DIY 1GΩ 标准电阻

lymex

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

期待能早日看到您的DIY作品

lymex

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。

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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

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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

1G电阻的测试、对比和校准

goodluck

牛人,顶一个.期待作品.

yjm2000

我在老大团购时申请到了一套（100只10M的）   

redtony

　啥时候组织的啊，现在还能加入吗？

grn

咋不知道，报名一套。

chq1

报名一套。

zoo

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

等看热闹。 [s:31]

lymex

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

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

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

先报个名，排队等

chenang39

[s:30] 等老大制作后续

patch

看看老大的工艺和指标

bg2iax

DENG  等

lymex

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

     老大是国内的第一牛人啊

redtony

不得不服，老大就是牛！ [s:31]

langyan

学习了，顶顶