhaupt ein Problem gab.

Eine Drift von 10 ppm entspricht einem dB-SNR von 100 dB bei Gleichstrom. Dies erfordert einen Ofenstromsensor für eine stabile Erfassung und einen extrem geräuscharmen Regler. Dann ein ADC mit 20 Bit Auflösung und 18 Bit Genauigkeit, der auch thermisch geregelt werden muss. Keithley kann ein solches Instrument für $ 5k herstellen. DIY ohne Erfahrung? Gutes Ruck.

Wir stellen seit über 26 Jahren Präzisionsstromquellen her und können einige Vorschläge machen. Verwenden Sie für den aktuellen Sinn die Vishay VPR221Z-Serie oder den VCS331Z, je nach Leistung. Für beste Ergebnisse versenken Sie den Messwiderstand trotz des Tempco von 0,2 ppm / ° C. Verwenden Sie Verstärker mit Instrumentenqualität wie den INA103 für die Stromerfassung und auch für die Spannungserfassung über die Last. Wählen Sie für die Referenzspannung die beste Referenz aus, die Sie sich leisten können, z. B. den AD587, und puffern Sie sie mit Operationsverstärkern wie dem AD797, der als Tiefpassfilter konfiguriert ist. Minimieren Sie die aktuelle Bandbreite der Servoschleife so weit wie möglich, einschließlich des Durchgangselements. Beseitigen Sie Streuluftströme, indem Sie die Leiterplatte abschirmen. Stellen Sie einen 10 Ohm in Reihe mit allen ICs und einen 0,1uF, um zurückzukehren. Isolieren Sie den analogen Teil mit Optokopplern oder neueren Äquivalenten vom digitalen. Verwenden Sie lineare Netzteile mit verteilter Kapazität auf der Leiterplatte. Verwenden Sie separate Netzteile für den analogen Bereich und KEINE gemeinsame Rückkehr zum digitalen Bereich. Verwenden Sie separate Rückgaben mit Mekka-Punkten, um Kupferversätze zu minimieren. Isolieren Sie die verschiedenen Kupfergüsse, die für die Abschirmung der inneren Schicht verwendet werden, so, dass isolierte analoge Spannungen von isolierten Stromquellenspannungen getrennt sind, außer an einem sorgfältig ausgewählten Punkt. Planen Sie, das Brett mehrmals zu drehen. Isolieren Sie die verschiedenen Kupfergüsse, die für die Abschirmung der inneren Schicht verwendet werden, so, dass isolierte analoge Spannungen von isolierten Stromquellenspannungen getrennt sind, außer an einem sorgfältig ausgewählten Punkt. Planen Sie, das Brett mehrmals zu drehen. Isolieren Sie die verschiedenen Kupfergüsse, die für die Abschirmung der inneren Schicht verwendet werden, so, dass isolierte analoge Spannungen von isolierten Stromquellenspannungen getrennt sind, außer an einem sorgfältig ausgewählten Punkt. Planen Sie, das Brett mehrmals zu drehen.

Dieser Link zeigt eine Präzisionsstrom-Referenzschaltung mit einer Stabilität von ungefähr 10 ppm. http://www.ti.com/lit/an/sbva001/sbva001.pdf

Für diese Anforderungen benötigen Sie eine Ofenbox, Komponenten mit geringer Drift, leise Stromquellen und etwas Finesse. Ein Strom-Frequenz-Wandler und ein Zähler akkumulieren einen ganzzahligen Wert, der der Gesamtladung entspricht. Die Kalibrierung wird eine Herausforderung sein. Wenn Sie jedoch wissen, dass die von Ihnen angestrebte Genauigkeit auf ein wichtiges Phänomen hinweist, kann dieses Phänomen Ihre Kalibrierungsquelle sein.

Beachten Sie, dass Temperatur, atmosphärischer Druck, Magnetfeld und sogar Streulicht Ihr Ergebnis beeinflussen können. Daher sollten diese alle kontrolliert werden.

Ihr Messwiderstand ist horizontal, sodass die von ihm aufsteigende Wärme keinen Temperaturunterschied an den Klemmen verursacht (was zu Thermoelementspannungen an Kupferdrahtverbindungen führen würde).

Ein gerührtes Ölbad könnte nützlich sein.

Sampling-Techniken (wie die meisten ADCs) sind Ihr Feind. Sie möchten KEINE Totzeit- oder Rundungsfehler. Mit einem Oszillator als Konverter gibt es keine Totzeit. Die meisten automatisierten Testsysteme sind für die schnelle Überprüfung von Fabrikwaren vorgesehen und für diese Präzision über Betriebstage hinweg schlecht geeignet.

Sie können eine MOSFET-basierte Stromquelle verwenden . Da der FET nur einen winzigen Gate-Leckstrom hat, gibt Ihnen die Spannung am Widerstand eine gute Genauigkeit des Stroms.

Deswegen brauchst du:

• Ein Opamp mit geringem Rauschen und Offset-Drift

Für rauscharm ist ADA4898 schwer zu schlagen und nicht so teuer. Außerdem hat es eine geringe Offset-Drift ...

• Eine Spannungsreferenz mit geringer Drift

Beispiele sind LTZ1000 oder LTC6655 usw.

• Ein Widerstand mit geringer Drift

Hier ist ein Beispiel , tippen Sie auf die Digikey / Mouser-Suchmaschine und sortieren Sie nach Tempco;)

Das ist nur ein Ausgangspunkt, es wird wahrscheinlich ziemlich schwierig ... Das Einsetzen der aktiven Geräte in ein temperaturgesteuertes Gehäuse könnte helfen ...

Ich arbeite an einem Tool, um so präzise Systeme bereitzustellen, aber nicht bereit für die Hauptsendezeit. Andererseits bietet der Aufbau der elektronischen Datenbank für ein solches Werkzeug viele Gedankenexperimente, und eine wesentliche Einschränkung ist die Widerstandsmessung des Stroms.

Kupferfolie hat einen Temperaturkoeffizienten von 4.000 ppm pro Grad Celsius. Kaufen Sie einen Shunt. Versuche nicht, einen zu bauen.