精密電阻分類特性 Classification of High Precision Resistors

專炸元件

原文轉載有詢問原作者LYMAX(Lymex/bg2vo)意願

精密電阻分類特性 Classification of High Precision Resistors
作者:  Lymax  原文:精密电阻分类特性 Classification of Hi-Precision Resistors
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(出处: 38度发烧友论坛--38Hot Volt-Nuts 仪表 基准 工具 电子爱好者专业论坛)



首先，這裡所謂精密電阻，係指單個電阻元件。不包含由多個電阻串並聯後組成的複合電阻，也不包括標準電阻等成品。

首先，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。這樣，對於精度不太高的電阻，我們可以不分具體指標，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，當我們要更進一步考察一個電阻的時候，尤其是對於要求較高的地方，必須對指標進行詳細的分析。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%/℃。電阻對溫度變化的反應，一般是可重複的、可逆的，只要溫度不是很極端。例如20度的時候是10.001k，那麼當溫度變化了再變化回20度，電阻仍然是10.001k。

2、老化。也就是長期穩定性，即不加電在正常環境下保存時電阻的變化情況，Vishay叫Shell life（貨架壽命）(註一)。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，那麼很快阻值就變了，也就失去高準確的意義了。老化是不可逆的、不重複的。電阻老化後，一般不會回到原來的數值上了，而且是在不知不覺的過程中就變化了。有溫度係數並不可怕，可以創造恆溫環境，或者等溫度恢復後再測量。但老化就像青春一樣，失去不再复得，我們沒法讓時間不改變。因此對於一般計量來講，老化指標比溫度係數指標更重要。

3、初始調整誤差，就是阻值距離標稱值相差多少。這個其實不太重要，知道了偏差是多少，只要不變就沒關係，測量時可以修正。因此，在本文裡沒做進一步討論。


這樣，電阻最重要的兩個參數，就是老化和溫度係數。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分類描述

圖一

圖一

常見的精密電阻有三類：金屬膜電阻、線繞電阻和塊電阻。

1、金屬膜電阻是最常見的，但好一些的為精密金屬膜電阻，國產標誌為RJJ，特點是溫度係數不大，阻值比較穩定。但由於金屬膜的導電層比較薄，因此相對脆弱一些，密封一般用油漆，容易被潮濕慢慢侵入。另外，螺旋切割的部分都有毛邊，兩端的壓接部分因溫度和焊接，容易造成接觸問題而改變阻值。

2、線繞電阻也是很常用的精密電阻，是採用電阻絲（純金屬）進行繞製的。金屬具有良好的電阻特性（非常精確的服從歐姆定律），而且電阻絲相對比較粗（與薄膜比）不容易被外界侵蝕。因此，線繞電阻一度是高準確設備的主打電阻，現在用途也非常廣泛。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，現在少用。
--錳銅，分好多等級，製作電阻一般用精密錳銅，儘管不很耐熱但溫度係數比較小，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(註二)，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，但比較耐腐蝕。

3、塊電阻，也就是金屬箔電阻，這種電阻一般做成方塊形狀因此得名。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/℃。國產的也有，型號主要為RJ711，相比之下性能差一些。


每一類電阻實際上還可以具體分成小類，根據老化和溫度係數，把各類電阻放到圖中，形成下面的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。

圖二

圖二

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歐）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。當然，這種叫法也不一定合適，因為很多人後來把老式淺綠的碳膜電阻也叫綠袍。碳膜電阻溫度係數很大，即便是RTL的也不行，因此不在這裡討論了。

3、紅袍電阻，代號RJJ，高穩定低溫度係數精密金屬膜，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，不要與RJJ混為一談。所謂大紅袍，是說體積大，功率一般是2W，至少是1W的才能這樣稱呼。有些賣家把很小體積的紅色金屬膜也稱為大紅袍，甚至連RJJ都不是，難免有JS嫌疑。(註三)

4、一般線繞電阻，採用錳銅或康銅電阻絲，非密封（有些上漆）。由於線徑一般比較粗因此老化指標仍然不錯，但溫度係數不算太好，一般是15ppm/℃到35ppm/℃之間。這樣的電阻常用在萬用表中或者儀器內，因繞製簡單，生產容易，所以甚至可以自己DIY。

5、精密線繞，電阻絲一般採用精密錳銅，密封結構。密封後穩定性得到提高，尤其是阻值大、線比較細長的電阻。實際測試了大量的RX70-0.01%，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。
這種電阻最常見的就是RX70-0.25，這也是常見精密度最高的（0.01%），0.25為功率（W）。
從密封結構上看，一種是引線直接灌環氧樹脂，比較厚，用料足，密封好。
另一種是端部用了玻璃鋼片，而且加了一個陶瓷環。但是，這樣的結構往往在端面結合部分，尤其是引線環部分密封不好

圖三

圖三

圖四

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6、低TC（溫度係數）線繞電阻。
顧名思義，這類線繞電阻溫度係數很低。常見於老式國外（比如Fluke）各種精密儀器中，絕大部分採用鎳鉻電阻合金（Evanohm），因此能獲得很低的溫度係數，一般在1ppm/℃到5ppm/℃之間，甚至很多是<1ppm/℃。很多這樣的電阻每一隻都標明了實測溫度係數，便於使用中分類配對。
由於Evanohm的耐腐蝕性強，因此老化也不大，基本在20ppm/年之內。生產廠家最常見的是Fluke（綠色），英國的VM、MC（綠色）、美國HP（紅色）也都見有此類電阻生產。這樣的電阻進行標定後，可以作為一般標準電阻來用。
圖五

圖五

圖六

圖六

7、全密封線繞
電阻絲材料同上，但採用金屬殼-玻璃絕緣-可伐合金密封，英文叫Hermetic seal(註四)，完全隔離了潮濕和氧化，因此穩定性很高，達到8ppm/年左右，生產成本也比較高。另外，這樣的電阻一般都是用在高精密的場合，因此溫度係數也比較低，大多在1ppm/℃附近。這樣的電阻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（圖文約5MB）。二手價格相對來將更貴一些。
同樣，最常見的生產廠家是Fluke，另外VM、MC、HP、Vishay的都有產品，性能類似。
這類電阻曾經一度統治了高精密儀器，比如Fluke在60年代到90年代大量採用，以至於二手拆機市場仍然常見。 HP3456A的基準就是採用了HP自己的30k。 MC和Vishay的也在很多萬用表中經常出現。

圖七

圖七

8、塑封塊電阻，也就是塑封金屬箔電阻。
結構上，是採用適當膨脹係數的磁基片，黏上鎳鉻電阻合金箔（ Evanohm），這樣，電阻體和基板形成補償，使得溫度係數可以做的非常低，甚至<1ppm/℃。
另外，由於合金箔比較厚而且耐腐蝕，因此老化特性也算不錯，可以保證<25ppm/年。當然，這樣的老化指標還不算好，主要是因為密封效果不好而造成的。
除此之外，金屬箔電阻還具有超低的噪音、無感、極小的雜散電容、低熱電動勢、沒有電壓係數等優勢，另外體積也很小，立裝不太佔地方，因此成為精密儀器和音響發燒友首選，用量逐漸加大，從性能上優於線繞電阻，實際在大部分場合下已經替代了線繞電阻。
主要生產廠家是Vishay，品種型號眾多。法國本來有幾家金屬箔電阻生產廠家，結果大部分被Vishay收購。日本Alpha Electronic（縮寫AE）也是著名金屬箔電阻生產者，還有TDK，本國用的多。
多年前我國從法國引進過生產線，比如北京718廠和濟寧正和，生產RJ711，指標類似，只不過體積和溫度係數稍大

圖八

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圖九

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圖十

圖十

圖十一

圖十一

圖十二

圖十二

這樣的電阻有一個最大的問題，就是偶爾失效開路！解剖過兩隻Vishay的和數只法國的，發現失效原因是潮濕入侵，也證明這些電阻的防潮措施不好。引線部分被高分子軟性物質​​包圍，但仍然能看到裡面已經變綠（銅綠）。更有甚者，壞的幾隻電阻的引線是壓接上去的，上面點膠粘合，潮濕造成鏽蝕而斷路。

圖十三

圖十三

9、金封塊電阻，也就是金封金屬箔電阻。
這是目前最高等級的精密電阻，內部結構同上，但採用金屬玻璃密封（外形類似晶振），底座絕緣是玻璃，穿有兩個可伐合金細管，外邊套有金屬。當管芯做好後，穿好銅引線在外邊焊接，因此這電阻的外觀特點就是一個腫大的管腳根部。外邊套上金屬外殼，然後焊接密封。這種密封方式英文是Hermetic Seal(註四)，可以完全杜絕外界老化因素。採用可伐管+銅引線的優勢，是熱電動勢小。很多玻璃絕緣密封的都是可伐引腳，熱電動勢就很大

圖十四

圖十四

圖十五

圖十五

其實，這種電阻也細分成好多型號，例如Vishay的，早年生產的主要是VH102、VH202為多，年穩定度典型值為2ppm，不超過5ppm，三年保證<10ppm，10年大概20ppm 。溫度係數<2ppm/K。其它廠家的例如AE的、TDK的也都是類似水平。
後來Vishay對這種金封逐漸有了改進，一個是近零溫度係數，後綴往往有字母Z，例如VH102Z：
圖十六

圖十六

這類電阻溫度係數號稱可以達到0.05ppm/K（但實際測試下來達不到，指標仍然是>2ppm/K）。

10、高穩金封塊電阻
Vishay在2006年推出VHP202Z的時候，把原來一貫的5ppm的年穩參數，改寫為10年2ppm！
一下子提高了至少10倍，從此進入高穩金封時代。要知道，標價3萬多的Fluke標準電阻742A，也才保證4ppm每年。
除了VHP202Z和幾乎同時推出的VHP203外，Vishay把幾個其他原有電阻的穩定性也同時提高到10年2ppm，包括VHP100、VHP101、VHP202。
後來到了2009年9月，Vishay把這個穩定性指標又改成6年2ppm，顯然以前估計的太樂觀了。
當然，即便這樣，穩定性也是超群的、無可匹敵的。第一年變化能大一些例如接近1ppm，第二年就能到0.5ppm，以後每年大概就只有0.3ppm的變化了。

圖十七  

圖十七

圖十八

圖十八

註釋

本文部分用詞有經過調整與刪減或增加
本文當中出現的售價相關皆是以人民幣計價  

註一
參考: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E ... 6%E5%AF%BF%E5%91%BD

動態貨架壽命（原文：Dynamic shelf life），又稱作動態貨架保存期限。貨架上的物品，會隨著周遭環境的不斷變化，而改變其保存期限。在貨架上，裝設感應器（如：溫度、濕度等），物品的保存期限，不再是一個固定的日期或期限。

例如：賣場的瓶裝牛奶，僅僅依照瓶裝上的日期，先進貨的先賣出。這樣的銷售方式，容易導致牛奶在保存期限內，因保存環境改變而變質，卻不自知，讓消費者喝到提前過期的商品。配備有「動態貨架壽命」監控設備，將改變成，快變質的優先賣出。

註二
Evanohm 又稱作 卡瑪線 卡瑪絲   搜尋時建議後面要加上一個空格在加  電阻合金  

註三
這裡的JS為奸商諧音  不是指某深圳二手電子零件商

註四
該合金在20~450℃範圍內具有與硬玻璃相近的線膨脹係數和相應的硬玻璃能進行有效封接匹配，和較高的居里點以及良好的低溫組織穩定性，合金的氧化膜緻密，容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，廣泛用於製作電真空元件，發射管，顯像管，開關管，晶體管以及密封插頭和繼電器外殼等。可伐合金因為含鈷成分，產品比較耐磨。