lymex 发表于 2009-4-17 22:01:52

DIY 1GΩ 标准电阻

为什么要1G电阻?
1G电阻可以说是正式的高阻了,在校准高阻计、兆欧表等高速设备时为必需。
另外,1G电阻配合电压基准,能生成标准的小电流,可以校准微电流计。
当然,如果1G电阻做得好,可以成为校准工作高阻的更高一级别的电阻。


1G电阻的困难
我们知道,小阻值的电阻用线绕或者金属来做是最好的:没有电压系数,老化和温漂都不错。但比较现实的金属箔最大为100k,通过串联也就是1M。线绕最大的也就是10M,经过串联可以达到100M,但要做1G,就不太可能用这样的材料了。

传统1G电阻用真空电阻比较多。真空电阻由于不仅是密封,电阻材料周围什么也没有,因此其老化不受外界影响而仅仅取决于自己。但由于电阻率非常高,因此材料很难选择,不可能用金属了,一般是氧化膜、半导体,甚至有可能是有机物质。这样的材料很难做好,温漂、老化和电压系数都比较大。
参考一个我的1G的国产标准电阻,BZ17:



   

内部是多个电阻串联的,主要用于调整。最主要的电阻是1G真空电阻,但实际阻值不到1G,因此找了很多电阻来串联凑成1G,不过起主导作用的还是这个1G电阻。

这个电阻性能如何呢?暂且不去测试,看看说明书是怎么说的


原来才是1%的!这个电阻的实际值为1.004G,温度系数是-0.08%/C,也就是-800ppm/C,看来是碳膜级别的了,比较失望。


再看看国外的商品的电阻。Fluke 742A系列,最大才到19M,不行。
与742A系列性能类似的IET SRL,有1G的,标价2200美金,性能如下:



裁减表的时候,有意的保留了几个作为比较。
其中,几个参数的意义是
Adjustment Accuracy---调整偏差,也就是与标称值最大可能的差别
Calibration Uncertainty---校准误差,就是校准证书上的值和真值的最大偏差
Stability 12 months---每年的稳定度
Max Resistance Change from 23C---即当温度变化正负5度时,电阻可能的最大变化

可以看出,10k的最好,年稳<4ppm,温度窗口不大于1.5ppm
到了100M就差一些了,年稳<20ppm,温度窗口实际上是5*10=50ppm。因此,这个电阻应该仍然是线绕的。
到了1G就更差了,校准不确定度、稳定性、温度特性都为100M的10倍关系。显然是非线饶的,也说明1G电阻是个坎,制作困难。


看一下也许是目前最好的高阻:高联/Guildline的9336


其中1G的温度系数才不到6ppm/C,老化也是35ppm/年,这个很不错了,甚至有人怀疑只有线绕电阻才能做出这个水平。
显然,这里的DIY 1G是无能力赶上了,温度系数能做到10ppm之内作为高阻抗不容易了,而年稳定性达到100ppm也不容易,作为DIY的终极目标吧。


DIY 1G的目标
达到或超过SRL-1G
例如调整到0.1%是很轻易的,换电阻就行,而且是焊接的、无可调器件;
标定到100ppm是很轻易的,用自身转移法;
1年的稳定性100ppm,很有信心,老化、循环+统计;
温度系数20ppm/C,没有问题,目标是10ppm;
耐压5000V,也没问题。100个串联,分配给每个电阻才50V。
至于电压系数,由于是多个串联,每个承受电压很小,因此不用任何担心。

wanqing 发表于 2009-4-17 22:30:30

期待能早日看到您的DIY作品

lymex 发表于 2009-4-17 22:39:49

1G电阻的做法
现实中,做1G的好电阻的一种可行的办法,是买100多个Dale RN55D的10M电阻串联起来。
RN55D一般是蓝色发亮的,简称蓝亮。也有棕亮的。RN55D是Dale的军规型号,后来让Vishay收购后也叫CMF55D。这电阻属于高可靠性金属膜,外边的环氧(?)比较厚、比较硬,因此潮湿等不容易入侵,老化和温度系数都做的不错。这样的的电阻我已经买了100只


   

可以看到,偏差尽管是1%(字母F),但实测都不错,尤其是温度系数很小。

但是,10M的RN55D为非标的。上次的卖家是玉林的,后来在TB上找到了另外一个玉林的卖家,把他的10M统统包了下来,也不多,才500只。


那么为什么要用100只串联这种方法呢?
1、串联起来后,理论上耐压、功率尤其是阻值都成100倍增加。耐压和功率些特性的改善对高阻很有好处。
我们很难买到1G的金属膜电阻,不串联没办法。即便买到,性能也赶不上这些10M电阻。

2、串联后,性能比串联前不仅不差,而且要好
电阻串联或并联后,很多特性遵循统计规律,要好根号N倍。100只就是10倍。
比如温度系数,一个+20ppm的和一个-10ppm的同阻值电阻串联后,总电阻的温度系数不是+10ppm,而是+5ppm。同样,上述4个电阻若串联,温度系数并非为相加的-17.5ppm,而是-4.4ppm。
总之,4个串联大约可以提高性能1倍,9个3倍,100个10倍,这就是所谓统计规律。
如果仔细一点,还可以分别测试温度系数进行筛选和匹配,这样性能会更好。

3、串联后,可以方便校准、溯源。
100个串联后,即便用很苯的办法,逐个测试100个10M,加起来就可以得到1G,毕竟测试10M要精确得多。
而实际上,,我们可以做出9个抽头来,并联成10M,直接测试这个10M就可以。根据Hamon原理,测试10M偏差多少个ppm,最后的1G就是偏差多少个ppm。


看一下1G电阻的内部结构图
这是个带有Hamon转换的,正常使用时10个100M串联成1G,校准的时候10个100M并联成10M,这样,10M的相对偏离就是1G的相对偏离,就能在10M的较低电阻的水平上得到更好的不确定度。

lymex 发表于 2009-4-17 22:40:55

1G电阻的实际制作

要把100个电阻串联起来,也不是一个很轻松的工作。曾经在某天睡觉前想到一个方法,这里的制作就是。

首先裁出两块特氟龙/Teflon/F4板(以下简称F4),标称厚度1.0,但由于是模压的,实际厚度有1.2mm。


用洞洞板做钻孔模板,孔距是2.54mm,这个比电阻的直径要小。这个电阻就是适合这样密排安装的。把两片F4板放到一起,一面用洞洞板对齐、另一面用普通电路板夹紧


实测RN55D的引脚是0.62mm的,因此找出0.8mm的钻头,正合适


手持钻孔。其实力量很小,注意垂直就可以。钻到头的时候再轻轻钻半秒钟,一边彻底钻透F4板


钻好的孔,实际上长方向是14个孔,多余4个用于两边的接线,而宽的方向是12个,各留一个余量


这些电阻,用了90只10M,另有10只是9.76M的,这样每组99.76M标称值,就能在最坏的场合下保证小于100M,最后再串联2M-3M的电阻进行补偿


先把10个9.76M插入一个F4板,注意每边留两个空位


依次插入成10×10方阵。插入前一定要整理一下管脚,要求笔直,才好进行后续操作


开始插入另外一块板,这个需要一些技巧,自己可以琢磨。我的方法是,插入不要太深也不要太浅,暂时插入后的,两边要弯曲形成阻挡,否则插好的会掉下来


这个是双面完全插入后的


缩紧2板。这样让体积最小
   

焊接采用搭焊,这样体积小而焊接方便。先从一边开始,剪断一排,留出2mm高的脚,折弯。避免先全部剪短,以防脱落。




全部整理完毕的样子。超长的链接应剪断,以防尖峰和过大体积



焊接。焊接前重新整理一遍压接的部分,力求整齐。先焊接一面,然后再整理另一面再焊接



内壳采用以前买的空调节电器的那种小铝盒子,外部尺寸小是45×40×18.5mm

lymex 发表于 2009-4-17 22:42:09

制作的第二部分:装外壳

1G属于高阻,因此要充分考虑如下几方面:

1、防潮,密封和加防潮剂

2、高绝缘,必须用F4接线和F4接线柱

3、耐压,高阻有比较大的可能要高压使用。
1G电阻在10kV下也才是0.1W,因此不用考虑功率和散热问题。
内部电阻每组之间耐受300V不成问题,因此总体耐压可以按照3kV设计

采用的材料和方法
1、外壳:防水铸铝外壳
2、导线:所有线均采用厚壁F4绝缘材料
3、校准开关。本电阻最大的特色,就是内部带有校准转换,其实也是一个Hamon电阻,这样可以转换成10M,在1/100阻值这样的较低的电阻下进行校准,能够得到更好的不确定度。
转换开关采用手动拔插的方式,平时都在各自绝缘的架子中,校准的时候把10个抽头重新拔插转换,就转换到10M状态。由于10M和1G电阻的测试电压都比较高(10V级别),因此对热电动势要求不高(10uV才是1ppm。.同时,10M电阻很大,一般的接触电阻都可以忽略不计。
4、接线柱。F4

lymex 发表于 2009-4-17 22:44:54

1G电阻的测试、对比和校准

goodluck 发表于 2009-4-17 23:32:24

牛人,顶一个.期待作品.

yjm2000 发表于 2009-4-18 00:36:00

我在老大团购时申请到了一套(100只10M的)

redtony 发表于 2009-4-18 12:36:07

 啥时候组织的啊,现在还能加入吗?

grn 发表于 2009-4-18 13:08:22

咋不知道,报名一套。

chq1 发表于 2009-4-18 23:04:56

报名一套。

zoo 发表于 2009-4-18 23:57:20

引用第9楼grn于2009-04-18 13:08发表的:
咋不知道,报名一套。

不要着急,还在找货源!面包会有的;

轩尼诗 发表于 2009-4-21 01:15:53

等看热闹。

lymex 发表于 2009-4-21 09:22:49

最新消息,500只10M电阻昨天到货,型号是RLR7C,与上次我买的类似的东西,实际测试了两只:
9.972M、-14ppm/C
9.993M、-1ppm/C
非常好

weixsh 发表于 2009-4-21 13:09:54

有个疑问:这么多电阻串起来,会不会噪声很大?毕竟每个电阻都是:“焊锡--金属引脚--金属丝--金属引脚--焊锡”连接,可能每个电阻只是有很小的噪声,但乘以100个那就大了,还有这样的串接会引起其它问题吗?

lymex 发表于 2009-4-21 16:44:29

回 15楼(weixsh) 的帖子

恰相反,串联会减少相对噪声,统计原理。
简单说,100个串联后噪音会变成10倍,但“信号”是100倍,或电阻是100倍,因此相对噪声是1/10。

报价16万多的Fluke 752A分压器,其主体部分是30只金封电阻串联的。
计量院他们研究非常高等级的分压器,也是用多个Vishay金封电阻串联,成本非常高,但性能非常好。

bgqjm 发表于 2009-4-22 22:30:51

先报个名,排队等

chenang39 发表于 2009-4-29 09:10:42

等老大制作后续

patch 发表于 2009-5-12 20:08:42

看看老大的工艺和指标

bg2iax 发表于 2009-7-14 07:32:22

DENG等

jinma 发表于 2009-8-19 15:16:21

jinma 发表于 2009-8-19 15:19:16

jinma 发表于 2009-8-19 15:41:25

jinma 发表于 2009-8-20 17:38:44

lymex 发表于 2009-8-22 19:37:15

1G电阻制作更新了大批图片,但还没测试。
楼上这些电阻不够高阻啊,高阻起步是1G,然后常见10G、100G和1T。

suny-hyb 发表于 2009-8-22 20:17:17

老大是国内的第一牛人啊

redtony 发表于 2009-8-22 21:03:48

Re:DIY 1GΩ 标准电阻

不得不服,老大就是牛!

happymanlxh 发表于 2009-8-22 23:25:41

jinma 发表于 2009-8-23 11:20:32

langyan 发表于 2010-3-27 00:38:59

学习了,顶顶
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