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DIY 1GΩ 标准电阻

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lyghj|  楼主 | 2009-11-24 18:08 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
以下**原创为精密电压基准达人lymex,来源为《38度基准论坛》,为了尊重原作者请转载时注明出处。

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,可以成为校准工作电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。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。
与这个系列性能类似的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。显然是非线绕的,也说明1G电阻的困难。

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的目标吧

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沙发
lyghj|  楼主 | 2009-11-24 18:10 | 只看该作者
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,耐压、功率尤其是阻值都成倍增加。我们根本就买不到1G的金属膜,不串联没办法。

2、串联后,性能比串联前不仅不差,而且要好
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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板凳
lyghj|  楼主 | 2009-11-24 18:17 | 只看该作者
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
[local]2[/local]
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小铝盒子,外部尺寸小是45×40×18.5mm

19.jpg (101.42 KB )

19.jpg

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地板
lyghj|  楼主 | 2009-11-24 18:35 | 只看该作者
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

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mohanwei| | 2009-11-24 18:49 | 只看该作者
估计到时候也要来个真空包装。

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6
TopV| | 2009-11-26 21:54 | 只看该作者
关注下哦

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7
bbyeah| | 2009-12-7 07:01 | 只看该作者
好东东,去原帖看看

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457878| | 2009-12-8 14:17 | 只看该作者
微恒流源校准好理解,具体点?1G电阻如何校准兆欧表?

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lyghj|  楼主 | 2009-12-9 18:33 | 只看该作者
微恒流源校准好理解,具体点?1G电阻如何校准兆欧表?
457878 发表于 2009-12-8 14:17

微恒流源测试高阻需要测试万用表有很高的阻抗,一般万用表无法胜任。所以一般来说都是用静电计做测试
校准兆欧表,首先看你的1G标准电阻的耐压是否能达到兆欧表的工作电压,如果可以达到那么就可以使用1G标准电阻对兆欧表进行校准

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hucady| | 2012-2-17 18:56 | 只看该作者
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王紫豪| | 2012-2-21 16:00 | 只看该作者
这个真不错

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pandaivy| | 2012-3-1 10:27 | 只看该作者
楼主是动手强人,我使用的电阻都是直接买的,没想过做一个这么麻烦

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tmark| | 2012-3-2 11:00 | 只看该作者
这就是达人了

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caihuij| | 2012-3-24 13:40 | 只看该作者
牛人啊,不过这样后面也会偏差比较大吧

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hongong| | 2012-3-31 16:41 | 只看该作者
不错哦

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