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标准电阻 Standard Resistors

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发表于 2009-2-26 10:04:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
标准电阻的指标 How to Specify

1、老化 Aging
标准电阻最重要的指标,是老化,或者叫稳定性。
标准电阻既然做标准,其电阻值就应该很少随时间而变化。否则今天去校准了,明天改变了很大,还怎么能做标准?
由于老化都不大,因此一般以每年多少ppm(百万分之一)来表示。例如某10k电阻年老化-8ppm,就是每年减少80毫欧。
电阻的老化规律,一般是生产出来第一年老化最大,随后老变慢,而且逐渐趋于线性老化。
好的标准电阻,老化可以优于每年1ppm。更好的电阻甚至能到每年0.1ppm之内,而且比较有规律。这样,校准一次后,可以在随后的好多年内保持很高的准确性。
很多标准电阻,生产出来后,老化指标具有不确定性。例如国产的BZ3标准电阻,只能保证年老化<20ppm。一批标准电阻中,有的老化大、有的老化小。因此需要挑选、长期考核才能选出好电阻。我国国家实物标准里就有几只BZ3,但也有很多BZ3指标是不好的,所以也不要以貌取人。
还有很多标准电阻,比如Fluke 742A,指标4ppm/年,但有不少达不到,只能淘汰。

2、温度系数 Temperature Coefficient
温度系数就是电阻随温度变化的指标。
温度改变是必然的,而温度一变,电阻变动的比较大,就是测试不准了。因此,温度系数越小越好
常规情况,我们表示温度系数用每度ppm。比如某10k电阻温度系数是+8ppm/C,那么,当它在20度下测试值是R20=10,000.1欧,那么21度下就增加了8ppm=0.08欧,就成为10,000.18欧了。用公式表示就是:
R/R20 = 1 + α(t-20)
这就是个线性公式而已,其中α是1次项系数,单位ppm/C。t为温度,20度和R20为标准温度和此温度下的电阻值。

但是,常见的标准电阻都是用金属材料做的,金属材料的温度特性曲线都是二次的,也就是弯曲的,所以,完整的表达要加上二次项,成为:
R/R20 = 1 + α(t-20) + β(t-20)^2

这个β就是二次项系数,单位是ppm/C2,分母是度的平方。
但为什么温度要减20呢?这个20度,是我国和原苏联等国家的标准温度,美国等国家采用23度。
α在这里,是基准温度下的温度系数,也就是基准温度点下的斜率。用了这个二次公式后,同一个电阻,如果采用不同的温度基准,那么α就不一样了,因此有的时候要加上下标,例如α20、α23。

那么这两个系数是如何影响电阻曲线的呢?让我们用实例说明。

α代表了斜率,但一般是某温度点的,不同温度下α不一样。
比如在低温下α比较大,然后逐渐变小,在某个温度下具有α=0,即零温度系数点,次处的切线是平的。然后温度再增加,α为负
一般来将,零温度系数点最好在20度附近(油电阻),或者在23度附近(空气电阻)。这样,在标准温度附近变化,α很小,电阻变化也小
把β固定(β=-0.1)让α变化,不同α的曲线如下:
TC2.gif


β代表了曲线弯曲程度。β越大曲线就越弯曲
对于对于某个具体电阻,β是确定的、不变的、唯一的。
即便对于某种电阻材料,β大体上是固定的。例如锰铜的β大体上是-0.6ppm/C2,比较大。而Evanohm的β大体上是-0.03ppm/C2,比较小。
理想的电阻 β=0。如果β大,那么不同温度下温度系数就变化大,只适合在某温度附近工作,在宽温度范围下温度系数就很大
把α固定(α=0.05)让β变化,不同β的曲线如下:
TC3.gif



那么,现实中的电阻是什么样子呢?
TC.gif

红色曲线,20度下α=0.05很小因此很平,β=-0.03比较小因此曲线不太弯曲。这是典型的Evanohm标准电阻曲线(亦见后面标准电阻实例)
深红色曲线,α=2ppm/C因此有一定倾斜,β仍然比较小为-0.03ppm/C2,因此曲线不太弯曲。这是典型Evanohm电阻曲线
绿色曲线,α=4ppm/C稍大因此曲线倾斜,β也比较大为-0.5ppm/C2因此曲线比较弯曲。这个就是典型锰铜标准电阻曲线。RX70之类的线绕电阻都是锰铜的,其曲线一般不会好于此曲线
蓝色曲线类似,α=0因此曲线对称倾斜,β仍然为-0.5ppm/C2因此曲线仍然弯曲。这就是最好的锰铜电阻曲线。尽管α=0貌似理想,但这是有条件的。
也就是说,锰铜丝的线绕电阻曲线这种形状是固定的,是弯曲的。只能在某个温度点附近有近似零温度系数,温度偏离后温度系数就马上增大。所以,在宽的工作范围内要保持低的温度系数,只有采用好的电阻材料(比如Evanohm)
那么锰铜电阻用多个串并联能有改善吗?不能,曲线弯曲程度仍然一样。

锰铜电阻β=-0.6ppm/C2,假设20度下某电阻温度系数是0ppm,那么21度就的温度系数是-0.6ppm/C,22度为-1.2ppm/C。也就是说,温度每变化1度,温度系数变化-0.6ppm/C。


还有人会问,Vishay VHP202Z 是什么样子的曲线?
指标上温度系数<0.05,材料是Evanohm,因此曲线就是红色的,或者说比红色的还要好。
 楼主| 发表于 2009-2-26 10:19:23 | 显示全部楼层
标准电阻类型 Classification

从材料上看,分锰铜(Manganin)和Evanohm两种
锰铜具有老化小、与铜热电动势小、容易加工、容易焊接的优势,是一种广泛使用的电阻材料,但具有温度系数偏高的弱点
Evanohm是后期的电阻材料,具有硬度高、耐腐蚀、电阻率高、老化小、温度系数很小等优势,缺点是不太容易加工和焊接、成本较高。现代的标准电阻广泛采用这个。

Fluke的精密线绕电阻广泛使用Evanohm材料,温度系数低(上面这个是-1ppm),拆出的线很硬,自己可以伸直

Fluke的精密线绕电阻广泛使用Evanohm材料,温度系数低(上面这个是-1ppm),拆出的线很硬,自己可以伸直



从使用方法上看,可以分成油型和空气型两种
前者大部分是密封的、双壁结构,使用中需要浸泡在装有矿物油的恒温油槽中,以便恒温、均热和散热。油的热容比较大,电阻在使用中的热量容易被吸收而不产生明显温升,另外油是流动的,可以很快把热量带走。早期的标准电阻都是用锰铜做的,温度系数比较大,必须采用这种方式才能把温度控制到允许的范围内。

BZ3 1欧,双壁内绕电阻丝,热量很容易被浸入的油带走

BZ3 1欧,双壁内绕电阻丝,热量很容易被浸入的油带走



另一种就是空气的。油型很不便于携带和使用,后期由于Evanohm等低温度系数电阻材料的出现,因此出现了温度系数非常低的电阻,比如SR104、Fluke 742A,这样温度对电阻的影响就很小了,就不用油浸了,用起来非常方便。
另一方面,这样的电阻其温度系数都是已知的(α和β),因此只要测试一下电阻周边的温度,就可以通过计算或查表很精确得到改正值,而且改正值也很小、权重也小,完全可以免除或者修正因温度变化而引起的对电阻的影响。
  

有的空气电阻体积很小,当然性能也一般

有的空气电阻体积很小,当然性能也一般



从结构上看,可以分成双壁密封型、油罐密封型、普通密封型、非密封型。
双壁密封型,常见于BZ3和Thomas电阻,这是最早的也是最经典的标准电阻。
油罐密封型比如SR104,线绕电阻做好后,被焊接在不锈钢罐子里,内部充油。
普通密封型比如Fluke 742A,内部是4只Fluke金封线绕电阻并联
非密封型比如国产BZ3小阻值。由于阻值小、电阻体厚重,受外界干扰很小,因此没必要密封。

国产BZ3 0.01欧非密封标准电阻。脱去了可以装油的铜杯

国产BZ3 0.01欧非密封标准电阻。脱去了可以装油的铜杯


其它
比如是否恒温、是否多值、是否成组、是否可以用于交流等

MI的恒温电阻

MI的恒温电阻

著名英国Tinsley交直流电阻

著名英国Tinsley交直流电阻

Tinsley_5685A.jpg
2spot8.jpg
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 楼主| 发表于 2009-2-26 10:19:35 | 显示全部楼层
标准电阻的用途 Usage

1、保存电阻值/基准 Reference
作为一个实验室,应该有自己的一套主基准。代表着自己的最高基准,任何其它基准要向其看齐。
这基准起到向自己别的基准传递的作用,也是自己的基准向外部传递和对比的基础。

2、传递 Transfer
一个是向外传递,另一个是把外界的基准传递过来。
传递标准要求是便携的,最好是空气的。

3、校准 Calibration
提供电阻基准校准万用表或者校准仪。


4、收藏 Collection
不必多言。
12.jpg
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 楼主| 发表于 2009-2-26 10:19:50 | 显示全部楼层
标准电阻汇总表

10k.gif

系列.gif
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 楼主| 发表于 2009-2-26 10:20:42 | 显示全部楼层
MI 1欧标准电阻

我们都知道托马斯(Thomas)1欧标准电阻一直是世界上最好的电阻,自从Thomas在30年代定型后,无论是美国国家标准局还是我国的主电阻基准都在采用。
但加拿大Measurement International(简称MI或者mintl,因为他们网站是http://www.mintl.com)公司后来生产了一种比托马斯电阻更好的电阻,就是9210A。
对托马斯电阻的改进主要有如下几点:
1、采用Evanohm材料,温度系数低、温度曲线平直、硬度高、耐腐蚀。
2、采用新的退火方式,得到超低的老化率
3、安装结构的改变,最大限度减少结构对电阻老化的影响


指标:
温度系数<0.05ppm/℃ (20°C to 30°C)
老化率<0.2ppm/年
外形 高165mm、直径90mm
重量 2kg
9210A.jpg


个人评价:
本人没见过更不曾拥有过该电阻。但0.2ppm/年的指标是所有电阻中最好的。
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 楼主| 发表于 2009-2-26 10:21:04 | 显示全部楼层
L&N 4210 1欧标准电阻

美国Leed & Northrup公司是老牌标准电阻生产公司,简称L&N。
L&N在1980年就被General Signal Corporation收购了:
http://www.fundinguniverse.com/c ... ompany-History.html
By 1980 General Signal was one of the fastest growing conglomerates, with assets of more than $260 billion and sales of $1.5 billion. The firm went into the utilities industry, acquiring Leeds & Northrup


到了1995年,霍尼韦尔又转收了L&N:
http://www.highbeam.com/doc/1G1-17862518.html
Dec. 15, 1995--Honeywell Inc. today announced that it has signed an agreement to acquire the assets of the Leeds & Northrup measurement and control and sensor businesses from General Signal Corporation.


当然,L&N最终归到2006年成立的专门做高精度电阻的Ohm Labs手里:
http://www.ohm-labs.com/about-us.html
Ohm-Labs acquired the resistor manufacturing capabilities of Process Instruments, including those formerly held by  Leeds & Northrup and Julie Research Laboratories.

4210是L&N公司历史悠久、产量最大、质量非常好的标准电阻,也是
托马斯电阻的商品化版

本人拥有4只,可惜的是,由于这电阻大约30年前就停产,找不到出生证,也没有指标。

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评价:
从测试情况看,这些大约7、80年代生产的电阻老化非常小,最多几ppm。因此,可以假设,指标可以达到<0.5ppm/年的稳定度。美国国家标准局的5只和我国的1只,有文献说明,实际老化均<0.1ppm/年。
但是,由于制作年代久,电阻丝材料仍然是锰铜的,这样就脱离不开温度系数大的弊病,这就限制了其使用范围,所以这样的电阻都是油电阻(要求使用时放在恒温油槽里)。
当然,也可以事先精确测定温度系数,使用时放到空气中,用精密温度计测量温度后进行改正,也能得到很精确的测试结果。


现在,Ohm-Labs收购了L&N后,搞出了一个200型的1欧,温度系数小于0.1ppm/C,老化指标2ppm/首年。
1-200.jpg

L&N 4214 10k标准电阻

4210是421-10的0次方,而4214是421-0的4次方,可以认为是一个系列的。4214和SR104被认为是两个历史悠久、性能最好的两个10k,各有千秋。
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 楼主| 发表于 2009-2-26 10:22:09 | 显示全部楼层
SR104 10k标准电阻

本来,电阻标准是1欧的,而且Thomas 1欧电阻非常成熟、非常稳定,也是各国的实物基准首选。
但是,1欧电阻阻值比较小,不便于向其它阻值传递,更不适合普通测试,也不便于携带(油槽、温度系数大),不方便校准。
因此,70年代开始出现10k标准电阻。
为什么是10k呢?主要是1:100的传递可以做得非常好,10k到1欧仅需要两次传递。另外,10k的电阻测试电压可以比较高(10V),这样热电动势的影响可以很小。阻值再高也不行,因为绝缘材料也就能保险做到1E12欧(1T),再大泄露电阻的影响就大了。

Electro Scientific Industries公司(简称esi,注意是小写的字母)也是一家老牌标准公司,一定在60年代末期就开始生产著名的SR104了,因为见过至少两款生产于1970年的电阻。同时代的类似电阻,还有GenRad的1444-A。


SR104具有非常高的性能指标:
外壳采用带盖木盒,主电阻为6线
同时对称的有一个6线10k的温度检测铜电阻,温度系数是0.1%/C,这样可以方便、精确的测试内部温度
铝面板盖位于上部,便于操作,内部有密封电阻罐,并用泡沫绝热。
电阻单元生产出来后在NBS(美国国家标准局)测试到0.1ppm,并给出测试编号和温度曲线
老化,第一年为<1ppm,随后每年<0.5ppm
温度系数α<0.1ppm/C,β<0.05ppm/C2
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α&#61;-0.1,β&#61;-0.028。在20度下温度系数为+0.07,而在21度到22度之间温度系数非常小,因此

α&#61;-0.1,β&#61;-0.028。在20度下温度系数为+0.07,而在21度到22度之间温度系数非常小,因此

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最后一个图为SR104的内部解剖到最后,如果再解剖就要进行破坏而不能复原了,根据GR 1970年文章介绍,这电阻的壳体是不锈钢的,内部是两组5000欧的电阻芯,是用直径0.05mm的裸Evanohm导线绕制并在摄氏500度下的惰性气体环境退火,焊接完毕后充入干燥氮气。之所以没有充油,是因为油里面很难避免有水,而有水就难免有氧化。

评价:
SR104可以说是最好的10k标准电阻。测试并整理过5只,大部分老化<0.1ppm/年。另外,温度系数非常小,在常规对比测试时甚至可以忽略温度的影响。
1992年年末,Tegam公司买下了eis公司,而前年IET由买下了包括SR104在内的标准电阻,因此,现在这电阻已经属于IET公司了。
SR104comp.gif




补充内容 (2015-12-7 19:34):
根据IET的新文件介绍,SR104是油封的。GR1444A是充氮气的。
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 楼主| 发表于 2009-2-26 10:27:06 | 显示全部楼层
日本AE公司的标准电阻

日本Alpha Electronics公司很早就生产自己的金属箔电阻,包括金封金属箔,体积外形与Vishay VHP类似,在日本的高精密仪器中用的较多。
这样的电阻,在其数据表中可以看出,具有早期Vishay金封电阻的类似特性,比如5ppm之内的年稳,1ppm/C之内的温度系数。
AE-H.jpg

Advantest TR6143精密电源用的AE电阻

Advantest TR6143精密电源用的AE电阻

Advantest TR6143精密电源用的AE电阻

Advantest TR6143精密电源用的AE电阻




AE的标准电阻

自然,AE公司采用多个筛选、配合的金封电阻,组成了自己的标准电阻。
一种是ASR系列,&lt;3ppm/年的稳定性,&lt;0.2ppm/C的温度系数
另一种是更高的 USR  系列,&lt;1ppm/年的稳定性,&lt;0.1ppm/C的温度系数,而且温度系数是线性的、不弯曲的(β很小或接近于0)
asr103-10k-5ppm.jpg
asr10301.jpg
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USR.jpg
   

USR系列,体积并不大,但重2.5kg!?

USR系列,体积并不大,但重2.5kg!?
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 楼主| 发表于 2009-2-26 10:27:40 | 显示全部楼层
加拿大高联(Guildline)的标准电阻

加拿大高联(Guildline)是著名的基准公司,早期生产的9330,属于密封灌油系列,目前仍在生产,指标不太高为&lt;3.5ppm年稳,&lt;2ppm/C温度系数。
100_4531.jpg


目前高联比较推崇的,一个是6634TS,属于恒温、4个电阻封在一起的便携基准,含有1欧、10k、1M和100M四个电阻,其中1欧和10k的稳定性是&lt;1.5ppm/年,温度系数是0.005ppm/C。
6634TS.jpg


另一种是9334A空气电阻,1欧到10k的年稳为&lt;2.5ppm(其中10k为2ppm),温度系数为&lt;0.2ppm。
   9334A-10.jpg
9334.jpg
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 楼主| 发表于 2009-2-26 10:29:33 | 显示全部楼层
加拿大MI公司的其它标准电阻

同样,MI公司也有一款与高联公司类似的便携恒温4电阻基准4304,但似乎做的不好,因为尽管温度系数一样,但1欧和10k的年稳是5ppm。
4304.jpg
   SSA40061s.jpg



空气电阻的型号是9331,年稳也是5ppm,温度系数0.2ppm
9331-.jpg
9331.jpg
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