采用IT 600-S的模块化高稳定30A电流源(10A~60A) Modular Design of Highly Stable 30A Current Source by Using LEM IT 600-S



  • 电压、电阻、电流,三个最重要的电量。

    精确的电压其实范围并不大,最准的10V,向下1V就不是很准了,0.1V更是难见有基准,而业余条件下向上达到1000V就不容易了,这样算下来才5个量级。

    电阻的范围相当宽,标准电阻的范围也自然很宽,常见的从1mR到100M都有“线绕”标准,都可以是ppm级别的,这可是11个数量级的跨度。

    至于电流,常见的范围也是非常宽阔,从1pA到10A就是12个数量级了,只不过精确的电流的发生和测量都比较困难。小电流端,1uA以下的发生很难用有源器件;大电流端,1A以上就成了难点。比如HP3245A最大只有100mA输出,而且比10mA的差了1倍不止;电流的测量也类似,HP3458A最大电流档也就是1A,与100mA档差了好几倍,100mA也比10mA的恶化1倍不止。

    整体上看,做基准要闭环:基准需要有表来测试,而表也需要基准来校准和支撑,表和基准是不可分割的一对。例如:
    高位电压表 vs. 高精度10V或其它电压的基准;
    高精度电桥或DCC vs. 标准电阻;
    高精度频率计 vs. 铷钟
    天平 vs. 砝码;

    同样,电流也需要恒流基准和电流测量表,只是与电压基准和电阻基准比起来性能差一些。本来,ppm级别的恒流源只见于小电流,1mA或者10mA这种,连100mA级别的恒流源的指标都要打上很大的折扣,而1A以上级别的恒流源能做到0.01%级别就不错了。
    可是,磁通门原理允许在百安级别取得ppm的性能,要是不被利用产生恒流就太可惜了。

    从下面这个粗略的电流测量精度看,随着电流的增大,分流器法测量电流越来越差,1A很难做到10ppm以下,10A是100ppm左右,更大的电流惨不忍睹,其主要原因是:
    ----小阻值的分流器不好做,内应力大,温漂做不小;
    ----发热大、漂的就大;
    ----输出电压很低,测量比较困难;
    ----低压加上温度高,热电动势的影响很大。
    也就是说,从10A开始,分流器法就基本与高精度无缘。当然,这里排除了特殊制作的计量用的分流器,比如Fluke A40B,10A或20A时仍然能保持不到30ppm的“绝对精度”,价格也是几十万元一套。

    似乎分流电阻在大电流就要走到尽头了?但是,磁通门电流传感器开辟了另一片天地,以LEM IT 600-S为代表的测量头可以高精度的测量150A和600A,把分流器远远甩在后面。这种磁通门也有一个弱点,就是测量中小电流反而不行(没有对应型号)。解决的办法也很简单:在传感器的头部多绕几圈,这样就能够在10A到100A的范围下仍然保持相同的测量精度,如红线平直部分向小电流延伸的部分。要注意的是,随着测量电流的降低,对比分流器的优势也在逐渐降低,所以绕上100圈这种指示用来测试,实际意义不大了。
    7e1e6323-3671-40de-b730-489583e17a74-image.png

    由于退役拆机,IT 600-S很多人都有,但主要局限于电流测试,还没见有谁用到恒流发生。殊不知,IT 600-S的超高性能用于检测只是发挥了一半的作用,只有做成恒流源才物尽其用。

    本帖打算利用IT 600-S从原理到组装介绍一款DIY模块化高稳定大电流恒流源。
    尽管说是高稳定,但同时要高准确,这是因为:
    ----- 大电流很难找到对比基准,包括小阻值的分流器基准,因此要考电流的准确性和电压的准确性来直接测量分离器
    ----- 大电流本身精度比较差,被测分流器等级也差,用3458A或34420A之类的高位表直接读出电压来,用R=V/I计算出R有时也足够了。

    模块化,意思是几个部分独立,而且可以根据需要、根据指标而替换。

    首先,利用IT 600-S做恒流源的基本电路
    15662956-5465-4fef-89de-9d0d9ccd1b2f-image.png

    其实与典型的恒流源电路的原理相差不大,
    V1为恒流源基准,可以用AD587L产生+分压,为了追求低噪声甚至可以考虑用2DW232;
    U1为对比和放大运放,采用低压、低失调、低噪声的为好;
    输出用MOS管,可能需要复合管,因为电流、发热和输入电容都比较大;
    IT 600-S实际上就是一个高精度的电流变换器,从600A精确的变到400mA,但也可以采用初级绕N圈(N>=2)的方式改变换流比:
    初级 换流比 最大电流 使用电流
    1T 1500 600 300
    2T 750 250 125
    3T 500 200 100
    4T 375 150 75
    5T 300 120 60
    6T 250 100 50
    8T 187.5 75 37.5
    10T 150 60 30
    20T 75 30 15
    30T 50 20 10
    (黑体为本次使用的三档)

    不过,不建议采用过多的初级圈数,麻烦不说,对Rm(次级测量电阻)也是一直处于极限状态,过多的圈数实际削弱了IT 600-S的作用。
    因此,本制作打算用5欧Rm,输出1V时对应200mA,即初级300A,也就是让IT 600-S处于半负荷的状态。
    初级300A,最大电流60A,那么初级绕5圈,等价为变流比为1:150,即6.667mA/A。

    此恒流源的主要用途,是测试各种高精度大电流分流器,就是图中的RL,比如L&N 4223(1mR)、国产BZ3 1mR标准电阻(最大30A)、RUG-Z等。当然,IT 600-S也同样需要精度上与之匹配的大电流恒流源来测试。

    既然是模块化,都有哪些模块呢?如图
    316590ac-59ca-41ed-bbab-2b8b76a12982-image.png

    1、Power,电源及控制
    主要用来产生IT 600-S所需要的正负15V电源并接收其输出电流(绿色线),同时也可以给其它模块提供+12V电源(粉色线),也可以内置Rm,具有5位表头显示电流值。

    2、Rm
    IT 600-S的次级检流测量电阻,独立的可以改变阻值和改变精度,以便适合不同的需要,蓝色线引出。

    3、MOS管即控制模块
    接受来自IT 600-S和Rm的代表电流的电压信号(灰色线),控制MOS管的输出以便于基准电压相符。这部分就是上面原理图的主要部分。红色线为大电流回路。

    4、IT 600-S
    磁通门电流传感器。

    5、穿线
    具有不同规格,两头为大电流U插,实现在IT 600-S的初级上绕不同的圈数。一端接电源正,另一端接于MOS管模块。

    6、电池
    准动力18650,8节并联,带有过流跳闸开关和电流电压显示,大电流接线柱输出。

    7、其它,主要是测试用导线,用于连接被测电阻或RUG-Z等。

    部分模块实际连接图(电池、IT 600-S(866)、RUG-Z
    eded5ee6-ea1f-4881-9cf9-bd063747fa4c-image.png

    备注:LEM的IT 600-S早已停产,但现在有了新的替代品:IT 605-S:
    https://www.lem.com/sites/default/files/products_datasheets/it_605-s_ultrastab.pdf
    eb0563d6-ed15-44bc-af18-b6574494f10a-image.png
    最明显的外观特征就是体积缩小,但是,精度指标却大大降低,比如我们非常关心的线性,从1ppm降低到了可悲的7ppm(25度)
    23bcd7b3-7e03-430b-a424-4afdab3c0f76-image.png
    其它指标的变化:
    峰值最大测量电流,从660A增大到了849A;
    全量程最大检流电阻,从2.5R增大到了5R;
    电流消耗,从200mA降低到了128mA;
    初始偏差,从20ppm增大到32ppm;
    3dB带宽,从100kHz增大到300kHz。

    从新5系的产品线上看,越大电流的精度反而越高,这也许是对的。以前600A的最好、1000A/2000A的不如
    3574a8f4-fe47-4412-9c5d-79c5806b1815-image.png
    以上这些改进,估计是电子元件更新升级的原因,而精度指标的退步,可能是磁心相关。改进的那些其实对我们业余计量的无关痛痒,但退步的那些地方实在忍无可忍,所以我们还是玩好自己手里的600-S/866吧------------仍然是无可替代



  • Power模块,电源及控制

    参照一下这个SIGNALTEC的
    8cf01100-68f4-46ba-a86c-20d842d02d87-image.png

    插上Rm后的
    e8e4c744-b6e3-43b9-9181-eca3c26c43b9-image.png

    其正面,可以看到测量头可选,有状态指示
    3f89af7e-f359-4adb-ba66-61a91db0da47-image.png

    还有一个SIGNALTEC的,正面很简单
    3742036f-3132-48b9-90c9-a23ab7ab26ae-image.png

    背面,除了一个夸张的状态读出器(只有两个信号)外,把正负15V电源也接了出来,放在信号输出的上面,给Rm/放大器一体器供电:
    2fcd54bf-f9e1-4e6e-8925-fadea636cc2c-image.png

    可能是通用的原因吧,这个电源输出和体积都比较大
    d8f9b591-31ce-4adc-91ff-fadac84b98ad-image.png

    再参考一个更简单的横河的
    7130ec23-060c-433d-afe0-4b8810dce22c-image.png

    我DIY的,除了上面那些功能外,还增加了表头和内置Rm(可以用外置Rm,开关转换),供电可以低压直流/电池,同时提供一组辅助12V/15V输出。

    电源部分就是常规的,只是要稍微好一些,比如:
    A、交流输入用滤波+保险丝,常规做法。
    B、一定要用变压器、线性式,一般是双15V抽头绕组。用开关电源的话恐怕有干扰,而且也要解决正负电源的问题也不省事。我这里采用30W的E型15V+15V,直接装在铝盒底部:
    7f4fa057-d04a-452b-b5dc-4d23fc961a96-image.png

    C、桥整滤波流出+-18.3V(220V-10%场合),打算用非对称式,正压用双肖管这样压降很低,比如STPS30L60CT这种TO220封装的,3A压降不超过0.4V,体积不大也不用散热片,滤波用2200uF(或3300uF),0.6A输出时峰峰值0.6*9/2.2=2.5V(1.7V)。负压也用两只1N5822这种1A、40V的肖特基管,滤波用1000uF足够,因为电流不超过100mA。
    D、+15V稳压用LM2940-15低压差三端,0.6A输出时压差只有不到0.4V(85度时),加散热片,输出接100uF稳定电容;
    -15V用普通7915。至于负压为啥不用低压差的,一个是比较难找,再一个7915本身就是半低压差的,第三就是负压电流很小不需要低压差的。只不过7915的输入输出都需要电容,用10uF就行,如果输出容量100uF要加防反二极管。7915的另一弱点是负载特性不是很好,200mA下会下降23mV之多,而LM2940下降7mV。好在负压负载小、基本不变,这个也不成任何问题。
    E、12V输出采用松下生产的AN78N12从+15V取得,只所以用这个是因为手头上有很多,TO126封装比较小,无裸露散热片,300mA足够。没有这个的话采用78L12也行,这个12V只给MOS管控制用不需要大电流。这个IC脾气不错,输入输出都可以不接电容。

    F、静态的时候,实测IT 600-S需要+210mA和-40mA,而测量正电流的时候,正15V需要多消耗、测量负电流的时候-15V需要多消耗,一般都是测试正电流,因此最大需求+15V为610mA、-15V只需40mA,正负是不对称的。
    因此,电源的风扇最好是利用-15V的电源,稳压到10V左右(静音)使用。

    我要多加的内容:
    1、内置Rm,5欧,VHP-3,加散热片
    8a89b0d1-fc21-4b95-953b-9ed5a0b059c9-image.png
    此Rm非常关键,要求准确(相对好办)、长期稳定(金封问题不大)、温漂小。最后这一点需要用铜阻或NTC补偿。
    为什么要内置Rm,主要是便于使用,可以直接用万用表测量或采集

    2、内置、外置Rm转换开关
    这个看起来容易但做起来并不简单,主要涉及对外接口的定义,是否电流和电压共用,这样只需两根线。如果就是用两根线的话,内置Rm是4线的,需要用双刀开关,下图为拨到内置:
    193fb453-57f8-443e-885c-401ce689a46f-image.png
    下图为外置,电流要流经两个刀,还要流经内置5欧的内部:
    fb617664-4d2a-4b3f-901d-370e4841d077-image.png
    当然,如果内置电阻是2线的VHP-3这种,电流只在PCB上或者在引线上走了一下而已,这也是2线电阻的优势。
    为什么不用单刀开关,因为有内阻,串联在Rm上是万万不行的:
    17d09a26-97c8-4d4a-ab4b-36aa30f7f702-image.png

    采用单开关、两组输出方式
    a6996623-752e-4398-b152-ff0bdb254a5d-image.png
    也许还是这个简单明了,内置的话用BNC插座输出,外置的话用香蕉插座输出。
    由于Rm为4线的原因,电流端不能有开关或接插件,因此面板接线需要四根线:电流入、电流出、BNC出、地。其中香蕉插座的地可以与BNC的地公用,因为不同时。
    另外,本打算在内置Rm的场合下让香蕉插座也有输出,但用单刀开关做不到。

    3、外置Rm
    外置Rm的原因是更广的灵活性,比如用2.5欧就可以满量程600A使用;比如采用高精度补偿方式的Rm不受体积、空间限制,也不受机箱内温度变化的影响,甚至可以自己恒温;再比如可以选用大阻值的Rm用来测量小电流或零点。

    4、5位电流表头
    769190f9-80e8-4e30-9b06-49e269fee894-image.png
    表头采用50.000mA五位显示电流表,满度75mA对应75mV,内有10欧分流电阻去掉就好,等效为60.000mV的表头(满度75.000mV),实测内阻468k。
    由于表头满度电压低,因此无需放大,用另一个独立的0.5欧的分流电阻采样,再用电阻串分压即可:
    3054b283-e4cd-468d-8eb2-18caadb33094-image.png

    0.5欧采样电阻串联在回路中,无论外接内接Rm都可以显示电流,压降100mV大于表头所需要的60mV,通过分压和开关得到各电压。

    由于显示为实际导线电流而不是传感器感知的电流,因此需要一个多位开关来选择绕了几圈。比如5T的时候导线60A相当于传感器300A、输出200mA,变换到表头的60mV,显示60.000;同理,10T为30A、30mV;30T为10A、10mV。

    电阻分压串采样挑选过的25ppm的Vitrohm 33欧8只。R1为33R二并,R3为33R三混,R4为33R+33R||2k,实际2k应为2.08k,差异部分用表自己的电位器调准。
    实际挑选33R的时候很容易,从20只里面就选出9只满足0.02%的,也说明这个电阻这么多年老化很小。

    由于1欧是浮动的,表头供电必须隔离,用一个1W的小模块(B1505,15V转5V)可以达到目的。

    5、12V电源输出插座
    供给MOS模块,额定200mA,最大300mA

    6、12V 1W风扇,背面排风式
    风扇会保证前面的敏感元件不受后面发热影响

    7、电池供电
    电池:三串锂电(或二串锂电,只适合测量70%的范围),广泛使用,来源广。
    接口:5.5/2.1插头/插座。
    转换开关:双刀双掷带中位零点的,内部用电+-15V分别切换,中位为电源关。
    正15V:采用20W DC-DC,宽电压输入(5-24V),入7.4V出15V可以400mA,入10V出15V可以700mA。
    4b151b3e-68cd-4a39-895d-4255b674a201-image.png
    负15V:采用7915兼容式微型负压500mA输出型,输入10V输出400mA以上,7V出200mA以上。
    a8bd4071-e72b-49d9-9fcb-e0bbae9bf259-image.png

    电源部分整体电路图
    2e03df13-cb2a-46d6-876d-7bd8e4877e70-image.png

    两个后 面板
    536bcdcd-c4c8-4a2c-b62e-a9f6d0a2b8df-image.png

    装好后的样子
    e745b90c-ec7d-41dc-88f0-ec8551832867-image.png

    接好线
    79340fbb-ded8-486c-b241-9f1aa838c426-image.png

    交流电工作中的热成像,可以看到+15V的散热片比较热,45度,当然,外壳是打开的,密闭后风扇起作用温度会低。
    0103408c-5c61-4218-9ae4-08df16ff3a66-image.png

    直流供电时的热成像,此时风扇不转的,只有背后的DC-DC稍有发热
    97b3d287-d7d5-4f98-bb1a-15ab891e2558-image.png

    工作中的IT 600-S,侧面有两个发热点
    cca1eed7-a87c-4e7d-8d29-e54b81f32b9e-image.png



  • IT600-S的测量电阻(Rm)模块

    要说IT 600-S系统整体的稳定,取决于以下几部分:
    1、比率误差和稳定性,这个非常好,不就是匝数比么?匝数不会变的。
    2、线性,<1ppm,这个也非常好
    3、零点温漂,<0.2ppm/C,非常好
    4、噪声,DC-10Hz,0.05ppm,非常好

    在这些非常好的指标面前,人们往往忽视了一个事实,就是IT 600-S是电流变换器件,最终要用一个Rm电阻转换成电压才能测量
    0708ff1b-91f2-4cc3-83d9-97c3631cb958-image.png

    因此,这个Rm的好坏会直接影响测量的结果。很多人就不去仔细想一想,你都花了那么大的代价买了那么好的东西,结果最后让一个小小的Rm电阻拖了后腿,成为瓶颈。

    商品Rm的例子
    1f20f5a8-b2ae-4a6d-96f0-2c5d02cfd056-image.png
    c5542dfc-74e8-4e4c-9e57-8ac538e06881-image.png
    76ad76ed-1ea0-4c66-a515-1019250e23c3-image.png
    31d4e382-f548-43eb-b6da-713a383e7f80-image.png
    这些体积都不大,有一个内部图,估计都是用了塑料块而已。

    下面这些看起来要好一些
    d69d9065-de5f-4559-bf3b-e462727b0bd8-image.png
    b987d57c-deb6-4006-b0ea-1c51465e2fad-image.png
    但是,也就是0.01%而已,没有提到关键的两个指标:温漂和长期稳定性。
    要知道这个Rm就是瓶颈,这个话说100遍也不会过分,Rm有多好、系统就有多好,用一个塑料块做的Rm会把整个系统毁在这里。

    SIGNALTEC还有一套有源Rm,把电流信号用Rm转换成电压信号后,再放大到7Vrms,对于2.5欧、0.4A来讲放大倍数就是7
    52cd26e0-39a9-4cdb-a9ea-4653a8984412-image.png

    那么如何做Rm?一句话,拿出你最好的电阻,值得在Rm上投入至少1/4的代价。这个Rm第一要高稳定,长期不会变,最好是金封。其次就是温漂要小,1ppm/K是最低要求,最好做到0.1ppm/K。第三是大功率,要知道2.5欧、0.4A就是0.4W,用普通小电阻会发热严重,直接影响温漂特性。最后一点就是准确,这个在有些方面要求不高,比如测试温漂时,但需要计量校准的情况下就需要准确。

    综合上述,Rm电阻可选的类型包括:
    VHP-4,加补偿
    VHP-3,加补偿
    VHR247(等同于VHP-4)
    VHP202Z,多个并联

    最后要提一点,Rm必须加散热片,否则400mW的功率会让阻芯温度升的很高、漂的也会很厉害。

    常用Rm阻值(电流为单圈):
    2.5欧,大电流用(300A到600A)
    5欧,中大电流用(200A到500A)
    10欧,中电流用(150A到400A)
    20欧到30欧,中小电流用(50A到300A)
    75欧,有50mV/A的灵敏度,小电流(0-30A)
    Rm=75欧可以用4个300欧的AE蓝色金属箔并联,原边电流10A时0.5V、3.3mW;
    90欧,有60mV/A的灵敏度,小电流(0-20A)
    Rm=90欧可以用两个180欧的AE蓝色金属箔并联,原边电流10A是0.6V、4mW。
    可以看到,上面两个电流包括了0,可以测试0点的情况(0点误差、0点漂移等)。
    也许可以采用150欧?但人家不允许,最大Rm是95欧。



  • MOS管及控制模块
    先用MS13仿真一下
    8ffdf53e-da13-4463-a907-23e934aac723-image.png

    MS13里面能找到的电流比较大的MOS管就是这个2SK3070,40V、75A、100W,典型内阻4.5mR,3V栅极电压下可以有40A以上,满足仿真要求。
    4b5f593d-a23a-4be5-ab69-f1b9dae13d75-image.png

    实际上,MOS打算选择IRFP4368,这个就是常规的TO247,有中心孔安装方便,而且是低压、低内阻的,60A下的管压不到0.3V,驱动电压大约只有4.2V,这个管子唯一的小问题是结壳热阻不是最小的,当然0.29K/W也很小了,加上壳到散热片的热阻0.24K/W,耗散2.5V×60A=150W的时候温升有80度,如果散热片强制风冷到70度,那结温就是150度,还可以用,因为最高结温为175度,还差25度。

    另外,从最大允许电流来看,壳温110度的时候仍然允许最大电流(195A),60A可以150度以上,没有问题
    65b73af1-c4ff-4297-acd2-97dade850b60-image.png

    另外,MOS管直流工作的时候一定要确认SOA(安全工作区),很多管子包括IRFP4368的SOA范围比较窄,不适合线性放大、只适合开关应用。只不过此处用途Vds都在4V以下,没有问题。以下就是IRFP4368的SOA,可以看到4V下可以到100A以上,但10V下只能4A,尽管此时功率才40W。
    b83e03f4-c708-4e7f-ab6c-423f934b5a34-image.png

    60A电流不小了,为什么不用多管并联?
    多MOS管是不能直接并联的,因为线性放大区域内 内阻会因为温度升高而降低,或者说在相同的Vgs、相同的Vds下电流会随温度增大,而电流的增大会导致更加过热,从而导致热失控,因此并联接法每个管子要加Rs,整体看来会增加电路的复杂性。其实,主要是耗散150W单管够用了,没有必要用多管,我打算用的这种CPU散热器适合装单管
    b12fba63-449f-409f-9840-10b574dd56fc-image.png

    单管还有其它的选择吗?
    60A电流不算小,必须选Ron不大于3mR最好不大于2mR的;
    耗散150W也不算小,必须选择结壳热阻不大于0.3K/W的,因为即便对于TO-247这种大封装,壳和散热片之间还有0.25K/W的热阻,合起来就是0.55K/W,耗散150W会导致82.5度的温升,不能再大了。从这个角度看,单管耗散150W也必须选TO-247或热阻更小的封装,TO-220的结-散热片的热阻一般都>=0.9K/W,150W耗散温升会有135度,太大了。

    另外一个可选的管子就是IRFPS3810,各项指标均超过IRFP4368,只是没有中心安装孔,用起来费时。

    整体控制电路,看起来好像复杂了点,实际上包括了电压设置/基准电压部分,再就是运放输入保护、各种测试点、插头插座、显示什么的看起来比较杂乱。
    f00a6b41-6701-42ca-9944-083cb8e37b15-image.png

    由于大电流、大功率MOS管子的输入电容比较大,比如IRFP4368有20nF,远大于常规运放+常规电容驱动 能处理的程度,加上电流传感器本身有延迟,因此必须采取防振措施:
    1、隔离电阻,即R1,加入后与输入电阻的时间常数0.4us。
    2、积分电容,C1,这个电容取的比较大,因为IT 600-S的过渡表现不是太好(初始有延时、有振荡),必须限制运放输出的电压上升率。其实把R3取得比较大也可以减少C1,但那样Ib的影响比较大了。
    3、二类补偿电路,即加入R2、C2这对二类补偿放大器用的阻容对,时间常数0.5ms,使得较高频率下增益低。
    4、噪声增益补偿,即加入R4、C3,让高频时放大倍数减半,时间常数20us。

    LEDG电源指示,控制电路加电后就亮;
    LEDB输出指示,3.5V开启的蓝色LED,MOS管道通即亮;
    LEDR为Vds指示,1.8V开启的红色LED,无电或低压不显示;
    S1为积分电容放电按钮,用于暂时关闭MOS管以便电池加电。



  • IT 600-S,磁通门电流传感变换器
    e12fcf2e-fa8e-43c0-94b0-4c7b8c81923e-image.png

    大体指标:
    600A最大,1500:1变流,次级400mA,线性优于1ppm,比率温漂0.3ppm/K,长期稳定性1ppm/月,零点20ppm,零点温漂0.2ppm/K,0-10Hz噪声0.05ppm。



  • IT 600-S的穿线
    穿线计划有三种:5T、10T、30T,分别适合60A、30A和10A。
    每种穿线两根,红黑各一根。红色用来产生电流,黑色用于用另一个IT 600-S测量电流。
    目前做了一根5T穿线,红色,线缆为8 AWG的超软硅胶线(1360芯),也就是8平方,外径6.5mm、长度1.33米,内阻实测3.1mR,这样流过60A的时候0.19V。

    适合30A的10T穿线采用4平方的,外径不应大于4.8mm,太粗了会穿不过去。
    适合10A的30T穿线应该采用1.2平方的,外径不应大于2.8mm,否则会穿不过去。

    穿线比较容易做,每种穿线也都可以穿 少于额定的圈数,比如说是30T的其实也可以只穿20T,短时间用于15A。

    除了这三种穿线外,也完全可以追加其它的穿线,比如3T、2T的,用于测量100A和150A的电流。但上面也说过,不会制作圈数更多的穿线,比如60T的用来测试5A,不如直接用30T的10A档直接测试。

    9584a08f-74f4-4ee6-a58d-c7fe01dfcde4-image.png



  • 主电池,大电流发生

    NCR18650GA,10A连续放电准动力型,8并;
    串联60A直流断路开关,动作电流80A;
    整体装入铸铝盒,端部安装两个电焊机用的快接插座。
    8da17460-7527-400c-a806-f491c3fc8c1b-image.png

    这种插头插座属于欧式DKJ10-25,适合16平方的线缆(10到25均可),电流至少160A,这是焊头最小的
    012feef1-72d5-42bd-b77d-434577cbfd35-image.png

    直流断路器以前在DZ98买的,类似这种
    0f5b058f-ad11-4be7-9356-4a4234c4c88c-image.png

    断路器内部图,左边那些片片据说是灭弧用的
    fdef4645-5087-4c0c-b09f-d1211d600407-image.png

    内部组装完毕但没有绝缘
    bcb07880-37f7-4574-9a64-0b891d3945ff-image.png

    内部,绝缘处理后
    de01c9c9-9e8a-42d3-b62d-e7c2f6b44ba2-image.png

    完工后外部效果
    53b35858-0d9c-4c76-892c-935f42a57597-image.png

    后续改进
    1、装一个双4位的电压、电流表表,开关打开时显示,用加了散热片的PBV 1mR做检流,串联一个电阻驱动没有分流器的电流输入(75mV满度)
    88d8ce46-4a40-488e-8685-65338cf9ab06-image.png

    3、盒子底下还有空闲,可以再加一排8节电池,总容量达到56000mAh(56Ah)。



  • 其它配件和电缆。。



  • 综合调试

    输入由PicoScope的信号发生器发出1Hz方波,测试电源采用38A的开关电源,最低可以调节到3.7V,用PicoScope测试阶跃响应
    313ddb47-4f41-4ef6-88fd-ecf251592276-image.png

    以下曲线,棕色为设置/输入/基准,红色为运放输出,绿色为MOS管栅极,蓝色代表输出(Rm电压)
    04443a51-acc0-4bfc-a386-66ac56bb3d3b-image.png
    开始的时候响应很快,但有过冲和衰减振荡。加大积分电容后正常
    3389fb47-7c53-4d05-8721-897d48d5e71b-image.png

    不过,提高电流后会观察到过渡的过调节
    a1bc84ad-2efa-40ec-9a20-f41b917bdc48-image.png

    最后,加大积分电容,延时有5ms,控制输出很平滑
    21d1d991-d860-4cdc-a83b-2349cc09033d-image.png
    此时输出2.0V,副边电流0.4A,原边电流达到600A!已经是超限了。

    电池供电测试,绕线5T,信号1Hz、峰值1V方波(土黄色线)
    886a5f18-8bcb-4fb8-8bd3-6590197b512b-image.png

    输出Vrm也是1V(蓝色线),Rm的电流=1V/5R=0.2A,IT600S的电流=0.2A*1500=300A,因此线电流=300/5=60A,达到设计极限。此状态下运行10分钟,MOS管散热器温升大约25度。
    至此,10A到60A电流源调试完毕。



  • 测试

    首先闭环测试:一个电源带动一个IT 600-S加上控制器发生60A电流,另一个电源带动另一个IT 600-S测试这个电流,由于两组完全独立,因此测得的特性(噪声、温漂之类)就是所有设备综合结果,也就是可能的最坏结果,任何一个单独的组件拿出来其特性要比综合结果好。
    111a06f7-fb39-4568-94c3-699c2d0ed986-image.png
    左边为电流发生的电源,中间下为电流发生IT600S,中间中为电流发生控制器,中间上为电流发生用电源/电池;右边下为测量用电源,右边上为测量用IT600S。
    可以看到,两个电源上均读出30.23xA,导线均绕5圈穿过IT600S,因此传感器电流为150A,副边电流0.1A,因此Rm电压均为0.1A×5R=0.5V。
    下图为60A测试的场景,此时控制器设置电压1V,副边电流1V/5R=0.2A,原边电流=0.2×1500=300A,线电流=300A/5T=60A。
    86d8e65d-6618-4929-93d8-f275e67ab858-image.png

    60A测试结果:
    d700f6d4-863c-4514-b2d7-3f4f4c784bf9-image.png
    启动有0.06%的凸起,后面MOS管过热断开,中间部分有倾斜,估计是采样电阻漂移所致,纵轴每格10ppm,噪声还不错,不到1ppm

    分别对几个电压进行了测试,其中三条曲线对应简化图的三个电压点
    5eb47de3-702b-4316-a01d-22019f02fe4f-image.png
    4a855601-53b5-4e98-aea9-1f0a3672ee37-image.png
    从测试曲线上看有两个问题,一个是初始有尖峰或过冲,大概0.07%,另一个问题是向下漂。

    可以看到,3分钟的时间内10V基准漂了大概9ppm,分压后的1V漂了22ppm,恒流电流漂了30ppm。
    因此初步结论:
    10V基准漂了-9ppm
    分压电阻串漂了-13ppm
    内置5欧VHP-3漂了-8ppm
    总之,这些漂移是多个因素叠加而来,若有2ppm/K的温漂,温度变化5度就会漂移10ppm。

    至于初始加电有过冲的问题,经过测试运放的输出电压也找到了原因:MOS管的热平衡的建立需要几秒钟的时间,管芯温度会从常温25度上升到100度,此75度的温升使得60A电流时的Vgs从4.2V下降到3.9V,正是这种电压下降使得积分电容电压下降,由此电流(CdV/dt)从Rm端流入,在R3上产生压降(R3CdV/dt),并使得Vrm大于Vref。
    要想减低这个影响,似乎没有好办法因为积分要求R3
    C一定,而dV/dt并不受控。
    当然,可以采取降低电流、多管并联的方法降低dV/dt,尽管比较麻烦。

    采用外部1V基准(4910-1V),60A测试6分钟的结果:
    9068f7fe-3180-4d72-b291-76df670870ec-image.png

    采用内部1V基准,60A测试14分钟的结果:
    553af5c8-5b3c-4eee-9317-eb53fd99d722-image.png

    采用内部1V基准60A恒流,另外866测量16分钟的结果:
    2cea1279-ddf0-4e0f-9ff2-6f3193c7eef0-image.png



  • 最后再保留一帖。



  • 鸿篇巨制,期待已久。



  • 老大出品,必属精品。学习!!



  • 老大好,一只准动力锂电池的电压是3.7伏,有点低,用两只钛酸锂电池串联后可以得到4.8伏的工作电压,是不是刚刚好呢?



  • @redtony 我做这个主要是测试各种分流器和小阻值标准电阻,再就是866自测,电压3V足够了。准动力电池我手里很多,性能好价格合适,别的电池不熟悉。
    单锂按照最低3.0V输出计算,60A的情况下,线阻和接触电阻压降0.5V、MOS管压降0.7V,留给负载足足有1.8V,这对于几乎所有的分流器都够用了,包括0.8V的Fluke A40B,还有变态的高联1.5V的9230A-15-0.1
    0b40debe-e070-43e6-86fa-054d3ae62d2e-image.png

    实际上,分流器都用不了那么多的电压,多余电压都被MOS管承担,电压越高发热越严重,60A、2V就是120W,需要散热片+风扇,因此还是电压低点好。我更大的电流源(600A)是打算用单铁锂供电的,标称3.2V,最低可以2.5V。



  • On April 2016 Zeranin at EEVBLOG wrote: https://www.eevblog.com/forum/metrology/pcr-versus-tcr/msg923439/#msg923439
    ********************** start quote ***********************
    I have placed a Danfysik current sensor in series with the 16A current driver output, and was horrified to find that the measured current drifted by 200ppm (not a misprint) over the first 300 ms after a step current change, then overshoots, then converges to an approximately stable value.
    ********************** end quote ***********************

    I was a bit concerned and repeat the test
    DCCT: Danfysik UTRASTAB 866
    Power source: DIY (above)
    Burden: 90R film type, external
    Data Recorder: Graphtec GL220,
    Setup: 20mV range, 10ms sampling interval
    Others: Datron 4910 1V to subtract burden voltage

    dff61c5b-9702-4d30-8709-a38587545c77-image.png

    1. There might be an 0.15s settling time but the amplitude is small, and it is not repeat on the second pulse. It could be the settling time of the current source.

    2. The less than 60ppm p-p noise is contributed not only by the current transducer, but also from the current source and my measuring system.

    3. Don't be alarmed if there is a 0.3 second settling time or overshot, it may due to the current source or the load or the compensation network. The nature of many of our work is DC current.

    4. Even if the 200ppm drift is true, it is 3.2mA, only 5.3ppm of 600A range, quite within the specification. To make full use of the current range, make multi-turns for smaller current.



  • 最近收到一台wavetek 4600,最大输出电流11A,可输出交流电流和直流电流。
    找出以前买的RUG-Z R02 TK1,简单测试了一下。
    4600工作在单机模式下,输入电压来自732A。10A的测试结果还算不错,100点标准差可达0.6ppm。
    这还算用1271测试的,相信用3458应该能获得更好一点的结果。
    704aa9e8-0df7-449a-8cda-a71b7c1d0430-image.png

    61e3715a-6910-4040-919a-b38ed2d8662f-image.png



  • @pipelie采用IT 600-S的模块化高稳定30A电流源(10A~60A) Modular Design of Highly Stable 30A Current Source by Using LEM IT 600-S 中说:

    wavetek 4600

    这个结果不错,如果RUG-Z加上散热片可能还会好一些。
    wavetek 4600的11A档用的什么检流电阻呢?



  • 592e773e48b93fde.jpg

    不清楚用的是什么型号的检流电阻,阻值是10 mR, 看起来是定制的。图片 中间靠下的那个 就是, 固定在 金属 片上。
    螺丝 上了 胶 不方便拆开看。
    4953里面 用的看起来很像,应该是同一个检流电阻。
    w4953_ins.jpg w4953_shd.jpg w4953_term.jpg



  • @pipelie 体积不小,或者说表面积不小,片状的应力比较小而且便于散热