| Bilder zeigen den Aufbau eines Normal für
Spannung, eine 10 Volt Spannungsreferenz, mit zusätzlichen
Hilfsspannungen. Gedacht ist das Normal für eine private Nutzung
im eigenen Elektroniklabor, zum Kalibieren von Multimetern und dem
Erzeugen von genauen Strömen. |
Luftaufbau:Gelötet ist die Schaltung auf einer Grundplatte, die meisten aller Verbindungen sind im Luftaufbau, die gesamte Elektronik ist auf kleinem Volumen verbaut. Luftaufbauten haben den Vorteil der 3D-Fähigkeit, geringste parasitäre Eigenschaften und sie unterliegen einem geringen mechanischen Stress. Die Bauteile sind freitragend angeordnet. Es sieht ungewohnt aus in den Augen der meisten Leser, es wurde mechanisch jedoch bedacht platziert. Ich auch hätte können ein wunderschönes Layout erstellen, wenn ich gewollt hätte - aber nicht für Stückzahl=1 und nicht bevor die Schaltung sicher ist.Derartige Aufbauten können höchste Performance erreichen. Eine geroutete Leiterplatte zwingt während der Entwicklungsphase beim Aufbau stets die Schaltungstechnik in bereits vorgegebene Wege, der Luftaufbau lässt alle Freiheitsgrade die Schaltung ständig abzuändern, stets den Erfordernissen und den während des Aufbaus den neu gewonnenen Kenntnissen anzupassen. Der Erfahrungsgewinn und die tatsächliche Beherrschung der späteren Gesamtschaltung ist so am höchsten. Das dies kein serientauglicher Aufbau ist weiß ich selbst, das spannende ist meistens jedoch selten das Endprodukt sondern der Weg dahin. Mit Layouts anzufangen bevor die Schaltung absolut sicher steht, ergibt oft keinen Sinn, nur dann gleich aufs das Layout gehen wenn es Bauteile sind, die per Luftverdrahtung nicht mehr sinnvoll verdrahtbar sind, wie z.B. Fine-Pitch, Ball-Grid usw. Jede einzelne Lötstelle wurde handgelötet unter einem modernen Leica Stereo Mikroskop unter Verwendung von zwei JBC Hand Lötstationen, eine davon kann mit Stickstoff als Schutzgas arbeiten. Alleine für die Lötstationen stehen ca. 30 Stück verschiedene Typen von Lötspitzen zur Verfügung, die Auswahl jeweils die richtige Menge an Wärme zu benutzen ist damit ausgezeichnet. Benutzt wurden vier verschiedene Sorten von Lötzinn, jeweils passend ausgewählt zur elektrischen Verbindung und Funktion. Bauteile:
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| Bei ersten Versuchen unter noch nicht
optimalen Isolationsverhältnissen, wurden
um 15°C Temperatur Unterschied (Kammer
zu Umgebung)
einzuregeln etwa 2,5 Watt Heizleistung benötigt, (das
wird
sich beim fertigen Gerät noch verringern). Die
verstärkte
Regelabweichung lässt sich ganz leicht mit dem DMM an zwei
Stellen
in der Schaltung messen und zurückberechnen. Das entspricht einer SOLL zu IST Abweichung von etwa 7 Milli Kelvin. Die Regelstrecke selbst ist in Näherung erster Ordnung mit Totzeit, sie schwingt aktuell ohne erkennbare Überschwinger auf den Sollwert ein. Erst bei zu starkem Erhöhen der thermischen Verstärkung (größere Steilheit der grüne Kurve) beginnt der Regler in der Praxis instabil zu werden und schwingt dann als Oszillator ein, dadurch erhöht sich jedoch die Settling Time auf die minimale Regeldifferenz, keine gute Idee. Hier gilt es die thermische Verstärkung nur so hoch zu wählen, dass der Einschwingvorgang sicher ohne Überschwinger stattfinden kann (idealerweise aperiodisch). Wichtig ist es auch die Regelstrecke geschickt zu wählen, dass diese selbst über Temperatur temperaturstabil bleibt. Hierzu wurden möglichst lineare Transistoren auf dem Kennlinienschreiber ausgesucht und deren Temperaturkoeffizient durch die Schaltungstechnik weitgehend auskompensiert. In anderen Worten, die grüne Kurve sollte auch über Temperatur im Ideal unverändert bleiben.  Ein linearer Leistungstransistor, mit gleichmäßigem Verstärkungsfaktor (die beiden kleinen Hügel ca. auf hor. Linie 2 stammen vom Kennlinienschreiber, der möglicherweise einen kleinen Defekt hat) Die Einschwingzeiten bei diesen Massen dauern etwa 15-20 Minuten, dann steht der Regler recht still. Um den Endwert zu erreichen dauert es ca. 2 Stunden, die letzten Milli Kelvin benötigen lange. Im stabilen Zustand lässt sich bei ändernder Umgebungstemperatur den Tag hindurch ganz wunderbar der Temperaturkoeffizient der angeschlossenen Multimeter beobachten. Das ist ganz leicht feststellbar: man schließe gleichzeitig fünf Stück 6,5 digit Multimeter an das Normal, den Tag hindurch zeigt jedes davon einen etwas anderen Wert, mal geht ein DMM hoch, ein anderes dafür runter - ein erster Indikator (kein Beweis), dass das Normal gut temperaturstabilisiert ist man sieht die Drift der Multimeter. Gut beobachtbar wird die Sache wenn die Raumtemperatur um Größenordnungen von 10 Grad den Tag hindurch schwankt, besonders dann wenn sich die DMM außerhalb ihres empfohlenen Temperaturbereichs befinden. Idealer wäre es gegen ein temperaturstabiles anderes Normal gegenzumessen und die Differenzspannung der beiden Normale zu beobachten. Schwierig war für den Regelkreis die dazu nötige offsetarme Elektronik, bei den gewählten hohen elektrischen Verstärkungen ging dies nur durch Auswahl der geeignesten Operationsverstärker, den zuvor selektierten Widerständen und einem bedacht zusammengelöteten Verstärker. Auch die offsetarmen Operationsverstärker des gleichen Typs sind mehrfach getauscht worden, bis es am Ende gut passte. Tauschen heißt beim Luftaufbau nicht einfach aus den Fassungen "rein - raus" oder bequem den SMD Baustein mit dem Heißluftfön von der Leiterplatte auslöten, Nein - per Hand unter dem Mikroskop aus der Luftverdrahtung unter Einsatz von Klebstoff, Pinzette wieder ein- und ausbauen, die Zeit welche dabei nötig ist, ist heftig. Einbauen - Messen - Ausbauen - Einbauen - Messen - einige male, der Lohn dafür ist ein ziemlich offsetarmer Gleichspannungsverstärker trotz einem Gain 2000, bei gleichzeitig hoher Gleichtaktunterdrückung. Hierfür einen fertig konfigurierten Spezial ICs zu verbauen -nein- die waren mir zu ungenau und vom Baujahr her zu alt. Wenn schon den immensen Aufwand mit diesem Gerät, dann auch die aktuellsten geeignesten Operationsverstärker. Letztendlich ist es gleichgültig ob die Regelabweichung Null Milli Kelvin ist oder etwas mehr, das ist Haarspalterei, wichtig sie bleibt konstant über die Zeit und die Betriebsbedingungen, das ist bedeutend schwieriger zu erreichen als eine kleine Regelabweichung.
9 ppm (unbeheizt) / 0.0048 ppm (beheizt) = Faktor 1875 Dieser Faktor entspricht ca. der eingestellten elektrischen Verstärkung des Temperatursignals. Es gibt noch mehr Wege die Gesamtgenauigkeit weiter zu steigern - vielleicht in der nächsten Version eines Normals. Bevor das Alte fertig ist, ist man in Gedanken schon wieder beim Nächsten. |
Das Holz ist schöner harter Tigerwood, es ist
Parkettholz, hat den Vorteil einer langen Formstabilität. Die
Eckteile sind gefräster und polierter massive Zwetschge mit einer
kleinen Ahorneinlage. Die
Wärmeisolation hat somit etwa 6cm Holz auf jeder Seite, davon 4cm
aus Balsaholz.Warum das alles?Warum ich mir diese viele Arbeit hier mache - weil man es so nicht kaufen kann mit den speziellen Features genauso wie ich das Gerät am Ende möchte. Verwendung im privaten Elektroniklabor. Hervorragende Spannungsnormale mit garantierter Spezifikation kann man natürlich auch neu kaufen, ist eine Frage der Anschaffungskosten und des Bedarfs.Aufwand und Zeitbedarf:um zu zeigen, dass der Spaß so etwas privat zu bauen, finanziell und zeitlich auch nicht ganz ohne ist, eine Auflistung: |
| Bauteile | 1500 |
| spezielle Lote | 250 |
| Balsaholz | 40 |
| Außenhölzer | 100 |
| Metallgehäuse | 500 |
| vieles was hier noch auf die Liste kommt, aber noch nicht fotographiert wurde | - |
| Summe Material bisher: | 2390 Euro |
| Zeitbedarf Entwicklung für Aufbau, Messen, Simulation, Berechnungen - bisher: | >400 Stunden |
| Die Kontaktierung der Anschlüsse erfolgt mit vergoldeten Bananenbuchsen und soll auch möglich sein mit Banane-Koax-Adaptern, die auf einen Abstand von 19mm stecken. Es sind insgesamt rund 10 verschiedene Spannungen, die nach außen geführt werden. |
| Zur Verfügung steht eine Kupferscheibe mit
130mm Durchmesser und 5mm Stärke. Der Durchmesser soll eingeteilt
sein für genug Bananenbuchsen mit den Spannungen. Insgesamt 18
Bananenbuchsen werden kreisförmig verteilt, dabei soll jede Buchse
zur anderen exakt 19mm voneinander entfernt sein, so daß zwischen
zwei Buchsen auch der Koax-Banane-Adapter passt, da es manchmal
günstig ist Gleichspannungen auch per Koaxialleitung abgereifen zu
können. Im Bild sieht man die Geometrie und die Berechnung der Abstände, eine recht einfache trigonometrische Berechnung. Von Interesse ist der neue Lochkreisdurchmesser damit das Maß 19mm später passt. |
| Wie ermittelt man den unbekannten Mittelpunkt
einer Scheibe? Man könnte es mit dem Lineal an der breitesten
Stelle ausmessen, aber das ist in der Praxis ungenau,
ausprobieren, es gelingt nicht gut. Einfacher ist es den Durchmesser nachzumessen mit einem Meßschieber und Kreise zu bilden vom halben Durchmesser, es ergibt sich obige Figur. Der Schnittpunkt ist der gesuchte Mittelpunkt und zwar relativ genau in der Praxis. Den Zirkel kann man ganz am Rand einstechen und sechs Kreise ziehen. Selbst wenn die Kreisdurchmesser am Zirkel auch nicht ganz präzise eingestellt sind, ist das nicht schlimm - es sind sechs "Messungen", der Mittelpunkt der Scheibe bildet sich trotzdem präzise in der Mitte ab, selbst wenn die Schnittpunkte nicht präzise treffen, ist der Punkt deutlich auszumachen. Man kann es auch als eine geometrische Mittelwert Bildung betrachten. |
| Sehr hilfreich sind solche Winkelscheiben, die Winkel Einteilung ist bei bekanntem Scheibenmittelpunkt damit ein Kinderspiel. Das Markieren der Löcher geschieht am besten unter einem Mikroskop mit der Zirkelspitze, damit läßt sich die exakte Winkel Position sehr genau bestimmen und es ist eine gute Führung für das folgende Anbohren mit kleinem Bohrdurchmesser. |
| So sieht die gebohrte Kupferscheibe aus, die anschließend geschliffen und poliert wurde. |
| Montierte vergoldete Bananenbuchsen für die Spannungen und jeweils Masse. Zur Befestigung dienen die beiden geschliffenen und polierten Hutmuttern aus Edelstahl. |
| Es ist immer eine große Frage mit was
schützt man polierte Oberflächen? Gibt keine eindeutige
Anwort. Lack war mir zu endgültig und zudem schwierig dazu ihn
eben aufzutragen - sowie einmal drauf, alles danach kann kompliziert
werden. Entschieden habe ich mich für dieses Universalöl, es ist sehr alterungsstabil, verharzt nicht, ist umweltverträglich und jederzeit neu auftragbar. Das dieser Glanz nicht immer so bleibt ist mir klar, aber er wird recht lange halten und jederzeit neu auffrischbar sein. Das Universalöl ist zusätzlich leicht alkalisch, was günstig gegenüber Berührungen von Säuren aus der Haut ist, wobei ich nicht vor habe Abdrücke draufzusetzen. Die Scheibe könnte man auch gut verchromen, wollte jedoch die Kupferfarbe sichtbar lassen. Kupfer hat noch einen Vorteil, durch den guten thermischen Kurzschluss des massiven Kupfers, haben die Buchsen alle eine ähnliche Temperatur. |
| Das Gehäuse aus Tigerwood, die Rundungen
aus Zwetschgen Holz, der Boden und der Deckel aus Eiche, die untere
Schublade aus Jatoba und Ahorn.
Viele Holzsorten auf einmal, kann man machen - muss man nicht.
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| Die Schublade dient zur späteren Aufnahme von Messzubehör, der Bedienungsanleitung und der Papiere zur Kalibration. Es ist die Erfahrung, das diese Dinge sonst immer verloren gehen. |
| Das
Gehäuse ist poliert mit
orangefarbenem Schellack. Kaum eine Holzoberfläche ist so
schön und so wunderbar angenehm griffig wie zigfach aufgetragener
Schellack oder ein anderes aufpoliertes Harz. Die Arbeitszeit hierfür ist enorm, die Trocken- und Härtezeiten ebenso. Oberfläche mehrfach grundiert mit Holzöl und ca. 15 Schichten Schellack, mal sehen vielleicht werden noch ein paar weitere draufpoliert. Der Glanzgrad und die Ebenheit ist noch weiter steigerbar, das kann in wahren Meisterschaften ausarten, wer es drauf anlegt. Der Schellack ist die letzten paar Monate mittlerweile gut eingesunken, so dass es so bleiben wird. Auch die mehrfache Grundierung mit ausgehärtetem Holzöl vermindert das lange Einsinken des Schellack und schließt die oberen Holzporen. Das vorherige Ölen feuert die Farbe noch stärker an. Der orangefarbene Schellack mindert den Konstrast ziwschen der gelblichen hellen Eiche und dem dunkleren natürlich rot-orangefarbenem Tigerwood. Die obersten Schichten enthalten auch Benzoe Harz, das ist ein Harz das auch oft als Weihrauch genutzt wird. Der Geruch beim Polieren ist angenehm süßlich, ähnlich wie Vanille und der Geruch am Holz hält lange an. Benzoe ist etwas schwieriger aufzutragen als Schellack, hat aber einen etwas höheren Glanzgrad. Es gibt viele verschiedene Lackmischungen aus den verschiedensten Harzen, Copal, Sandarak, Mastix, Bernstein..... alle sind schön mit individuellen Eigenschaften, wenn man es mit der Zeit rausbekommen hat sie aufzutragen. Wenn man einmal damit angefangen hat wird man seine Hölzer und Möbel nicht mehr wieder mit künstlichen Lacken versehen. Im Prinzip ist es technisch betrachtet ein einfacher Vorgang und macht auch Spaß, die Kunst liegt in der Festigkeit beim Lernen, dem Ertragen von Fehlschlägen und das Wichtigste im Erlernen der Geduld und des Wartens. |
