Seu circuito simplificado apresenta internamente uma resistência de aquecimento e um Zener, cuja tensão Vz é de 6,95V. Além disso, o integrado vem encapsulado em uma espécie de "forno", que nada mais é do que um encapsulamento de plástico que contribui na manutenção da temperatura de trabalho. A tensão de alimentação do aquecedor pode ir de 9V a 40V, segundo o fabricante.
O sistema de controle de temperatura não é realimentado, o que desfavorece um pouco a estabilidade do componente, mas melhora significativamente no desvio em função da temperatura ambiente.
Existem circuitos integrados, como o LTZ1000, utilizado em multímetros de 8 1/2 dígitos, que possuem integrados na mesma pastilha transistores que funcionam como sensores de temperatura, e que contribuem para uma quase perfeita estabilização e baixíssimo coeficiente de temperatura. Circuitos como este são normalmente proibitivos para uma aplicação Hobby ou comercial.
No mercado nacional, é possível encontrar o LM399 por valores variando entre R$30, e R$70 reais, como referência novembro de 2021. Isso o torna especial para aplicação de precisão e com custo relativamente baixo.
O circuito aqui apresentado é baseado no Datasheet do componente, referenciado como "Portable Calibrator".
De montagem simples, utiliza apenas um amplificador operacional de precisão, alguns resistores de precisão e um trimpot multivoltas.
O circuito faz uso da referência de tensão e do ampop para gerar uma tensão de saída de 10V, ajustável através do trimpot.
Ao observar o circuito, identificam-se alguns pontos críticos, como por exemplo os resistores de realimentação negativa, o trimpot e o próprio ampop.
:: Os resistores de realimentação negativa precisam ser de excelente estabilidade térmica. Isso devido ao fato de estarem diretamente relacionados com o ganho do circuito e com a tensão de saída. Idealmente, esses componentes deveriam ser integrados no mesmo substrato, de tal forma que a variação de temperatura do sistema fosse igualmente percebida nós dois, simultaneamente. Assim, com o aumento da temperatura e um coeficiente de temperatura igual para os dois componentes, o valor de tensão de saída sofreria uma variação mínima.
:: O trimpot é um segundo elemento bem crítico no que diz respeito à estabilidade. Por ser constituído de partes mecânicas móveis, folgas, impactos e variações de temperatura podem influenciar fortemente no valor ajustado de resistência do circuito. Idealmente, seu valor deve ser o mais baixo o possível e com resolução alta, para garantir a menor variação possível para o circuito. O ajuste de compensação pode ser feito no resistor de realimentação e o que encontra-se em série com este trimpot, para que este possa ser substituído por valores na casa das centenas de ohms apenas.
:: O amplificador operacional, em outra mão, deve ser escolhido para que apresente o menor coeficiente de temperatura possível, podendo até ser utilizado um com possibilidade de ajuste na tensão de offset de saída, mas preferivelmente um de boa qualidade, como o recomendado lt1001, é bem decente para a aplicação.
Uma alternativa para amenizar os problemas elencados é minimizar a transferência térmica do circuito com o ambiente. Para isso, pode-se enclausurar todo o circuito, em uma caixa fechada e com algum material potencialmente isolante térmico, como espuma ou isopor, lã de vidro ou de rocha, etc.
Isso faz com que, primeiro, todos os componentes estejam na mesma temperatura e, em segundo lugar, a temperatura dentro da clausura mantenha-se uniforme e estável.
É importante notar que o sistema precisa de um tempo de estabilização, de tal forma a permitir que atingida a temperatura de estabilização, as medições possam ser efetuadas dentro da condição estática do circuito.
Os testes aqui apresentados não configuram a condição ideal de aplicação do circuito, com uma montagem em protoboard e sem o isolamento térmico do circuito com o ambiente.
Descrição do teste
Materiais utilizados
*Por se tratar de um circuito altamente sensível, que pode sofrer influência sob muitos fatores, serão listados aqui os materiais, seus respectivos fabricantes e as especificações apresentadas ou obtidas empiricamente desses elementos.
:: Matriz de contatos de 840 pontos Minipa MP-840 [Contatos de bronze fosforoso banhados à níquel];
:: LM399H [lote: H0736];
:: Fonte de Alimentação Linear ajustável de 30V-5A
:: Amplificador Operacional OP07
Medição:
:: Agilent 34401A, conectado à um computador via comunicação serial RS-232 com software DMM conectivity utility
::
Metodologia
O circuito apresentado foi montado em uma matriz de contatos, nova, para evitar mal contato e falhas.
A tensão de alimentação adotada foi de 15V DC, oriunda de uma fonte linear, com baixo ripple e baixo ruído:
> Vripple: 1mV RMS;
Foi colocado sobre a parte do circuito na matriz de contatos, uma pequena caixa plástica, para minimizar correntes de vento e dificultar a troca de calor entre o circuito e o ambiente.
Após a energização do sistema, aguardou-se 5 minutos para que o ajuste da tensão de saída fosse realizado no trimpot. Um tempo de estabilização de 1 minuto serviu de intervalo entre os ajustes da saída, até que a tensão de saída ficasse o mais próxima o possível de 10V. A tensão obtida foi de 10,00002V.
O sistema foi deixado em funcionamento em 3 condições análogas, de tal forma que se pudesse aferir seu funcionamento.
No primeiro teste, o circuito ficou acionado por 24h consecutivas, e a temperatura ambiente não variou mais do que 1ºC, ficando na faixa de 25ºC
No segundo teste, o circuito funcionou por 14h consecutivas, sob condições de temperatura iguais ao teste anterior.
No terceiroteste, o circuito rodou por 33h, e a temperatura variou entre 24ºC e 28ºC.
Em nenhum momento durante a execução dos dois testes o circuito foi tocado, e nenhum dispositivo que pudesse causar grande interferência foi acionado durante os períodos de testes.
Resultados Obtidos
Teste 1:
:: Tensão Média: 9,999999107V
:: Tensão Máxima: 10,000036V
:: Tensão Mínima: 9,9999744V
Variação total: 61,6 p.p.m.
Variação em torno da tensão ajustada: +16 p.p.m. / -45,6 p.p.m.
Teste 2:
* Sem o gráfico
:: Tensão Média: 9,999979282V
:: Tensão Máxima: 10,000017V
:: Tensão Mínima: 9,9999389V
Variação total: 78,1 P.P.M.
Variação em torno da tensão ajustada:-78,1 p.p.m.
Teste 3:
:: Tensão Média: 9,999988668V
:: Tensão Máxima: 10,000023V
:: Tensão Mínima: 9,9999389V
Variação total: 84,1 ppm
Variação em torno da tensão ajustada: +3ppm/-81,1 ppm
Discussão
Como pode ser observado nos resultados apresentados, notamos uma variação superior a 60 ppm em todos os testes, o que significa que o sistema pode ser utilizado como referência precisa até a 4ª casa decimal, indicando que pode ser utilizado como referência para multímetros de até 5 1/2 dígitos, de forma não ideal, e com confiança até a 3ª casa decimal, sendo mais indicado para multímetros de 4 1/2 dígitos.
Pode-se atribuir essa grande variação encontrada à montagem, que foi realizada de forma não ideal em uma matriz de contatos e ao fato do isolamento térmico do circuito não estar plenamente adequado.
Os fatores elencados como críticos são provavelmente os maiores responsáveis pela grande variação encontrada.
Na montagem definitiva em placa, o layout da montagem considerará colocar estes dois resistores próximos entre si, de tal forma que sofram as variações de temperatura de forma igual, já que conseguir resistores montados sob o mesmo substrato e de tal forma que satisfaçam as necessidades do circuito, no Brasil, é uma tarefa extremamente complexa, como conseguir resistores com coeficiente de temperatura de 1 ou 0,1 ppm/C.
Propostas para os próximos testes
Os próximos testes serão efetuados com o circuito já transferido para uma placa de circuito impresso e já encapsulado com isolante térmico, com a finalidade de minimizar os efeitos térmicos e de contatos da montagem.
O sistema será posto em funcionamento sob as mesmas condições e os efeitos serão novamente analisados.
Adicionalmente, outra proposta é a de verificação da qualidade do componente em si, desconsiderando as variáveis de circuito apresentadas.
Dessa forma, pretende-se manter as mesmas configurações de polarização, porém, desta vez, o objetivo será a realização da medida da tensão de referência do próprio LM399H e comparar com as variações apresentadas neste teste.
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