用Vishay 金封金屬箔DIY 10k標準電阻

專炸元件

原文轉載有詢問原作者LYMAX(Lymex/bg2vo)意願

作者:  Lymax  原文:用Vishay 金封金属箔DIY 10k标准电阻
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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)






1、為什麼要用金封金屬箔做核心元素？

傳統的標準電阻都是用線繞的，具有溫度係數好、穩定性佳、負載能力強、幾乎沒有電壓係數的特點。

圖一


但是，線繞標準電阻也存在選好材不易、製作工藝複雜等弱點，傳統的錳銅標準電阻溫度係數太大隻能恆溫使用，而好的空氣標準電阻價格又非常昂貴。 隨著技術的進步，出現了性能更好的金屬箔電阻，尤其是金封金屬箔，在主要性能指標上均超過相應的線繞電阻，成為製作標準電阻的熱選材料。 金封金屬箔從溫度係數上，不亞於最好的線繞，而且溫度曲線平直，即beta係數很小，比Evanohm還小，因此可以通過補償得到很低溫度係數的標準電阻。

金封金屬箔從長期穩定性上看，目前有幾款都能達到6年2ppm之內，比現有的線繞標準電阻好很多，這是標準電阻最重要的參數。

另外，金封金屬箔也是金屬導電，因此同樣具有幾乎沒有電壓係數的優勢。

金屬箔還有一個優勢，就是電感非常小，做成的標準電阻可以用在交流上。

目前對金屬箔的弱項評價或批評有如下幾個：

1、耐受過載能力差。 金封金屬箔的體積小，有效導體質量就更小，造成負載能力差。 例如晶振封裝的那種金封額定功率只有0.3W。 不過，對於10k的標電阻，0.3W意味著55V的電壓，這在一般精密測試中很難超過的。 10k標準電阻的標準測試電壓是10V。 另外，也可以通過串聯並聯來提高功率，當然要增加成本

2、同樣也是有效導體小的原因，加上膠粘，會讓人懷疑長期穩定性，例如過了100年、10000年，那麼小的導電體能否仍然保持不變？ 況且，Vishay自己的測試也表明，這種電阻隨時間的推移，其老化速度有加速的趨勢（線繞電阻正好相反，時間越久則老化越慢）。 同樣，小體積的電阻體耐受粒子輻射能力就比粗壯的線繞電阻差得多。 當然，微觀上看金屬箔電阻已經不小了，現代的集成電路和微電子器件，哪一個不具有更微小的體積？

3、阻值範圍不是很寬。 金屬箔的生產外非一般是10歐到100k，而且兩邊的阻值效果不太好，最好的阻值在1k到10之間。 當然，1歐的可以通過並聯方式取得，1M也可以串聯得到。 也許做10k最好的方法是類似720A裡面那樣，用4個2.5k的串聯。 但單個的2.5k就不好用了。

4、來源受限。 金封金屬箔也就是那麼幾個廠家生產，高技術的東西，價格不便宜，不如線繞電阻那樣來源廣、大眾化、容易取材。

圖二


從歷史上看，很多廠家的10K標準電阻都是以金封線繞為主力，例如Fluke 742A、Advantest、IET SR-X。 但這種金封線繞生產成本高，而且由於需求變得越來越小，生產設備的利用率非常低，形成惡性循環。

圖三


新型的商品標準電阻，已經採用金封金屬箔了，例如：

1、AE的ASR和USR，具有非常好的性能

圖四

2、英國的Transmille的3000RS標準電阻，用了Vishay的VHP100，溫度係數0.1pm

圖五


以下圖片/文字，來自Transmille自己的網站

圖六


總之，用金封金屬箔製作10k標準電阻，具有取材容易、製作方便、性能超群的特點，成為未來的趨勢。




2、選擇何種金封金屬箔最好？


從品牌上看，選擇Vishay的為好。 其它的例如AE的，其實也在Vishay旗下，TDK的也沒見有新的產品，法國的幾個品牌逐漸消亡，美國另有1、2家也產品很少。

圖七


Vishay的金封金屬箔，從溫度係數上看，以前分常規的和VHP100兩類，前者<5ppm/C，後者更小一些。

新型號的分成常規的和Z後綴的，分別具有<5ppm/C和<2ppm/C的溫度係數。 要注意的是，Z後綴的（零溫度係數）典型指標0.05ppm/C或者0.2ppm/C，是極難達到的，絕大部分的溫度係數在0.6ppm/C附近。

圖八


圖九


Vishay的金封金屬箔，從長期穩定性上看，最早是5ppm每年，後來出了高穩的，達到2ppm/6年，相當於每年0.5ppm，這是做標準電阻比較理想的。 事實上，即便是常規的5ppm/a，實際表現也非常好。

零溫度係數和高穩結合起來，可以選擇的型號，目前是VHP202Z、VHP203，還有VHA412Z等。 這些電阻都沒有二手可循，也沒有現貨，只能向廠家定做。 一般來講，定做9998歐、0.1%的比較合適，差2歐到10k是因為方便串聯補償，而0.1%的要比.01%的便宜不少，溫度和老化性能是完全一樣的。

以前定過0.1%的，實際測試絕大多數都在0.01%之內。 以前也定過9999.5歐的，結果發現阻值太接近10k了，沒有留出足夠的串聯補償電阻的空間。

類似，如果想做100歐、1k、100k，可以直接採用訂做偏小一些的阻值的，以利於補償。 但要做10歐的還是要偏大一些，做並聯補償為好。 1歐和1M的沒有現成的，只能定10個高並聯、串聯。



3、具體結構和方法？

圖十


1、採用4只9k998電阻進行混聯，有統計效果，可以良好配合，同時取得較大的耐壓和功率儲備餘量。 10k附近基本上是金屬箔的最佳阻值。 也可以選4個2.5k附近的串聯，但那樣的話單個2.5k就不太好用了。

2、多次定做的經驗表明，Vishay的高穩電阻均具備-0.6ppm/C附近的溫度係數，這樣可以用銅電阻（溫度係數4200ppm/C）來補償，2歐可以補償-0.84ppm/C ，因此主電阻是9998歐的，串聯電阻僅佔0.02%，其穩定性的影響可以忽略。 如果定9999歐的，那麼1歐銅阻只能補償-0.42ppm/C。

3、對於以前定做的阻值正好為10k的，經過串聯補償後，總阻值就大於10k了，因此需要採用較高的電阻（RH1、RH2）進行並聯。 並聯在單個電阻上（而不是並聯在整體上）的原因，就是在相同功效下所需要的阻值要低一些。 對於9998歐的，這兩個電阻需要去掉。

4、1.2歐銅阻，具體阻值需要測試確定，留有補償餘量，即要過補償一些

5、10歐電阻，其實就是調整補償量的，具體阻值要經過測試確定。 不建議通過減少1.2歐銅阻的長度來進行，那樣破壞了銅阻的整體完整性。

6、1歐就是串聯阻值補償，具體阻值要經過測試確定，讓電阻正好達到10k。



4、如何調節溫度係數？

主電阻的溫度係數是負的，理論上可以串聯一段小阻值的銅阻（漆包線），實現完全補償。

計算公式：主電阻×a +銅電阻×4200 = 0

其中a為主電阻的溫度係數，ppm/C。

1、實際補償之前，要先對主電阻的溫度係數進行精確測試，最好是裝到板上後進行。

2、然後用上述公式計算，看到底需要多大阻值的銅阻。 一般需要1歐附近。

3、製作補償電阻，我是採用0.11mm的漆包線，每米電阻實測2.4歐。 截取比計算值長一些的漆包線做成銅阻（我喜歡用大紅袍電阻，阻值>1k歐即可，無需弄斷）

4、串聯後，再次測試溫度係數，此時再次測試溫度係數，應該是過補償了，溫度係數為正。

5、再次計算需要並聯的電阻值，尋找相近的電阻並聯上去，再次測試

6、如果不滿意，則繼續調整這個並聯電阻，直到滿意。

圖十一


以前我曾經通過改變銅阻漆包線的長度來達到調節的目的，但這樣就涉及銅阻內部反复焊接，不好。 因此才改用改變並聯電阻的方式。

那麼，這個補償電阻的引入，是否會影響長期穩定性呢？ 一般不會。 這電阻的阻值只有不到2歐，佔200ppm，即便改變了0.5%，整體影響也只有1ppm。 實際上，漆包線的電阻隨時間的變化是很小的，不會大於0.1%，可以放心使用。 同樣，銅阻並聯的電阻權重不到30ppm，影響更小，只要採用優質金屬膜電阻即可。



5、如何補償阻值？

補償阻值的目的，就是讓最後的成品阻值盡量接近10k。 如果沒有條件，有一些偏差也問題不大，畢竟標準電阻注重的是老化特性還有溫度係數，偏差是次要的。

補償阻值，一定要在補償溫度 ​​係數後進行，否則在補償溫度 ​​係數的時候會改變阻值。 同樣，補償阻值的時候也不應改變整體的溫度係數。

補償的原則，串聯小阻值，並聯大阻值。 串聯電阻假如為主電阻的1/1000，那麼弱化就達到1000倍。 同樣，並聯1000倍以上的電阻也會讓弱化係數大於1000，就對主電阻的影響很小了。

補償的辦法，首先要精確測試未補償電阻，看缺多少（一般阻值大約1歐左右）。 然後找出一段合適的電阻絲（可以從老的10歐線繞電阻上拆出，看總長有多少），裁出少有餘量的部分，按照類似銅阻的方式做好電阻，串聯上即可。 如果測試後稍有偏高，可以縮短電阻絲，也可以在這個電阻上繼續並聯電阻。

同樣，由於串聯電阻不大，權重很小，同時採用線繞，因此其溫度係數的影響、老化的影響，都可以忽略。

也許有人會問，既然調節很麻煩，為什麼不採用可調電阻？ 的確，有的標準電阻內部採用了可調電阻，但可調電阻具有溫度係數大、老化大，尤其是電刷的接觸電阻具有不確定性，因此高標準的地方還是應該避免使用。 下圖是IET SRX-10k標準電阻的內部調整部分，用了可調電阻；

圖十二


這個SR-X是10ppm的，用了可調還情有可原。 更好的電阻就不應該用可調的了，例如Fluke 742A儘管最好的為4ppm/年，但說明書裡明確說明，裡面沒有任何可調器件。



6、考核

10k電阻DIY完畢後，必須進行考核，才能確定溫度係數。 而只有進行產期考核，才能確定長期穩定性。

只有根據考核結果，才能決定電阻的好壞，才能分級。 而有了考核結果，即便不太理想，也可以利用得到的溫度係數，在不同的溫度下進行修正，而達到手工補償溫度 ​​係數的目的，取得不錯的結果。 同樣，長期考核後能夠得到老化規律，這樣就可以利用外推法進行預測，得知未來該電阻的阻值。

考核的方法，一般要有一個高位表、一個更好的標準電阻、一個4×2的開關和一個採集卡。 採集卡一般帶有溫度傳感器，把這個傳感器引出，放到電阻的內芯附近，通過人為或自然改變溫度，與標準電阻（假設不隨溫度變化，或者已知溫度係數可以排除）對比測試，就可以得到被考核電阻的溫度係數。

當然，要考核電阻的長期穩定性絕非儀事，需要持續（或斷續）測試很長的時間，才能得到結果。 越好的電阻，老化越小，就越需要長期的測試，才能有所分辨。



7、製作實例1

這個DIY是近4年前做的，主料用了4只VHP101，雙殼，橋結構，F4板。

圖十三


圖十四


當時製作時，還沒有利用銅阻補償，而是通過挑選電阻進行溫度係數抵消：

圖十五


經過最近的測試，Alpha溫度係數不大於0.1ppm/C，Beta係數更是小於0.01ppm/C2

圖十六


而從阻值上也可以看出，3年多改變不超過1ppm，是比較成功的DIY-10k。



8、實例2

利用4只VHP202Z 9k9995製作10k。

首先，這批電阻定的是0.01%的，有點浪費。 另一方面，由於到手後才發現溫度係數一律為負，大約-0.6pm/C，比聲稱的+-0.05ppm/C典型值大了很多，因此需要較大的補償銅阻，而只比標稱值小0.5歐的餘量就不夠了，所以必須採用高阻並聯發進行阻值補償。

主要材料：鋁殼（內殼，暫無外殼）、F4板、202Z×4、0.11mm漆包線0.5米，18k紅袍電阻（做骨架用），另有3只CMF55-20M電阻未在照片上。

圖十七


初步測試溫度係數

圖十八


然後計算所需補償電阻：

圖十九


補償銅阻製作：

圖二十


安裝完畢

圖二十一


冷熱箱測試溫度係數，結果，仍然有-0.42ppm/K，顯然補償不足，這大概是4個202Z的先前的分別測試有偏差。

圖二十二


圖二十三


再次去掉補償電阻，直接測試4個202Z的表現，發現補償前溫度係數達到了-0.79ppm/K

圖二十四



圖二十五


因此，重新製作補償電阻，加大到2.4歐，此時好多了，而且溫度係數為正，達到了過補償的目的。

圖二十六


圖二十七


再次計算一下，在2.4歐補償電阻上並聯一個25歐，減少了補償量，重新測試，溫度係數非常小了，不到0.01ppm/K

圖二十八


圖二十九



至此，溫度補償完成。 0.01ppm/K已經優於最好的標準電阻，SR104的指標是<0.1ppm/K

圖三十


目前的板子的狀況：

圖三十一



溫度係數用24.9歐微調，阻值微調用2M，均採用焊接方法，但不加熱主電阻，是在兩個高阻之間進行。 目前與我的SR104對比是+1.2ppm，算上SR104的+2.3ppm，應該下調3.3ppm，需要在2M電阻上再並聯一個電阻。

圖三十二



裝入內殼準備測試。 上面空間較大，下面空間小一些，加了另一片F4板。

圖三十三


再次進行較大變溫範圍的測試（17度到36度）

圖三十四



結果， α 溫度係數為-0.05ppm/K，比較小了，尤其是 β 溫度係數達到0.0025pm/K，小於最好的SR104的1/10，曲線很平，便於精確補償。

同時，阻值為9999.99歐，也非常接近標稱值。 至此，此10k標準電阻DIY告一段落。

9、總結與參考資料

A、核心電阻要選得好，這是做好標準電阻的關鍵。 Vishay金封儘管溫度係數不算理想，但beta係數小，曲線直，給補償提供了方便。 另外，長期穩定性如果如數據表所說的那樣，那就遠比目前的Fluke 742A之類的標準電阻要好。

B、 ​​補償元件，不能影響整體。 經過弱化係數計算，補償銅阻只有1/5000的權重，這樣才能只補償溫度 ​​係數，而不改變長期穩定性。 同時，並聯電阻要大於15M，並且只能並聯在單個電阻上，這樣權重才會小於1/10000，即便1%的變化也才引起1ppm的整體變化。

C、其它輔助手段也不可缺少，例如F4基板可以保證漏電可以忽略，內殼則保證均溫和屏蔽效果。




補充內容 (2016-3-26 09:16 PM):
F4板即為 鐵氟龍板   鐵氟龍的阻抗高    有的應用為了避免漏電  會特地利用鐵弗龍隔離柱來做搭棚焊接

專炸元件

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

SIMON1016

以我有限的經歷, 只知道CF碳膜是負溫度係數 約-4% MF正溫係數 約+1%
消費性產品電路做溫度補償時
靠上述兩樣 在加上半導體二極體逆向漏電流  搭配調整電路架構與零件佈局

實在是沒預算用到儀器級這麼好的條件

專炸元件

F4板即為 鐵氟龍板   鐵氟龍的阻抗高    有的應用為了避免漏電  會特地利用鐵弗龍隔離柱來做搭棚焊接
評分

不過正因為絕緣阻抗高  因此可能會有靜電產生  視情況必須要做等電位遮蔽

然後維基 中文: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E ... F%E4%B9%99%E7%83%AF
英文:
https://en.wikipedia.org/wiki/Polytetrafluoroethylene

中文版絕緣阻抗寫 1018歐姆/公分   應該是10的18次方   1018歐姆應該是格式沒設定
英文版則是10 右上小16   也就是10的16次方

然後事實上正確的應該是 http://www.microwaves101.com/encyclopedias/ptfe
英文版維基還沒更新的樣子  中文版的格式不對  

專炸元件

SIMON1016 發表於 2016-3-26 11:06 AM
以我有限的經歷, 只知道CF碳膜是負溫度係數 約-4% MF正溫係數 約+1%
消費性產品電路做溫度補償時
靠上述兩 ...

消費性的     很大一部份是靠腦子 靠人才設計  器件特性只是先決要素
很佩服那些在第一線上的研發與周圍舉多職人們    現在物資發達 即便買氣不佳 產品週期比以前短許多
能夠在那麼短的時間內完成調查開發設計測試並且量產  這是讓我很無法想像的過程


儀器級 也是最近這七年才漸漸能夠走出實驗室 來到電子愛好人身邊的  以前只有相關領域的人才知道 才擁有

我更是在去年第一次見到八位半DMM 後來就一頭栽入這高精密度 高穩定度的世界中

塑封電阻0.001% 差不多可以壓到一個21元台幣以下
金封電阻 價格死了 一個1000元 除非有人拋售   

算滿實惠的了  

補充內容 (2016-3-31 11:23 PM):
筆誤 0.001%相當於 10 ppm  塑封金屬箔電阻標稱誤差應在0.5%~0.01%

SIMON1016

專炸元件 發表於 2016-3-26 08:46 PM
F4板即為 鐵氟龍板   鐵氟龍的阻抗高    有的應用為了避免漏電  會特地利用鐵弗龍隔離柱來做搭棚焊接
評分
...

鐵氟龍 這種材料 挺有趣的   除了上述  阻抗高  利用鐵弗龍隔離柱來做搭棚焊接

因為耐磨 也用在 滑鼠'腳'  旋轉開關轉軸   避震器的活塞環...哦.扯遠了

電氣特性上也是不錯的材料  介電常數低  損失低  (相對PE而言)
如 12GHz同軸纜線 RG223   還只是使用 一般的PE 做介電材料
再高上去18GHz 同軸纜線RG402    要求低損失  則開始需使用鐵氟龍PTFE 當介電材料

專炸元件

仔細地將文章念了一遍  發現有的地方我沒改到 有疏漏 非常抱歉n_109|

傳統的錳銅標準電阻溫度係數太大隻能恆溫使用
應該是
傳統的錳銅標準電阻溫度係數太大只能恆溫使用

要考核電阻的長期穩定性絕非儀事
應該是
要考核電阻的長期穩定性絕非易事