neděle 20. listopadu 2016

Upgrade M1T380, part IV - teplotní analýza

Trochu mne iritovalo, že celý multimetr uvnitř neuvěřitelně topí (MHB8080 a další). Teplota PCB kolem vstupního zesilovače 43 °C, teplota vnitřního vzduchu 38 °C a příkon přístroje pouze 30 VA.
Mrknul jsem tedy na jednotlivé desky termokamerou a byl poměrně překvapen povrchovou teplotou.
Deska s MHB8080 a paměťmi
Emisivita jednotlivých bodů je samozřejmě nastavena dle patřičného materiálu (0,95 pro černý epoxid; 0,84 pro bílý plast).

Teplota CPU je enormni - 88,7 °C na povrchu! Teplota čipu uvnitř musí být tak 120 °C! Není divu, že se občas na tyto procesory umisťoval i chladič. Technika Slabá.
MHB8251, M2716
Komunikační modul pro RS232, resp. USB (o tom až v part V) také docela smaží, obvod UART MHB8251 má 58,6 °C! Inu, kdybych se hodně nudil, celý bych to zadrátoval na FPGA nebo CPLD. Ostatně, IP jádra 8080 a dalších obvodů nejsou problém, ale ta práce pro 6,5 místný multimetr za to nestojí. I když by to bylo zajímavé proniknutí do VHDL a synchronizace =)
AC/DC převodník
Deska AC/DC převodníku také docela mocně svítí - OP07 mají 79,7 °C! Hrome, buď jimi teče brutální proud a nebo mají takový klidový odběr při ±15 V.
MAB399 v pěně
Pohled na izolovanou vytápěnou referenci je také poněkud fascinující - unikající teplo, stěna je zde příliš tenká!
LTC2057, OP07E, DG408, MAB399 a MAB355
Je vidět, že nové multiplexery DG408 se prakticky nehřejí a jsou pouze ohřívány teplem vzduchu a deskou. Naopak operační zesilovače hřejí ukrutně. Kovová blyštící se pouzdra byla přelepena černou PVC páskou pro lepší emisivitu tepla. I když trochu izoluje, stále lepší nežli koukat na leštěný kov.
Černá páska na kovových pouzdrech
A co obvody kolem reference?
OP07 invertující napětí reference
Je zvláštní, že OZ invertující napětí reference je o několik stupňů teplejší nežli OZ co dělá jenom buffer. Odpověď je prostá - invertující je napájen ±15 V, kdežto buffer pouze +15 V.
Za všechno tedy může klidový odběr obvodů. Fuuuu!
A jakpak je na tom samotný integrátor?
Integrační OZ 49,4 °C
Mno, všechno hřeje. Na čase se na to podívat trochu sofistikovaným přístupem - výpočtem ztrátového výkonu. Z datasheetů jsem mrknul na klidový odběr jednotlivých obvodů při daném napájecím napětí a nestačil se divit.

Srovnání multiplexerů
Multiplexer Svod [nA] Proud +15V [mA] Proud -15V [mA] Příkon [mW]
MAC08A 100 12 3,8 237
DG408 0,5 0,2 0,2 6

U všech skotů! MAC08A má odběr 237 mW v klidu! To je neuvěřitelné, když se to porovná s novodobým ekvivalentem DG408, 6 mW. To je 40x menší spotřeba! Kde asi udělali soudruzi chybu?

Operační zesilovače už na tom nejsou zase tak špatně. Tedy, jak se to vezme, když OP07 je pouze vylepšená 741, bohužel ne o moc (hlavně co se týká příkonu).

Vybrané náhrady OZ za 741
Typ OZ Offset [µV] Drift [µV/K] Strmost [V/µs] Šum [µV p-p] Příkon ±15V [mW]
MAA741 1500 10 0,5 N/A 85
OP07E 30 0,3 0,3 0,35 90
OP27E 20 0,2 2,8 0,08 107
LT1057CN8 200 4 13 2,1 64
LT1077CN8 25 0,5 0,12 0,5 12
LTC2057 0,5 0,015 1,3 0,2 22

Jako vítěz vychází low power OZ LT1077 s pouze 12 mW příkonu. Minimálně u vstupního zesilovače místo OP07 by to byla skvělá náhrada. Abych měl lepší představu, jak tyhle příkony ovlivní teplotu pouzdra, vymodeloval jsem si ekvivalent křemíkového čipu a pouzdra DIP8. Čip OP07 má velikost 2,36x1,45x0,5 mm.
DIP8 s křemíkovým čipem
Dále stačí nadefinovat materiály jednotlivých dílů a teplotní přechod mezi nimi. Ten je pro křemík-vnější stěny pouzdra 43 °C/W a říká se tomu "thermal resistance junction-case". Poté je třeba nadefinovat zdroj tepla, v našem případě křemíkový čip, velikosti ztrátového výkonu.
Nakonec se nadefinuje teplota okolního vzduchu (simuluje se čistě přirozená konvekce) v kelvinech, tj. v našem případě 311,15 K, a součinitel teplotní konvekce, který je pro epoxidové černé pouzdro $100 W/m^2K$. Lze nastavit i výměnu tepla sáláním (radiací), ale její efekt je naprosto zanedbatelný v tomto případě. Konec simulace se nastaví při vyváženém stavu.
Teplota DIP8 při 90 mW
A takto vypadají výsledky simulace. Působivé, ne?
Teplota DIP8 při 12 mW
Pro lepší srovnání je zde tabulka:
Teploty OZ v DIP8
OZ Příkon [mW] Čip max [°C] Pouzdro max [°C]
OP07 90 60,5 52,1
LTC2057 22 43,4 41,3
LT1077CN8 12 41,0 39,8

Horký kandidát je tedy LT1077. Při menší teplotě nebude analogová část tolik šumět a bude mít také menší svody. Bohužel, digitální část bude stále topit a ohřívat zbytek přístroje.
I samotné lineární zdroje pro napájení poměrně hodně vyzařují:
Výkonové tranzistory, LM723
Emisní plochy
Poměrně zajímavý pohled je na přední panel, ze kterého je patrné značné oteplení přívodních svorek - zde vzniká Te napětí na kontaktech, což způsobuje další drift měřeného údaje.
Vyhřáté svorky a displej
Nakonec, pro zajímavost, přikládám termosnímek neizolované MAB399:
Horké MAB399
Reference budou potřebovat pořádnou izolaci a ne kousek pěny s tenkými stěnami.

4 komentáře:

  1. Zajímavý článek, sám se zajímám o měřicí techniku, a tak bych měl několik poznámek:

    1/ V textu je několik narážek na technicky slabou Teslu.
    Myslím, že to není tak úplně fér. Je třeba si uvědomit, že její přístroje si musely vystačit se součástkovou základnou RVHP a taky to bylo před 35 lety...

    Sám jsem měl svého času 2x M1T380. Ač byly koupeny z různých zdrojů, jejich měření se lišily jen minimálně. Na svou dobu a podmínky to byl velmi povedený přístoj. Pokud s ním nezacházelo nějaké "čuně", bývají často plně funkční. Občas tam odchází tantalové kondenzátory a propojovací kabely mezi deskami nebývá spolehlivé (doporučuji výměnu), ale jinak na svůj věk poslouží dobře.

    2/ Vím, že je to na internetových forech móda, ale zabalování LM199/MAB399 do tepelné izolace je zbytečné. Důkazem toho je, že to žádný z předních výrobců měřicí techniky (Keysight/Keithley/Fluke) nedělá. Proč, když by mohli zadarmo zlepšit specifikace svých produktů?

    3/ Jestli MAB399, co jsou v článku zmíněny, šumí, tak jim žádné další procedury nepomůžou. Jejich čipy jsou za těch 25+ let od jejich výroby dostatečně vystárlé. Navíc šum je spíše spojen s kvalitou procesu (koncentrace nežádoucích příměsí, kvalita pn přechodů). Ta je jednou daná a s časem se měnit nebude. Co se s časem může zlepšovat, je stabilita reference (tj. její drift v čase).

    4/ Při tak rozsáhlých úpravách mě napadá, jestli by rovnou nebyl lepší kompletní redesign desky s A/D převodníkem. Takhle to vypadá jako těžký bastl. Použité desky plošných spojů jsou po těch letech na podobné zásahy dost citlivé, a tak spolehlivost přístroje po takových úpravách bude diskutabilní...

    5/ Obvykle se tomu vyhýbám (nejsem grammar nazi), ale v tomhle případě si to neodpustím - doporučoval bych nepoužívat cizí slova tam, kde nevím, co znamenají. Např. "Princip je fundamentální ze schématu." Fundamentální totiž znamená "základní, podstatný", což v dané větě nedává vůbec smyl, že ;)

    OdpovědětVymazat
    Odpovědi
    1. Děkuji moc za příspěvek! Jsem rád, že to někdo čte a ještě více že se k tomu vyjádří :)

      1) Souhlasím. Je pravda, že součástková základna RVHP tehdy byla na přesnou měřicí techniku poměrně limitovaná a i přesto se s tím dokázali vývojáři poměrně dobře vypořádat. Nicméně nerozumím jedné věci - některé věci v multimetru jsou elegantně vyřešeny a jiné zase řádně odfláknuty. Což mi hlava nebere. Avšak věřím tomu, že kdyby měli tehdy k dispozici lepší součástky, dočkali bychom se třeba ekvivalentu HP3458 :)
      Jinak samo tantaly byly vyměněny, ploché kabely, resp. samořezné konektory, kupodivu drží.

      2) Zcela zbytečné to není. Zlepší se teplotní drift reference na náhlé výkyvy teploty, sám Dobkin to prohlásil. Čerpal jsem z https://xdevs.com/fix/hp3456a/#twk_ref, konkrétně "If properly insulated, an LM399 can have a ppm/K figure of between 0.1ppm/K to 0.2ppm/K-- the data sheet is *very* conservative."

      Hlavně dnešní doba 6,5 místných multimetrů se žene poněkud jiným směrem - bandgap reference a hodně aritmetiky v FPGA (např. 34461A). Vyhřívané reference se dnes dávají do 7,5 a více místných multimetrů, avšak ne LM399, ale rovnou LTZ1000, která má šum kolem 1 uV p-p.

      Myslím, že u běžných 6,5 multimetrů je teplotní stabilita zase tak moc netrápí, narozdíl od multimetrů do metrologie.

      3) Opravdu jsou za těch 25 let bez provozu vystárlé? Nechal jsem 10 ks MAB399 se zapnutým vyhříváním nepřetržitě asi měsíc a šum se přibližně 2,5x snížil na ~7uV p-p. Časem napíšu srovnání, logy z měření mám uložené.

      4) Bastl to je a přiznám se, že jsem vážně přemýšlel tu desku udělat celou novou, na 4L, ať to má řádně udělané napájení. A logickou část integrátoru zadrátovat na FPGA, ať je to v jednom pouzdře a moc netopí. Místo toho jsem se však odhodlal k odvážnější myšlence - vlastní stavbě 7,5 místného multimetru (časem), nežli investovat čas do velké přestavby M1T380.

      5) Grammar nazi! :D Je to tak, v té větě je to naprostý nesmysl, asi to přeformuluju. Ono to byla z větší části narážka na jednoho vyučujícího na ČVUT, který tohle slovní spojení rád používá téměř všude, bohužel ne zrovna také moc smysluplně.

      Vymazat
  2. Zdravim, dostal se mi do ruky tento multimetr a rad bych se zpetal na nejae informace ohledne Vami zmineneho pripojeni pres USB. Dekuji za odpoved

    OdpovědětVymazat
    Odpovědi
    1. Nově vydáno: http://anubisuv.blogspot.cz/2017/03/uprava-m1t380-part-v-usb-karta.html

      Vymazat