銣原子鐘 EFRATOM LPRO‐101 維修與裝殼使用

duke83

前言：
這顆是幾年前壞掉的銣原子鐘，原本他是有家可住（原裝散熱外殼）因為故障頻率鎖不住所以就拆出來換了另一顆進去。
現在修好了就得幫他找個家，無家可歸使用上也不方便，沒有空調溫度調節也無法長命百歲。
這時代的銣原子鐘耗電在 10 瓦上下會產生高熱需要外部的散熱片才能壓制，沒有散熱片雖然也能工作但會很短命。
原本這是用在電信基站的淘汰設備，相信在自己入手之前都已經連續 24H 工作超過十年以上，隨時會陣亡也是不意外的。



維修：
前陣子有點空閑就將此物再拿出來通電檢驗，拆開檢查了幾個工作點後才發現是銣燈泡溫度過高，竟高達 120 多度標準應為 100 度才對。


找到維修的方向就有修好的希望，就來找溫控線路，溫控線路雖然不複雜但由於沒有線路圖，只能慢慢對零件在心裡慢慢拼湊線路。


結果先找到一顆精密電阻開路換上後溫度就降到標準值，但沒多久後卻又沒有加熱少了加熱器的工作電流，又找到一個功率較大的檢流電阻開路。

手邊沒有相同規格的電阻值於是用了三顆電阻來並聯，且刻意使電阻值比原設計稍大一點就降低了加熱器的工作電流，此舉會延長到達工作溫度的時間但會減低啟動時的電流脈衝。

測試：
工作溫度正常後就趕快來測試是否真的有修好讓原子鐘能夠鎖定，竟然還是不鎖定，暫時放開電路去爬文，有人提到外界的光線會引響銣原子鐘的鎖定。
沒錯，我為了方便觀察與測量沒有將隔離外殼給蓋回去等於是沒穿衣服在裸奔，裝好外殼再通電就能鎖定正常的工作。
銣原子鐘果真嬌貴，體溫不對與衣服沒穿好都是不能正常工作。

附屬電路：
要想知道銣原子鐘的內部工作狀態就要能監視到其外接引腳上的工作點，這裡採用的小型三位數的電壓表表頭模塊。
想知道外部供應電源電壓、消耗電流、即時溫度、頻率調諧電壓（C-field）、銣燈泡燈絲電壓（LampV）、VCXO 調諧電壓（XtalV），使用一個小型六段旋轉開關。
即時溫度使用一個溫度感應器（LM35）、風扇溫控線路與小風扇做空氣對流。
雖然電路不多但想用萬孔板焊接會有些雜亂，所以畫了板子給工廠做比較理想。



外殼：
要讓精密的銣原子鐘能長時間工作需要幫他打造個家，我又希望能嬌小好攜帶就只能去找尺寸相符的鋁質散熱盒。
銣原子鐘與外殼緊密結合沒有鎖螺絲，背板手工打了幾個進出氣孔，正面膠黏上片紅色壓克力當顯示窗。




散熱：
因為受體積與鋁殼表面積限制必須透過內部風扇來協助散熱，空氣是從進氣口自然流入靠小風扇強制將熱風抽出。
溫控線路設定在 40 度上下，風扇運轉頻率不會很高約幾分鐘的週期運轉個一分鐘。



頻率：
固定 10MHz Sine 波輸出，頻率溫定度跟高穩等級的雙恆溫爐振盪器差不多，但從通電到穩定鎖住只需幾分鐘的時間。
雖然其相位雜音較大，還是有其方便好用的地方，例如臨時需要一個高精度的參考頻率，OCXO 與 GPSDO 的穩定速度都比不上他。

頻率精準數值也是可以從外部或內部調整（C-field），下次再準備擴充多裝個小型 DC 接頭與外部 PLL 電路讓他也可以追隨 GPSDO 來自動修正頻率。

changold2

恭喜完修，這已經是神等級的手路了

duke83

這類原子鐘原本是基於好奇買來玩的玩具，十幾年前買的還真不貴，後來真的玩壞了看到內部元件那麼多也沒想過可以拿來修。
玩過幾顆後稍微懂點皮毛後就手癢，竟也碰上好運壞在好修的地方也才能讓他繼續工作。

這物的工作環境很惡劣（高溫）對零件的品質要求很高，這次還好只是壞電阻，要是其他主動元件恐怕就很難找到替換。

我相信以現在的國內科技能力還是無法製造這類原子鐘，技術還是遠遠落後美國二十年，這也不是沒有市場的工業產品只是台灣不看重無線通訊產業。
人家發射的 GPS 衛星上頭的原子鐘穩定度已經可以達到 10 的負 16 次方以上，這已經不是電子電路的問題是物理與材料科學的整體國力。

專炸元件

開孔很厲害  像是CNC開的  
銣同位素生產國內應該不給做  也沒需求   

不能照光則是因為裡面有一個光電池   光線太強會判定失鎖  

太熱太冷這點也是麻煩   以前有客戶找柯老師訂製有一顆原子鐘的裝配製作
  就發現如果有做保溫的話原子鐘過一陣子會失鎖  


話說現中國市場二手原子鐘漲價好多呀  快一倍了吧

duke83

專炸元件 發表於 2023-4-10 09:04 PM
開孔很厲害  像是CNC開的  
銣同位素生產國內應該不給做  也沒需求   

開孔的步驟是繪圖、列印、黏貼、鑽孔、線鋸、銼刀這樣就能開的美美，好加工的鋁材也是重點。

裡面的確是有光電池，可能是受室內 60Hz 燈光閃滅而影響鎖定。

銣鐘的使用應該是儘量散熱，保溫的確是不恰當。
原廠型錄中的一項規格。
Amb. Temp:  20°C     25°C     30°C     40°C      50°C     60°C
MTBF(hrs) 381,000 351,000 320,000 253,000 189,000 134,000

以前數量眾多便宜賣可以出的快，現在存貨剩下不多當然惜售。

duke83

想要降低這個原子鐘工作溫度從供應電源下手是最簡單的。

電源功耗圖：


因為內部有幾組傳統線性穩壓電源不但限制的使用電源電壓的範圍也增加電力與熱量的消耗。
從圖可以看出使用 18V 與 24V 的差別可減低約 2W 的電力消耗。

我使用傳統筆電電源供應器 18.5V 供電，恆溫控制在 40 度此時約只消耗 7 瓦的電力與產熱。