精密電阻分類及特性

admin @ 2014-03-26 , reply:0

什麼是精密電阻?
其實,對於不是搞計量的不需要分的那麼清楚,可以大體上認為高精密、高準確、低誤差等是一個意思。但是,對於“精度”一詞,可以分解成分解成三個要素:

  1. 溫度係數。溫度變化是電阻的大敵,溫度係數一般用ppm/℃表示,即溫度變化1度對應電阻變化百萬分之幾。100ppm/℃就是0.01%/℃。
  2. 老化。也就是長期穩定性,一般用ppm/年來表示,也有用%/年來表示的。出廠再怎麼準確的電阻,如果老化大,那麼很快就變了,也就失去高準確的意義了。
  3. 初始調整誤差,這個其實不太重要,知道偏差是多少,只要不變就沒關係,測量時可以修正。因此,在本文里沒做進一不討論。

    對於精度不太高的電阻,我們可以不分,籠統的說某電阻精度是多少。比如0.1%精度的電阻,就是一個綜合誤差,實際上是說,在常溫下(比如10℃-35℃)、1年之內,包括所有的誤差,應該仍然能保證電阻在0.1%之內。
    但是,對於要求高的地方,電阻的具體特性將被測試,這樣才好選用。本文就將把常見的高精度電阻器按照溫度係數和老化兩個指標做一描述。
    常見的精密電阻有三類:金屬膜電阻、線繞電阻和塊電阻。

  • 金屬膜電阻是最常見的,但好一些的為精密金屬膜電阻,特點是溫度係數不大,阻值比較穩定。但由於膜比較薄因此相對脆弱一些,螺旋切割和壓接部分容易出問題。
  • 線繞電阻也是很常用的,甚至一度是高準確設備的主打電阻。採用的電阻絲材料現在有三種:
    --康銅,比較古老,耐熱但溫度係數不太好,與銅的熱電動勢較高。
    --錳銅,有精密錳銅,儘管熱但溫度不太高但溫度係數很小,與銅的熱電動勢小,是廣泛採用的線繞電阻材料。
    --Evanohm,被翻譯成埃佛諾姆,是一種鎳鉻鋁銅合金,也可以簡稱鎳鉻電阻合金,溫度係數最小,材料比較硬,焊接性能不太好。
  • 塊電阻,又叫金屬箔電阻,國外廠家以Vishay為代表,是在陶瓷基片粘上合金電阻層然後無感光刻,不僅採用了鎳鉻電阻合金材料,而且陶瓷襯底做進一步溫度補償,使得溫度係數非常小,很多能做到<1ppm/℃。國產的型號為RJ711,性能差一些。

    以下為精密電阻分類特性圖,基礎數據是基於自己多年的收集、積累、測試整理而成。橫軸為溫度係數,縱軸為老化率,因此,任何一個電阻都可以在這圖有一個位置,越靠近左下角表明電阻越好。
 

下面分別對這些典型電阻做一介紹。

  1. 普通金屬膜電阻,體積一般比較小,電阻膜比較薄,溫度係數和老化一般,除了高阻(>1M)和低阻抗(<5)以外,1%可以保證。
  2. 綠袍電阻。這是對80年代中後期出現的一種金屬膜電阻的稱呼,因為外觀呈深綠色而得名,見於MF12和MF14萬用表中。但根據自己的實測,性能一般,老化、偏差和溫度係數都與紅袍電阻相差很大。
  3. 紅袍電阻,代號RJJ,高穩定低溫度係數精密金屬膜,體積大,性能很好,經過自己的測試,多年的電阻,老化很少有超過0.5%的,溫度係數都在30ppm/℃左右。請注意,紅袍電阻還有一種是普通精度的,代號RJ,性能一般。
  4. 一般線繞電阻,採用錳銅或康銅電阻絲,非密封(只上漆),由於線徑一般比較粗因此老化指標不錯,但溫度係數不算太好,一般是15ppm/℃到35ppm/℃之間。
  5. 精密線繞,電阻絲一般採用精密錳銅,密封后穩定性得到提高,實際測試了大量的0.01%電阻,絕大多數數年後仍然能保持在0.02%之內。溫度係數也因為選材和工藝達到較高水平,大約是5ppm/℃到20ppm/℃之間。新品價格大約5元/只。
    (另外,國產還有一種高密封線繞,穩定性更好一些)
     
     
  6. 低TC(溫度係數)線繞電阻,常見於老式國外(比如Fluke)各種精密儀器中,採用鎳鉻電阻合金,溫度係數非常低,一般在1ppm/℃到5ppm/℃之間,有的電阻每一隻都標明了實測溫度係數。老化也不大,基本在20ppm/年之內,二手價格大約10元/只。這樣的電阻進行標定后,可以作為一般標準電阻來用。
     
     
  7. 全密封線繞,電阻絲材料同上,但採用金屬殼密封(引線是后焊接的)完全杜絕了潮濕和氧化因此穩定性很高,達到8ppm/年左右,溫度係數也大多在1ppm/℃之內,廣泛用於老一代高等級計量儀器和標準電阻中,我有一篇專門的文章做過詳細介紹。二手價格大約50元/只。 
     
  8. 塑封塊電阻。由於採用鎳鉻電阻合金和補償技術,溫度係數可以做的非常低,甚至<1ppm/℃。但該電阻由於密封不太好因此老化特性不是很好,只能保證25ppm/年,典型值12.5ppm/年。新品價格約50元/只,二手約20元/只。這樣的電阻也常常被音響發燒友採用,因為除了上述特性外,還具備超低噪音和無感等優良特性。
     
     
     
  9. 金封塊電阻,這是目前最高等級的電阻,內部結構同上但採用金屬陶瓷密封(外形類似晶振),徹底杜絕外界老化因素,同時零溫度係數技術使得溫度係數達到很難測量出來的程度。老化典型值2ppm/年,有的達到0.5ppm/年以下。新品價格大約400元/只,西方國家對我國實行封鎖,嚴禁進口用于軍事目的,連8位半的萬用表3458A也僅僅用了一隻(做內部標準電阻)。
     
     
     

應該看到,即便是同一類的電阻,不同廠家、不同時代的產品,差別也很大,這裡只是盡量找一個典型的範圍而已。

附:指針萬用表最好用什麼電阻呢?
選擇電阻要看萬用表的等級,一般採用等級的1/4或1/5,比如2.5級的選0.5%,1級的選0.2%或0.25%。
線繞的是最好的,穩定而且溫度係數小,但阻值高的很難做,因此大部分是低阻值的用線繞。唯一見有5M電阻仍然用線繞的是MF35。
電壓測量檔等需要3M到5M的高阻值電阻,一般只能選金屬膜的。而高阻高精度的金屬膜也比較難,需要高阻膜(這樣穩定性可能要變差)、大體積。傳統的紅袍RJJ精密金屬膜是很合適的。業餘條件下如果很追求性能,可選用6環1M金屬膜0.1%的電阻多個進行串聯。
 




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