Beheizte Präzisionsspannungsreferenzen im TO-Gehäuse - Slot or Not? Lange oder kurze Beinchen?

ein Beitrag von Dipl.-Ing. A. Bülau 08/2013, branadic@users.sourceforge.net

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Inspiriert durch zahlreiche Bilder von Schaltungen der legendären LTZ1000(A) habe ich mir eine LM399 basierte Spannungsreferenz nach Datenblatt von Linear Technology “10V Buffered Reference” aufgebaut. Wie selbstverständlich und ohne zu hinterfragen wurde dabei ein Leiterplattenlayout mit gefrästen Aussparungen rund um die Referenz gewählt, eben so wie es für die LTZ1000(A) im Internet zu finden ist. Außerdem wurde die Referenz mit möglichst kurzen Beinchen in die Leiterplatte gelötet.

Doch was bringen diese gefrästen Aussparungen (Slots) im FR4 tatsächlich? Verändert sich durch sie die thermische Verteilung in der Leiterplatte oder dienen sie nur der mechanischen Entkopplung der Referenz? Sind sie nur eine Form von künstlerischer Gestaltungsfreiheit ohne jedweden Zweck? Lässt man die Beinchen einer beheizten Referenz lieber lang oder kurz? Fragen die bisher für reichlich Spekulationen sorgten, aber nie aus einem wissenschaftlichen Aspekt durch ein Experiment analysiert worden sind. Dies soll mit diesem Beitrag nachgeholt werden. Als Hilfmittel dient eine Wärmebildkamera (VarioCam hr), um das sichtbar zu machen was dem Auge verborgen bleibt.

Dazu wird eine recht einfache Beschaltung der Referenz verwendet. Die Heizung wird mit unsymmetrischen 15V versorgt und über einen 7k5 Widerstand ein Strom von rund 1mA durch die Zenerdiode eingestellt. Verglichen werden identische Layouts einmal mit (links) und einmal ohne (rechts) Aussparungen in der Leiterplatte:

Zunächst wurden zwei Referenzen LM399H (National Semiconductor) mit nahezu identisch und möglichst langen Beinchen in die Leiterplatte gelötetet:

und die Leiterplatte auf einem Stück Styropor mit Fenster für die Wärmebildaufnahmen arrangiert:

sodass Aufnahmen an der Leiterplattenunterseite ohne störende Wärmeeinstrahlung möglich wurden.

Während der Aufheizphase wurde mit der Wärmebildkamera zunächst von oben Video:

und nach einer Abkühlphase Video:

erneut von unten gefilmt Video.

Um dabei störenden Luftströmungen vorzubeugen wurden die Referenzen in etwas Schaumstoff eingeschlagen und zusätzlich mit einer Styroporbox abgedeckt:

Nach diesen Aufnahmen wurden die Referenzen aus- und mit kürzesten Beinchen erneut eingelötet, um die Wärmebildaufnahmen zu wiederholen..

Video

Wie zu erwarten war ist die Temperatur der Leiterplatte in der Variante mit Aussparungen höher als in der Variante ohne. Weiterhin ist die Temperatur der Leiterplatte bei Referenzen mit kurzen Beinchen höher als in der Variante mit langen Beinchen. Was also ist jetzt die beste Wahl? Vor dem Hintergrund das die Beinchen sowohl der LM399 als auch der LTZ1000(A) aus Kovar und die Leitungen der Leiterplatte aus Kupfer bestehen ist es Ziel Thermospannungen (mV/K) möglichst zu vermeiden. Dies erreicht man, wenn die Übergänge der verschiedenen Metalle auf gleicher Temperatur sind. Das ist, und aus diesem Grund wurden für alle Bilder die selben Temperaturskalierungen gewählt, demnach mit kurzen Beinchen für die Referenz besser und durch die Verwendung der Aussparungen (Slots) in der Leiterplatte noch besser gegeben. Der entstehende Wärmestau in der Leiterplatte kann sich hier offenbar positiv auswirken.

Nun stellt sich die Frage, ob die Referenzen durch die kurzen Beinchen empfindlicher gegenüber eingebrachten mechanischen Kräften reagieren. Aus diesem Grund wurde zunächst die Leiterplattenseite ohne Aussparung in einem Schraubstock eingespannt, mit zwei Tischmultimetern (Prema5000 und Philips PM 2534) im 6,5 Digit-Modus die Differenzspannung zwischen beiden Referenzen beobachtet und die Leiterplatte mechanisch stark verformt. Selbst bei Verformungen die im praktischen Einsatz nie auftreten werden konnte weder bei der Variante mit noch bei der Variante ohne Aussparungen eine Änderung der Ausgangsspannung registriert werden.

Die durchgeführten Messungen räumen mit Spekulationen auf und sollen beim Layouten hochgenauer Spannungsreferenzen auf Basis beheizter Zenerdioden unterstützen. Bei Bedarf können die Wärmebildaufnahmen zur weiteren Analyse beim Author im ASCII-Format angefragt werden.