什么樣的電阻才是精密電阻?
精密電阻往往和高精度電阻關聯到一起,精度代表電阻阻值的準確性,事實上這種準確性受很多因素的影響。這些影響阻值準確性的因素我們統稱為“應力”。應力來自很多方面,比如環境溫度的變化,電阻自身通電后產生的自熱,來自PCB的壓力或拉力,外部環境的濕氣,甚至是腐蝕性的氣體,還有比如焊接,脈沖,過載,靜電,輻射等等。所有上面提到的“應力”都會使電阻的阻值產生變化,就是說影響電阻的阻值精度,那么什么樣的電阻才是精密電阻?答案是穩定性和精確性并存的電阻。
為什么穩定性比精確性更為重要?
電阻的阻值會受到各種“應力”影響而發生改變,離開穩定性的高精度是沒有意義的。舉個例子,電阻出廠時的精度是±0.01%,為這個精度我們支付了昂貴的費用,但在幾個月的存儲或者幾百小時的負載后阻值可能變化超過±300ppm甚至更多。另一種最常見的情況是電阻在來料檢驗的時候在標稱的精度范圍以內,焊接到PCB后就超出了標稱的精度范圍。還有比如潮濕,靜電等都會導致電阻的阻值產生不可逆的變化。我們要強調的是,穩定性應該放在首位來考慮,而不是片面的追求高精度。
一個好的精密電阻,必須具備老化小、溫飄小、偏差小的特點,同時最好具備可靠性高、功率余量大溫升小、噪音低、串聯電感分布電容小、電壓系數小、焊接、振動及拉伸不容易變化等。
當然,與基準相關的最重要的參數,是老化,其次是溫度系數。因此,以下這個排名最重要的根據就是老化,其次是溫度系數。至于電阻上標的是1%、0.1%、還是0.01%,這個是偏差而已,并不直接代表“精密”程度。
“老化”是什么?老化就是長期穩定性,也就是在常溫常壓下,放在貨架子上,經過比較長的時間(比如1年),電阻的變化。老化因此也常用每年變化多少個ppm來表示。老化因此是一個不可逆的過程,就像人衰老一樣,再也回復不到原來的了。
“溫飄”又是什么?溫飄就是電阻的阻值隨溫度而變化。由于一般的電阻溫飄不大,因此常用每度變化多少個ppm來表示,這就是溫度系數。假如一個電阻的溫度系數是+100ppm/℃,就是溫度每升高1度,電阻增大0.01%。同樣,負溫度系數表示電阻的阻值隨溫度的升高而減少。說溫度系數的時候有的時候省略后面的/℃,例如某電阻的溫度系數是8ppm,意思就是8ppm/℃。
國內市場上精密電阻其實很多,但魚龍混雜,如何分辨出那些電阻是優秀電阻因此值得考慮呢?
第十名:普通金屬膜
以前紅袍為多,現在一般為色環。精度一般1%-5%,溫度系數50ppm附近,老化都不給出,大部分能在0.1%每年之內。
這樣的電阻由于廠家眾多,成本很低,被廣泛使用。購買時,注意挑選大廠的,千萬不要用可靠性不高的或者是碳膜的。
其實,以前1%算精密電阻了,現在可以不算了。但為了比較,還是列了出來。
第九名:高精度金屬膜
國產型號RJJ,第一個J代表金屬膜,第二個J代表精密的意思。以前這樣的電阻大多是紅色的,而且體積較大(1W或2W),所以才稱之為大紅袍,精度可達0.1%。以下電阻,80代表生產年代(1980年),而0.1代表精度(0.1%)。
現在國產的RJJ,多為體積比較小的,也為0.1%,溫度系數大約20ppm之內。這樣的電阻稱呼為紅袍就可以了,因為體積一點也不大。
1M是這種RJJ能做的最大阻值
標識為1k B,其中B代表0.1%
國外品牌的我這里有Vitrohm,個人比較喜歡,也是0.1%。溫度系數實際為15ppm左右(最后黃圈代表《25ppm)。老化參數未知,但一般能在100ppm/a之內。
當然,最好的金屬膜也許是這種Vishay ptf65了,密封材料很厚、很硬,外皮光滑晶亮,防潮性能好,價格也比較貴(約8元/只)
體積小一些的是ptf56,與常見的“藍亮”電阻外形類似,但價格和性能都差了好幾倍。ptf56有0.01%的。
還有一種老國產的RJJ,居然是金封的!見于老的國產MF18萬用表中。
第八名:非密封線繞
國產很老的RXJ繞是用電阻絲在瓷骨架上繞制的,體積較大,后來為繞在電木片骨架上的小型。
非密封的線繞,電阻絲直接暴露在空氣中,盡管生產成本低,但容易受氣候影響。在國產的早期儀器和萬用表中常見。
以下電阻,也屬于非密封線繞。外圈是紙,起標識、美觀作用,不密封。這樣的電阻常見于老式儀器中
這里要補充一點,有關線繞電阻線,大多是用精密錳銅漆包線。錳銅線的電阻溫度系數很小,電阻率比較高,是比較理想的材料。以前有用康銅的,但康銅的熱電動勢很大,不適合用在精密的場合。現在還有一種叫做新康銅的,成本低、但也不很適合精密場合。
在很小阻值的情況下,有人提到是否可以用銅絲、漆包線、電線來替代?結論是不可以的,因為銅的電阻溫度系數非常大,達到4200ppm/C!因此銅電阻常用來測溫或補償。事實上,純金屬的電阻溫度系數都非常大,只有幾款電阻合金溫度系數才小,同時電阻率大,才適合做線繞電阻。
第七名:小型密封線繞
小型密封線繞常見用薄鋁外殼,兩端用環氧密封。國內的常見的型號為RXJX(老型號)和RX71(新),也有RX12立式的。電阻小,勢必在相同阻值下要采用細線,這樣耐受功率和特性都會受到一定的影響,但線繞畢竟是線繞,要強于金屬膜,更因為體積小,因此用途廣泛。
偏差一般是0.05%到0.5%。
即便都是RX71,體積也可能相差很大。RJ71有1W、0.5W、0.25W和0.125W之分。
這種立式的,占地面積小,適合較高密度封裝
第六名:環氧封裝線繞
環氧封裝線繞,圓柱外殼和端部一般采用玻璃絲環氧材料制作,再采用環氧膠進行密封。國內常見RX11(老型號)和RX70(新)精密電阻,功率有0.25W(常見)、0.5W(較常見)、1W(偶見)、2W、3W。這是國產最好的量產電阻了,最高能到0.01%(定做的可以到0.005%)老化沒有指標但一般能在25ppm/a典型值,溫度系數好的可以《15ppm/C。主要用途是各種高精密儀器。盡管上面那種立式的也是環氧封裝的,但體積太小性能不如,因此沒放到這里。
RX9-20是高阻線繞電阻,有0.5W、1W、2W三種規格,新型號是RX-78。以下電阻能在10M上做到0.02%,也是相當不容易了。但由于高阻的線非常細,要繞很多圈,因此生產成本高、廢品率高,大部分廠家不愿意伺候。
第五名:低溫飄環氧封線繞
常見有Fluke、MC和HP的,溫度系數一般《5ppm/C,大部分是1-3ppm/C,老化也不大,大約《25ppm/a。這樣的電阻必須用Evanohm線材才能做到低溫飄,經常能在國外的高精度的儀器中見到。
國內電阻盡管也有標1ppm附近的,但由于采用錳銅,曲線彎曲大,不能保證寬溫度范圍下的溫度系數。因此這個指標虛的成分很大。
比如錳銅的Beta溫度系數一律是-0.6ppm/C2,也就是說,當20度時溫度系數為0,那么21度時即為-0.6ppm/C,而22度就為-1.2ppm了。因此,標稱《1ppm/C的只能在很窄的溫度范圍才有效。
Fluke的這樣的電阻,溫度系數都是后來測試然后標在外殼上,N1就是-1ppm/C,P1.5就是+1.5ppm/C
英國MC是老牌高精密電阻的品牌,常見于老式高精度萬用表和精密儀器中,后改為VM品牌。這類電阻,盡管沒標溫度系數,但實測也是非常小,類似Fluke的:
HP和是老牌電阻生產廠,很久之前(60年代)就采用Evanohm線材。這幾個紅塑電阻,有40年了,仍然不超差,而且溫度系數也非常小:
這4個HP老電阻實測溫度系數為+1.2、+0.7、+0.8和-0.1ppm/C
第四名:塑封金屬箔
金屬箔也就是塊電阻,多以方型塊的方式出現因此得名,是新一代的優于線繞的電阻,代表廠家為威世(Vishay)。
溫度系數一般都在5ppm/C以下,老化保證《25ppm。
由于是采用Evanohm金屬箔、因此性能優異、噪音也非常低。用類似IC制作的光刻工藝和良好的封裝技術,使得分布電容、串聯電感等參數都很理想,其它特性也非常優秀。
國產的型號為RJ711,體積稍大,性能稍遜。
Vishay金屬箔電阻內部結構
第三名:金封線繞
與低溫飄環氧封線繞類似,但采用金屬+玻璃+可伐密封,這樣就完全杜絕了外界潮濕和氧化的影響,老化保證《10ppm。這樣的電阻曾經一度統治了高精度儀器,能在Fluke計量儀器里和7位半、8位半萬用表里經常看到。
另外,金封線繞由于成本高,一律都是低溫飄的,《5ppm/C。
金封線繞最顯著的特征,一個是外殼是金屬,絕緣是玻璃/陶瓷,另一個是引線處都有膨脹的焊接點。這是因為,引線是從預埋的可伐合金管里穿出來后焊接密封的。
同是Fluke金封,體積可能相差很大
MC、VM、HP、AdvTr、JRL的金封
當然,在所有這些金封中,我最喜歡的是從Fluke 752A里面拆出來的120k,每一個電阻有自己的編號,溫度系數非常小(《1ppm/C),老化很難觀察出來。我用這些電阻做了10k、100k和1M標準電阻。
其實,也有國產的金封線繞,老化應該不錯,能在高等級的電橋和電位差計里面見到。但是,也還是因為采用錳銅的原因,使得溫度系數不好。
第二名:金封金屬箔
金屬箔電阻本身性能良好,再加上金封,不僅能把溫漂做到1ppm/C之內,更能保證年老化《5ppm/a,這與很多標準電阻都可以媲美了。
這是一個大家族,Vishay自己就有很多種,一般均以VH開頭。例如這種VHP3,老化性能也是《5ppm/a
金封金屬箔也有不少別的廠家,比如美國的RCD公司,日本的AE、TDK,還有原法國的SFERNICE(現歸Vishay)的RCHK系列。
TDK的金封金屬箔,比Vishay的大
日本Alpha Electronics(簡稱AE)的
第一名:高穩金封金屬箔
這是威世最近幾年的新成果,比如典型的VHP202Z,能把溫漂做到0.1ppm/C之內,同時保證10年老化2ppm,即便加速折算下來,第一的老化也不超過0.7ppm,堪稱理想電阻。這樣的指標,目前只有Vishay一家能做到。
VHP202Z內部
當然,也有介于二者之間的,比如老一些的VHP101,老化指標保證10年2ppm,但溫度系數稍微遜色一些
總表