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精密电阻分类特性 Classification of Hi-Precision Resistors

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发表于 2009-2-23 15:25:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
首先,这里所谓精密电阻,系指单个电阻元件。不包含由多个电阻串并联后组成的复合电阻,也不包括标准电阻等成品。

首先,什么是精密电阻?
其实,对于不是搞计量的不需要分的那么清楚,可以大体上认为高精密、高准确、低误差等是一个意思。这样,对于精度不太高的电阻,我们可以不分具体指标,笼统的说某电阻精度是多少。比如0.1%精度的电阻,就是一个综合误差,实际上是说,在常温下(比如10℃-35℃)、1年之内,包括所有的误差,应该仍然能保证电阻在0.1%之内。

但是,当我们要更进一步考察一个电阻的时候,尤其是对于要求较高的地方,必须对指标进行详细的分析。对于“精度”一词,可以分解成分解成三个要素:

1、温度系数。温度变化是电阻的大敌,温度系数一般用ppm/℃表示,即温度变化1度对应电阻变化百万分之几。100ppm/℃就是0.01%/℃。电阻对温度变化的反应,一般是可重复的、可逆的,只要温度不是很极端。例如20度的时候是10.001k,那么当温度变化了再变化回20度,电阻仍然是10.001k。

2、老化。也就是长期稳定性,即不加电在正常环境下保存时电阻的变化情况,Vishay叫Shell life(货架寿命)。一般用ppm/年来表示,也有用%/年来表示的。出厂再怎么准确的电阻,如果老化大,那么很快阻值就变了,也就失去高准确的意义了。老化是不可逆的、不重复的。电阻老化后,一般不会回到原来的数值上了,而且是在不知不觉的过程中就变化了。有温度系数并不可怕,可以创造恒温环境,或者等温度恢复后再测量。但老化就象青春一样,失去不再复得,我们没法让时间不改变。因此对于一般计量来讲,老化指标比温度系数指标更重要。

3、初始调整误差,就是阻值距离标称值相差多少。这个其实不太重要,知道了偏差是多少,只要不变就没关系,测量时可以修正。因此,在本文里没做进一步讨论。


这样,电阻最重要的两个参数,就是老化和温度系数。本文就将把常见的高精度电阻器按照温度系数和老化两个指标做一分类描述。
standard3s.jpg
 楼主| 发表于 2009-2-23 15:38:02 | 显示全部楼层
常见的精密电阻有三类:金属膜电阻、线绕电阻和块电阻。

1、金属膜电阻是最常见的,但好一些的为精密金属膜电阻,国产标志为RJJ,特点是温度系数不大,阻值比较稳定。但由于金属膜的导电层比较薄,因此相对脆弱一些,密封一般用油漆,容易被潮湿慢慢侵入。另外,螺旋切割的部分都有毛茬,两端的压接部分因温度和焊接,容易造成接触问题而改变阻值。

2、线绕电阻也是很常用的精密电阻,是采用电阻丝(纯金属)进行绕制的。金属具有良好的电阻特性(非常精确的服从欧姆定律),而且电阻丝相对比较粗(与薄膜比)不容易被外界侵蚀。因此,线绕电阻一度是高准确设备的主打电阻,现在用途也非常广泛。采用的电阻丝材料现在有三种:
--康铜,比较古老,耐热但温度系数不太好,与铜的热电动势较高,现在少用。
--锰铜,分好多等级,制作电阻一般用精密锰铜,尽管不很耐热但温度系数比较小,与铜的热电动势小,是广泛采用的线绕电阻材料。
--Evanohm,被翻译成埃佛诺姆,是一种镍铬铝铜合金,也可以简称镍铬电阻合金,温度系数最小,材料比较硬,焊接性能不太好,但比较耐腐蚀。

3、块电阻,也就是金属箔电阻,这种电阻一般做成方块形状因此得名。国外厂家以Vishay为代表,是在陶瓷基片粘上合金电阻层然后无感光刻,不仅采用了镍铬电阻合金材料,而且陶瓷衬底做进一步温度补偿,使得温度系数非常小,很多能做到<1ppm/℃。国产的也有,型号主要为RJ711,相比之下性能差一些。


每一类电阻实际上还可以具体分成小类,根据老化和温度系数,把各类电阻放到图中,形成下面的精密电阻分类特性图,基础数据是基于自己多年的收集、积累、测试整理而成。横轴为温度系数,纵轴为老化率,因此,任何一个电阻都可以在这图有一个位置,越靠近左下角表明电阻越好。
(点击可见大图)
Rclass.gif
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 楼主| 发表于 2009-2-23 15:45:18 | 显示全部楼层
下面分别对这些典型电阻做一介绍。

1、普通金属膜电阻,体积一般比较小,电阻膜比较薄,温度系数和老化一般,除了高阻(>1M)和低阻抗(<5欧)以外,1%可以保证。

2、绿袍电阻。这是对80年代中后期出现的一种金属膜电阻的称呼,因为外观呈深绿色而得名,见于MF12和MF14万用表中。但根据自己的实测,性能一般,老化、偏差和温度系数都与红袍电阻相差很大。当然,这种叫法也不一定合适,因为很多人后来把老式浅绿的碳膜电阻也叫绿袍。碳膜电阻温度系数很大,即便是RTL的也不行,因此不在这里讨论了。

3、红袍电阻,代号RJJ,高稳定低温度系数精密金属膜,性能很好。经过自己的测试,多年的电阻,老化很少有超过0.5%的,温度系数都在30ppm/℃左右。请注意,红袍电阻还有一种是普通精度的,代号RJ,性能一般,不要与RJJ混为一谈。所谓大红袍,是说体积大,功率一般是2W,至少是1W的才能这样称呼。有些卖家把很小体积的红色金属膜也称为大红袍,甚至连RJJ都不是,难免有JS嫌疑。
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 楼主| 发表于 2009-2-23 15:47:07 | 显示全部楼层
4、一般线绕电阻,采用锰铜或康铜电阻丝,非密封(有些上漆)。由于线径一般比较粗因此老化指标仍然不错,但温度系数不算太好,一般是15ppm/℃到35ppm/℃之间。这样的电阻常用在万用表中或者仪器内,因绕制简单,生产容易,所以甚至可以自己DIY。
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 楼主| 发表于 2009-2-23 15:54:15 | 显示全部楼层
5、精密线绕,电阻丝一般采用精密锰铜,密封结构。密封后稳定性得到提高,尤其是阻值大、线比较细长的电阻。实际测试了大量的RX70-0.01%,绝大多数数年后仍然能保持在0.02%之内。温度系数也因为选材和工艺达到较高水平,大约是5ppm/℃到20ppm/℃之间。新品价格大约5元/只。
这种电阻最常见的就是RX70-0.25,这也是常见精密度最高的(0.01%),0.25为功率(W)。
从密封结构上看,一种是引线直接灌环氧,比较厚,用料足,密封好。另一种是端部用了玻璃钢片,而且加了一个磁环。但是,这样的结构往往在端面结合部分,尤其是引线环部分密封不好。
RX70-1.jpg
RX70-2.jpg
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 楼主| 发表于 2009-2-23 16:04:19 | 显示全部楼层
6、低TC(温度系数)线绕电阻。
顾名思义,这类线绕电阻温度系数很低。常见于老式国外(比如Fluke)各种精密仪器中,绝大部分采用镍铬电阻合金(Evanohm),因此能获得很低的温度系数,一般在1ppm/℃到5ppm/℃之间,甚至很多是<1ppm/℃。很多这样的电阻每一只都标明了实测温度系数,便于使用中分类配对。由于Evanohm的耐腐蚀性强,因此老化也不大,基本在20ppm/年之内,二手价格大约10元/只。生产厂家最常见的是Fluke(绿色),英国的VM、MC(绿色)、美国HP(红色)也都见有此类电阻生产。这样的电阻进行标定后,可以作为一般标准电阻来用。
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RX-internal.jpg
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 楼主| 发表于 2009-2-23 16:12:16 | 显示全部楼层
7、全密封线绕
电阻丝材料同上,但采用金属壳-玻璃绝缘-可伐合金密封,英文叫Hermetic seal,完全隔离了潮湿和氧化,因此稳定性很高,达到8ppm/年左右,生产成本也比较高。另外,这样的电阻一般都是用在高精密的场合,因此温度系数也比较低,大多在1ppm/℃附近。这样的电阻广泛用于老一代高等级计量仪器和标准电阻中,我有一篇专门的文章做过详细介绍(图文约5MB)。二手价格相对来将更贵一些,一般25元/只。
同样,最常见的生产厂家是Fluke,另外VM、MC、HP、Vishay的都有产品,性能类似。
这类电阻曾经一度统治了高精密仪器,比如Fluke在60年代到90年代大量采用,以至于二手拆机市场仍然常见。HP3456A的基准就是采用了HP自己的30k。MC和Vishay的也在很多万用表中经常出现。

RX-seal.jpg
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 楼主| 发表于 2009-2-23 16:13:19 | 显示全部楼层
8、塑封块电阻,也就是塑封金属箔电阻。
结构上,是采用适当膨胀系数的磁基片,粘上镍铬电阻合金箔( Evanohm),这样,电阻体和基板形成补偿,使得温度系数可以做的非常低,甚至<1ppm/℃。
另外,由于合金箔比较厚而且耐腐蚀,因此老化特性也算不错,可以保证<25ppm/年。当然,这样的老化指标还不算好,主要是因为密封效果不好而造成的。
除此之外,金属箔电阻还具有超低的噪音、无感、极小的杂散电容、低热电动势、没有电压系数等优势,另外体积也很小,立装不太占地方,因此成为精密仪器和音响发烧友首选,用量逐渐加大,从性能上优于线绕电阻,实际在大部分场合下已经替代了线绕电阻。
主要生产厂家是Vishay,品种型号众多。法国本来有几家金属箔电阻生产厂家,结果大部分被Vishay收购。日本Alpha Electronic(缩写AE)也是著名金属箔电阻生产者,还有TDK,本国用的多。
多年前我国从法国引进过生产线,比如北京718厂和济宁正和,生产RJ711,指标类似,只不过体积和温度系数稍大
新品价格约50元/只,二手约20元/只。

Vishay RCK02(左)和国产RJ711

Vishay RCK02(左)和国产RJ711



  

RJ711的内部。引线是从后面绕半周后焊接到Pad上,少受影响、高可靠

RJ711的内部。引线是从后面绕半周后焊接到Pad上,少受影响、高可靠



  

RJ711的内部局部。可见往复无感光刻细节

RJ711的内部局部。可见往复无感光刻细节



法国的RS92N,白色半透明物质是高分子防潮的,引线是压接并点胶

法国的RS92N,白色半透明物质是高分子防潮的,引线是压接并点胶



Vishay S102,属于较新的技术生产,红色防潮膜

Vishay S102,属于较新的技术生产,红色防潮膜



这样的电阻有一个最大的问题,就是偶尔失效开路!解剖过两只Vishay的和数只法国的,发现失效原因是潮湿入侵,也证明这些电阻的防潮措施不好。引线部分被高分子软性物质包围,但仍然能看到里面已经变绿(铜绿)。更有甚者,坏的几只电阻的引线是压接上去的,上面点胶粘合,潮湿造成锈蚀而断路。
bad.jpg
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 楼主| 发表于 2009-2-23 18:11:49 | 显示全部楼层
9、金封块电阻,也就是金封金属箔电阻。
这是目前最高等级的精密电阻,内部结构同上,但采用金属玻璃密封(外形类似晶振),底座绝缘是玻璃,穿有两个可伐合金细管,外边套有金属。当管芯做好后,穿好铜引线在外边焊接,因此这电阻的外观特点就是一个肿大的管脚根部。外边套上金属外壳,然后焊接密封。这种密封方式英文是Hermetic Seal,可以完全杜绝外界老化因素。采用可伐管+铜引线的优势,是热电动势小。很多玻璃绝缘密封的都是可伐引脚,热电动势就很大。
DSCN1583-VHP101.jpg
09.jpg

其实,这种电阻也细分成好多型号,例如Vishay的,早年生产的主要是VH102、VH202为多,年稳定度典型值为2ppm,不超过5ppm,三年保证<10ppm,10年大概20ppm。温度系数<2ppm/K。其它厂家的例如AE的、TDK的也都是类似水平。
后来Vishay对这种金封逐渐有了改进,一个是近零温度系数,后缀往往有字母Z,例如VH102Z:
DSCN3635-VH102Z.jpg
这类电阻温度系数号称可以达到0.05ppm/K(但实际测试下来达不到,指标仍然是<2ppm/K)。



10、高稳金封块电阻
Vishay在2006年推出VHP202Z的时候,把原来一贯的5ppm的年稳参数,改写为10年2ppm!
一下子提高了至少10倍,从此进入高稳金封时代。要知道,标价3万多的Fluke标准电阻742A,也才保证4ppm每年。
除了VHP202Z和几乎同时推出的VHP203外,Vishay把几个其他原有电阻的稳定性也同时提高到10年2ppm,包括VHP100、VHP101、VHP202。
后来到了2009年9月,Vishay把这个稳定性指标又改成6年2ppm,显然以前估计的太乐观了。
当然,即便这样,稳定性也是超群的、无可匹敌的。第一年变化能大一些例如接近1ppm,第二年就能到0.5ppm,以后每年大概就只有0.3ppm的变化了。
VHP.gif
DSCN0057s.jpg
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 楼主| 发表于 2009-2-23 23:22:43 | 显示全部楼层
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