termoconvertidores con resistores planos para la transferencia ca

TERMOCONVERTIDORES CON RESISTORES PLANOS PARA LA
TRANSFERENCIA C.A.-C.C. DE 100 V A 1000 V
1
M. Klonz 1. S. Campos
Physikalisch - Technische Bundesanstalt. Laboratorium 2.32 AC-DC-TRANSFER
Bundesallee 100. 33116 Braunschweig, Deutschland
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Resumen: Desde 1998 el CENAM ha trabajado en colaboración técnica con el PTB para realizar mejoras al
patrón de transferencia c.a.-c.c. en tensión. Recientemente se han construido y caracterizado resistores planos,
con respuesta uniforme en frecuencia, para el escalamiento en tensión en el intervalo de 100 V a 1000 V (10 Hz
a 100 kHz). Con estos resistores se mejoran considerablemente problemas de disipación de potencia presentes
en estos niveles de tensión. Por otro lado el diseño de una pantalla reduce el efecto de campos eléctricos y
disminuye considerablemente el valor de la diferencia c.a. - c.c.
INTRODUCCION
16
El patrón de tensión en c.a. del CENAM está siendo
mejorado con el uso de termoconvertidores
multiunión tipo planar (PMJTC´s). Estos dispositivos
trabajan en el intervalo de frecuencia de 10 Hz a 1
MHz y son fabricados para trabajar a tensiones
nominales de máximo 3 V.
δ
µV/V
12
8
RH
960 Ω
400 Ω
189 Ω
89 Ω
4
0
10
Algunas de las principales características de estos
dispositivos son las siguientes:
Ø
100
f
Fig.2 Comportamiento en baja frecuencia
de los PMJTCs, dependiendo de su
resistencia de calefactor. (RHeater)
Por su particular diseño con técnicas de película
delgada (fig.1) muchos efectos térmicos son
minimizados [1].
150
R
H
100
δ
Chip de silicón
6 mm x 8 mm
Ventana
1.3 mm x 5.2 mm
µV/V
Calefactor
400 Ω
960 Ω
-100
-150
1
Fig.1 Estructura de un termoconvertidor
multiunión tipo planar (PMJTC)
Tienen una respuesta plana en el intervalo de
audio frecuencias (fig. 2 y 3)
10
f
kHz
100
1000
Fig.3 Comportamiento en alta frecuencia
de los PMJTCs, dependiendo de su
resistencia de calefactor
Calefactor
Simposio de Metrología
0
Termoelementos
Ventana
Ø
89 Ω
189 Ω
50
-50
Membrana Sandwich
Chip de silicón
Termoelementos
en serie
1000
Hz
Ø
Su respuesta es independiente del nivel de
tensión aplicado.
Ya que los PMJTC´s sólo son fabricados a tensiones
de 3 V, para utilizarse a tensiones mayores se
requiere el uso de resistores, conectados en serie,
que limiten la corriente que circula por el PMJTC.
Considerando la característica de independencia del
nivel de tensión de los PMJTCs y usando resistores
Mayo 2001
adecuados, la diferencia c.a.-c.c. de un conjunto
PMJTC + Resistor puede considerarse constante del
10 % de su intervalo de tensión hasta casi el 110 %.
En el intervalo de 1 V a 100 V los resistores
empleados fueron resistores comerciales marca
CADDOCK, modelo MS318, los cuales cuentan con
bajo coeficiente térmico y pueden disipar potencia de
hasta 10 W, sin embargo pruebas realizadas con
estos resistores a tensiones mayores a 100 V arrojan
resultados no muy confiables [2]. Por esta razón el
PTB en colaboración con el IPHT1 de Alemania
diseñó resistores planos con características de alta
conductividad térmica y muy bajo coeficiente resistivo
térmico.
Durante finales del 2000, el CENAM trabajo en
colaboración técnica con el PTB para caracterizar
estos resistores planos en conjunto con los PMJTCs,
los resultados se muestran en este documento.
Fig. 4 Resistor de tipo planar empleado para
la construcción de divisores resistivos para
tensiones mayores a 100 V
A tensiones mayores a 100 V, los campos eléctricos
producidos entre el resistor plano y el contenedor del
resistor, aumentan considerablemente el valor de la
diferencia c.a. - c.c. Para minimizar estos efectos, se
introdujo una pantalla de blindaje dentro del
contenedor.
CONSTRUCCION DE LOS RESISTORES PLANOS
Dos nuevos resistores fueron construidos para ser
utilizados en el intervalo de 100 V a 1000 V. El
primero con un valor de 30 kΩ y el segundo con un
valor de 124 kΩ. A estos intervalos de tensión la
potencia disipada es de 1 W a 10 W, para evitar que
el calor generado por la disipación de esta potencia
afecte el valor del resistor, es necesario llevar de
manera rápida el calor al exterior. Un diseño especial
del contenedor fue diseñado para cumplir con ese
objetivo.
Tanto el contenedor como los resistores planos son
un diseño del Dr. Manfred Klonz del PTB, del Dr.
Héctor Laiz del INTI y del Dr. E. Kessler del IPHT1.
Una película de NiCrSi es depositada sobre un
sustrato de AlN, de dimensiones: 100 mm x 100 mm
x 5 mm, el sustrato es colocado de manera axial en
un cilindro de latón, cuyos extremos laterales están
sellados con radiadores, que a su vez están en
contacto directo con el sustrato.
El material del sustrato: AlN, fue elegido por su alta
conductividad
térmica
(140
Wm-1K-1).
Esta
característica permite conducir fácilmente el calor
generado por el resistor hacia los disipadores que lo
llevan al exterior. El material empleado para llevar a
cabo la deposición del resistor fue NiCrSi, material
que también es usado para construir el elemento
calefactor de los PMJTC, debido a su bajo coeficiente
térmico. La estructura del resistor fue depositada en
forma de meandro, para eliminar efectos capacitivos
(Fig. 4 y 5) [3]
1
La pantalla de blindaje está hecha igualmente de
latón y cubierta con una baño de oro. Para minimizar
los efectos del campo eléctrico se ajusta la posición
de la pantalla sobre el resistor, hasta lograr que las
líneas equipotenciales sean perpendiculares al
resistor y por lo tanto los campos eléctricos paralelos
a éste. Cuando esto sucede no hay corrientes de
fuga entre el resistor y el contenedor, ni entre el
resistor y el blindaje, por lo que los efectos
causados por las corrientes de fuga cuando no
estaba presente la pantalla se ven minimizados.
La figura 5 muestra el diseño del resistor plano antes
de insertar el blindaje.
Fig. 5 Resistor plano para tensiones
mayores a 100 V
Institut für Hochetechnologie. Jena, Germany
Simposio de Metrología
Mayo 2001
patrón de 1000 V de 1500 µV/ V a - 40 µV/ V, ambos
valores para la frecuencia de 100 kHz
RESULTADOS
Para obtener el valor de diferencia c.a.-c.c. de un
termoconvertidor de tensión desconocido, éste debe
ser calibrado contra un termoconvertidor conocido,
usando un plano de referencia bien definido,
comúnmente el centro de un conector “T”.
Dependencia del nivel de tensión del patrón de 1000 V
de CENAM. Sin blindaje
1550.0
1350.0
δ
µV/V
1150.0
Tensión aplicada: 200 V
Tensión aplicada: 300 V
Tensión aplicada: 500 V
Tensión aplicada: 700 V
Tensión aplicada: 1000 V
950.0
Para calibrar el nuevo conjunto, Resistor plano +
PMJTCs, se llevó a cabo el siguiente procedimiento:
750.0
550.0
350.0
Primero fue calibrado el conjunto PMJTC + Resistor
plano sin blindaje, contra el patrón de 1000 V del
PTB. Se conoce que el patrón del PTB tiene
respuesta independiente del nivel de tensión. Del
resultado de esta calibración puede verse que el
conjunto PMJTC + Resistor plano es también
independiente del nivel de tensión, pero con un valor
de diferencia c.a.-c.c muy alto, particularmente para
el resistor de 1000 V. (Fig.7a)
El segundo paso en el proceso de calibración es
introducir la pantalla de blindaje y calibrar
nuevamente en los mismos puntos.
150.0
-50.0
1 kHz
20 kHz
30 kHz
50 kHz
70 KHz
100 kHz
Frecuencia
a)
Dependencia del nivel de tensión del patrón de 1000 V
del CENAM. Con blindaje
2
-2
δ -6
µV/V
-10
-14
-18
-22
Tensión aplicada: 200 V
Tensión aplicada: 300 V
-26
Tensión aplicada: 500 V
-30
Tensión aplicada: 700 V
-34
Tensión aplicada: 1000 V
-38
-42
1 kHz
80.0
10 kHz
10 kHz
20 kHz
30 kHz
50 kHz
70 KHz
100 kHz
Frecuencia
Dependencia del nivel de tensión del patrón de 300 V
de CENAM. Sin blindaje
b)
70.0
δ
µV/V
Tensión aplicada: 300 V
60.0
Fig. 7 Dependencia del nivel de tensión del
conjunto PMJTC + resistor plano, para el
patrón de 1000 V (a) sin pantalla de
blindaje y (b) con pantalla de blindaje.
Tensión aplicada: 200 V
50.0
Tensión aplicada:100 V
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
1 kHz
10 kHz
20 kHz
30 kHz
50 kHz
70 kHz
100 kHz
Frecuencia
a)
Dependencia del nivel de tensión del patrón de 300 V
del CENAM. Con blindaje
35.0
Después de los ajustes para encontrar la posición
óptima de la pantalla de blindaje dentro del
contenedor, ésta fue adherida con silicón. Mediciones
posteriores a su fijación muestran que el efecto del
silicón es despreciable. La figura 8 muestra el resistor
plano con pantalla de blindaje.
30.0
δ
µV/V
25.0
Tensión aplicada: 300 V
20.0
Tensión aplicada: 200 V
15.0
Tensión aplicada: 100 V
10.0
5.0
0.0
1 kHz
10 kHz
20 kHz
30 kHz
50 kHz
70 KHz
100 kHz
-5.0
Frecuencia
b)
Fig. 6 Dependencia del nivel de tensión del
conjunto PMJTC + resistor plano, para el
patrón de 300 V. a) sin pantalla de blindaje
y (b) con pantalla de blindaje.
Fig. 8 Divisor resistivo con pantalla de
blindaje.
Las gráficas de la figura 6 b) y 7 b) muestran los
resultados después de varios ajustes de la posición
del blindaje sobre el resistor. Se aprecia que la
diferencia c.a.-c.c. fue reducida, en el caso del patrón
de 300 V, de 70 µV/ V a 30 µV/V y en el caso del
Simposio de Metrología
Mayo 2001
Finalmente se analizaron los efectos de la
introducción del blindaje en la dependencia del nivel
de tensión. Se comparó la diferencia entre los valores
de diferencia c.a.-c.c. para diferentes niveles de
tensión aplicado, sin blindaje y la diferencia entre los
diferentes niveles de tensión aplicado, con blindaje.
De la figura 9 puede apreciarse que las diferencias
encontradas de la dependencia del nivel de tensión
con y sin blindaje son menores a 5 µV/V.
Diferencia entre δ´s. Patrón de 300 V
4.0
2.0
∆ δ [µV/V]
0.0
-2.0
-4.0
Basados en los resultados obtenidos de la calibración
de estos dos nuevos resistores planos, se conoce su
independencia del nivel de tensión, por lo que el
patrón de 300 V puede ser también empleado para
verificar los valores de los patrones de 100 V y 50 V.
AGRADECIMIENTOS.
El CENAM agradece la asesoría y todas las
facilidades para el uso de sus instalaciones al
personal del laboratorio 2.32 AC/DC Tranfer, del
PTB de Braunschweig, particularmente al Dr.
Manfred Klonz por todas sus atenciones y por su
colaboración con el laboratorio de tensión e
intensidad de corriente alterna del CENAM desde
1998.
d 300 V - d 200 V sin blindaje
d 300 V - d 100 V sin blindaje
-6.0
REFERENCIAS
d 300 V - d 200 V con blindaje
d 300 V - d 100 V con blindaje
-8.0
-10.0
1 kHz
10 kHz
20 kHz
30 kHz
50 kHz
70 KHz
100 kHz
Frecuencia
a)
Diferencia entre δ´s, patrón de 1000 V
[1] M. Klonz, H. Laiz and E. Kessler, “Development
of Thin Film Multijunction Thermal Converters in
PTB/IPHT,” Symposium on Microtechnology in
metrology and metrology in Microsystems
August 2000. The Netherlands, pp 7-11.
8
[2] J.P.M. de Vreede, “CCE Intercomparison of acdc transfer standards,” IEEE Transaction on
Instrumentation and Measurement, Vol. 42 April
1993, pp 99 -108.
d 1000 V - d 500 V sin blindaje
6
d 1000 V - d 300 V sin blindaje
d 1000 V - d 500 V con blindaje
4
∆ δ µV/V
d 1000 V - d 300 V con blindaje
2
0
-2
100 kHz
70 KHz
50 kHz
30 kHz
20 kHz
10 kHz
-6
1 kHz
-4
[3] M.Klonz, T. Spiegel, H. Laiz, ”A 1000 V Resistor
for AC-DC Voltage Transfer,” IEEE Transaction
on Instrumentation and Measurement, Vol. 48
No. 2 April 1999, pp 404 - 407.
Frecuencia
b)
Fig. 9 Diferencia entre δ (diferencia c.a.-c.c.) a
diferentes niveles de tensión, con y sin blindaje.
a) Patrón de 300 V, b) Patrón de 1000 V.
CONCLUSIONES
El valor de diferencia c.a. - c.c, casi constante,
obtenido al aplicar diferentes niveles de tensión a los
nuevos patrones de 300 V y 1000 V, corroboran el
bajo coeficiente térmico de los nuevos resistores
planos diseñados por el PTB-IPHT,
La introducción de la pantalla de blindaje al resistor
no tiene ningún efecto nocivo en la dependencia del
nivel de tensión, todo lo contrario, mejora
considerablemente la respuesta en frecuencia del
conjunto PMJTC + Resistor plano, decreciendo
considerablemente el valor de la diferencia c.a. para
frecuencias de 100 kHz y reditúa un valor muy
cercano a cero para frecuencias entre 40 Hz y 1 kHz.
Simposio de Metrología
Mayo 2001