如何做标准电阻 DIY Standard Resistors



  • 为什么要自己做,自己能做好吗?
    自己做标准电阻的最重要的原因,就是商品的太贵。看看德国比较有名的Wekomm RS9010A-10k,价格可是3750欧元,接近3万元人民币:
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    这电阻的指标还是很高的,德文翻译一下:
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    尽管温度系数0.3ppm/K一般,但年稳可以1ppm,这在小型标准电阻里面很难得。

    可是,这个标准电阻内部有什么呢?
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    只有一只四线电阻(Vishay VHA518-10k)、一块PCB、几根引线。而外边或其它部分也就是外壳、接线柱还有贴纸、印刷。
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    至于自己是否能做好,要看什么是“好”,这个马上就有说明。不过,从上面解剖的例子也可以看出来,做个标准电阻并不难,无非就是买材料(阻芯、外壳、接线柱),做PCB、焊接组装而已。

    标准电阻的指标

    实物标准电阻可以大体分成两类:主基准和传递标准。
    主基准是自己用来保存欧姆量值的,而传递标准是用来与外部做对比、临时传递欧姆值用的。

    由于要保存量值,对主基准要求长期稳定性好。当然,为了测试方便性和准确性,其它指标比如温漂也要非常小。
    电阻传递标准,对稳定性要求不如主基准那样高,但也不能太低,否则传递时间一长还是会有显著变化。
    传递标准的使用场合各异,有些可能不具备恒温条件,因此传递标准最好有很小的温度系数。

    热电动势要小,尤其是阻值比较低的场合下,比如1欧,标准测试电压只有0.1V,那么0.1uV的影响就是1ppm了。

    传递标准的体积和重量小一些有优势,便于经常运输,自然也要求结构坚固。



  • 影响长期稳定性的原因

    长期稳定性好,就是阻值随时间变化小。那么,阻值为什么会变化?
    1、电阻材料的内应力会逐步释放
    生产制做过程中阻芯材料在拉制、压制、绕制的过程中难免有内应力,具体说有些局部受压力、有些受扩张力。最简单的例子就是导体弯曲的时候,外边会变长受拉伸力而内圈会变短受压缩力。

    由于材料的各种不理想(杂质、非完全弹性/蠕变),有应力的时候会逐渐发生屈服,即应力会逐渐变小。比如弯曲一段金属丝,只要在屈服强度之内,理论上撤掉外力可以完全恢复。但是,如果这种弯曲经历很长时间,那么撤掉外力后就不会100%恢复,有点像塑性变形。
    应力释放的时候,必然引起阻值变化。

    也许有人会说,金属的塑性变形不是非常小吗?那么应力释放引起的变化也会非常小。但不要忘记,对标准电阻的要求可是亚ppm级别的,我们长提ppm也许使得人们忘记了其本来的微小程度,百万分之一可是超乎任何常规改变的存在。

    2、电阻材料的外应力的变化
    常见能产生外应力的因素有两个:绝缘皮和支撑。
    线绕电阻的话,如果阻值较大,则线细线长,势必要重叠绕制,线间有物理接触,必须有绝缘皮;
    以前绝缘皮流行过纱丝,现在都用漆,基本上都是有机物质,即便没有外界的风吹日晒自己也会逐渐变化;
    漆皮是紧紧贴附在阻芯导电材料上的,对其有压力或脱离力,因此漆皮的变化必然导致力的变化,从而引起阻值的变化。

    类似,电阻材料必须有支撑,比如线绕电阻的骨架,这种支撑力如果比较大的话,其变化必然对电阻产生影响。
    线绕电阻如果绕制的时候张紧力过大,就会对电阻丝产生拉伸、增大阻值,因此骨架的变化会直接改变阻值。

    一个借鉴的例子,就是国产BZ3-1R
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    阻丝被半透明的绳子束缚,被漆粘住,而且绕线的时候是紧贴内壁。
    漆和绳子看来都是有机的东西,长期稳定性不好,束缚力会变化,导致电阻变化。
    紧密绕在内壁上也不是一个好做法,不仅有温漂受绑架之嫌,而且万一内壁发生形变,直接导致电阻变化。
    这种双臂结构的标准电阻有气压系数,主要原因就是其它对内壁产生作用,而内壁的变化引起阻丝变化。

    3、外界腐蚀
    氧气和潮湿(水汽、水分)被公认为两大杀手,尤其是二者结合起来的时候,会对金属材料产生氧化作用。
    漆皮不会对潮气和氧气有隔绝作用吗?作用非常有限,尤其是漆皮那个厚度、难免有瑕疵和微孔的场合下。
    像Evanohm这种材料不是不怕腐蚀吗?千万别小瞧了氧气+潮气的作用,国际千克原器怎么样,用了高纯度、强耐磨、超耐腐蚀的铂铱合金,表面镜面抛光,那么小心的防护(三层真空罩),最后还不是莫名其妙的少了50ug?

    4、其它
    比如振动、冲击,可能会使得阻芯排列方式改变或者压接头松动错位等。



  • 影响温漂(温度系数)的原因

    金属的温度-阻值曲线大体上是三次的,也就是说有两个极值点:M和N:
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    不过,即便对于同一批次的材料,热处理的方法不同,曲线的形状和极值点会有较大的差异。

    热处理的目标,是让第一极值点M尽可能接近工作温度,比如标准电阻23度,这样就能够使得alpha温漂为0。
    然而,热处理与其说是科学,在标准电阻材料上看更是一门艺术,获得低温漂的方法只掌握在少数几个厂家手中。

    国标JB/T 5328里对镍铬精密合金的指标,最高级的1级只有正负5ppm:
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    实际上记得以前有0级的,正负2ppm,可能因为根本达不到而取消。

    国际上老牌WILBUR公司生产的Evanohm阻丝的确见过个别产品的温漂低达1ppm的,但那只是在特定温度范围下,下面的在另一个温度范围下就是-4ppm
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    Fluke自己的确生产过不少温漂不到1ppm的电阻,但肯定要经过筛选和淘汰的。比如某Fluke 742A标准电阻,里面有两个阻芯的温漂低达0.1ppm
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    IEEE有一篇文章,专门讲澳大利亚的NML 1欧电阻的热处理
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  • 自己做阻芯如何取得低年飘

    General Radio是美国一家老牌公司,大概在60年代末开始生产GR1444A高规格标准电阻,与SR104是竞争产物,自然是参考了SR104。虽然这电阻没有像SR104那样流行起来,但人家公开了内部大体制作方法,具有参考价值,下面这段来自他们的产品目录
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    根据这段描述,梳理如下:
    1、阻丝采用Evanohm,这个电阻率高、长期稳定性好、温漂小、耐腐蚀,是当时也是现在做标准电阻的首选;
    2、线是裸的,没有漆皮,这样就免除了直接外部应力,也便于绕后退火;
    3、骨架为金属且热胀系数与阻丝一致,这也保证了外部施加力的恒定,对长期稳定性和小温漂都有好处;
    4、绕后高温热处理,应该就是退火,以便消除内应力;
    5、环境密封在不锈钢罐里,填充超干氮气。

    如果DIY标准电阻采用阻丝自己绕制,自然要参照上述方法。
    只不过,绕制后再热处理,这句话说的容易做起来很难。
    大多阻丝都有漆包皮,热处理不仅会损毁,而且可能留下脏污物。另外,热处理需要在绕制后进行,才能消除因绕制而导致的应力,这就要求骨架支撑物也一起经受高温。另外,热处理应该在无氧环境下进行,以免高温对阻丝氧化,这些都加大了热处理的难度,没有经验或没有专业设备的做起来会非常困难。

    如果DIY标准电阻采用成品阻芯,那么为了以后制作方便,一定要考虑金封的,即Hermetic密封的。否则,自己进行密封需要可伐玻璃件,处理自己焊接密封可能会出问题外,内部充油、充气是否能避免氧气和潮气也是非常重要的。

    如果采用非金封阻芯,而且后期自己也不做Hermetic密封,那就避免不了潮气慢慢入侵,通过漆包皮吸收引起阻值变化,并与氧气一起对绝缘物产生不可恢复的改变。

    购买阻芯的时候,选择合适厂家和型号,到货后进行类似PMO处理(加速老化),然后测试并挑选出阻值变化低的。
    也就是说,PMO之前和之后都需要测量阻值并做对比,如果变化大说明电阻不好需要淘汰,如果变化中等可以接受,会再次PMO。只有PMO后变化小的才作为制作标准电阻的原材料保留。

    PMO就是英文Post Manufacturing Operations的缩写,Vishay建议有三种常用方法:

    • Short time overload,短时间过载。这个感觉有风险不要轻易去试,Vishay根本没给出到底过载多少、经历多长时间,这种PMO简单、迅速,但万一出现阻值变化过大的情况就有永久性损伤的意思,甚至因过载损坏Vishay也不会理会。
    • Accelerated load life,加速负载。应该就是加到额定功率并保持一段时间,这个没有风险,时间长一些也没关系,比如几周、几个月。
    • Temperature cycling,温度循环。到底什么温度范围循环Vishay没有说,但从指标上看,Vishay 的HS系列和HZ系列-55度到125度没有问题。


  • 自己做阻芯如何取得低温飘

    1、绕制的时候,选择低温漂的电阻丝线。
    这一点都会注意,只不过买来的低温漂电阻丝可能不符合,绕制后温漂也会变化。

    2、绕制后,再做热处理。
    因为绕制过程可能会改变温漂。

    3、除了自己绕制外,另一种办法就是直接购买/获取成品阻芯。选择合适厂家和型号使得温漂达到基本要求,到货后进行PMO处理后可能会改变温漂,然后测试并挑选出温漂低的或者温漂合适的。

    4、标准电阻设计成由多个阻芯单元组成,比如至少2个、一般4个,通过配对来降低温漂;

    5、最后,制作完的电阻温漂仍然不达标,可以通过补偿进行。
    这一点,好像还没见过厂家这样做,业余DIY应该勇于尝试。



  • 如何从外部判断电阻制作工艺的好坏

    电阻制作完成后,经过初始的稳定期后,其特性就基本上固定了下来。这些特性中,有的会直接反映出制作水平的高低。

    1、Alpha温度系数。
    好的标准电阻,alpha系数不大。当然,这个系数难于控制,值比较大可能是选材的原因,也可能是热处理不佳。
    要求高的空气标准电阻,比如esi SR104、Fluke 742A、IET SRL、AE USR,alpha不大于0.1ppm/K。
    第二档次的,alpha温漂在0.1ppm/K到1ppm/K之间,比如IET SRX、AE ASR、MI 9331、Wekomm RS9010A。

    2、Beta温度系数
    对于锰铜,Bata典型值都在-0.55附近,单位是ppm/C2(下同),而Evanohm为-0.028。
    对大量电阻的统计分析可以得到,Beta是不随热处理而变的,偏离典型值的唯一解释就是外部应力束缚。
    SR104制作精良,其beta距离-0.028的离散程度很小。
    而Fluke 742A的制作(主要指绕制)就不是太好,beta离散程度大一些。
    金属箔电阻也是镍铬基材料,按理说其beta也应该在-0.028附近,而实际上的beta都比较小,甚至在=-0.01之内,这也是因为导电材料被瓷基束缚的原因。而beta能一致性的取得这么低值无疑是有好处的,这种束缚实际上是一种补偿措施。

    2、老化大小和方向
    没有任何约束力、完全放松(无内应力)的阻芯,其老化方向是正的,也就是说,电阻会一直增大。
    这里的本质原因,就是独立系统的次序是有变混乱的趋势,晶格间距有变大的趋势,类似真空中的气体会扩散一样,金属原子的结晶也有变混乱的趋势,这样就增大了电子流动的阻力,造成电阻增加。这种情况与独立系统的熵会一直变大的道理是一样的。

    一个制作精良的电阻,阻值也会一直在增大,只不过每年增大的很小,比如我统计过十几个SR104的,平均年变化+0.083ppm,而离散(标准差)只有0.04ppm/a。
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    那么,有个电阻的阻值随时间会逐年减少,这是什么鬼?
    很简单,电阻体不独立,受外部影响。比如绕制太紧,造成电阻的阻丝在开始的时候被拉长、被拉细,但这种束缚力因为老化问题会逐年变小,被拉长拉细的阻丝逐年恢复,才造成电阻值逐渐变小的反常现象。
    因此,碰到这种电阻最好淘汰,否则以后电阻每年的变小量会逐渐降低,形成非线性,而且有可能会突变。



  • 有关有效成分体量大小

    以前老式双壁标准电阻,比如托马斯1欧、国产BZ3,体积都不小。现代的采用Evanohm制作的1欧,比如MI 9210A、NML-1R,体积仍然很大。

    著名的esi空气电阻SR104,体积更是夸张,即便去掉外壳和绝热,里面的不锈钢芯也很大、很重。

    体量大是有原因的:
    体量大,散热好、承受功率大,相同功率下温升小
    体量大,各参数均匀分布或平均,有统计效果,老化和温漂会趋于典型值
    体量大,对小瑕疵不敏感,有平均作用
    体量大,抗外界不利因素强,比如腐蚀、宇宙射线
    大体量一般通过串并联来实现,包括内部串并联
    大体量的问题,就是因素之一出现较大问题整体就有问题。这就需要在制作初期多做极限测试并严格帅选



  • 有关金属箔电阻

    金属箔电阻也叫块金属电阻,是用特殊的胶把镍铬基导电膜(foil)粘贴在瓷基板上,光刻出导电路径形成电阻。

    从大体封装形式上看,金属箔电阻分成两类:金封和非金封。

    所谓非金封,大部分是模压塑封,箔部分尽管说有聚合物防潮层和防压硅胶,但只是减轻,不能完全避免
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    所谓金封,是指Hermetic密封,一般是金属+玻璃+可伐,密封后不受外界影响,也包括陶瓷封装。这种封装可以说几乎完全隔绝了外界不利因素,包括潮气和氧气,内部充油以便散热,箔部分是悬浮在油中,没有硬性物直接接触,保证金属箔部分相对独立。

    这种Hermetic封装是严肃的DIY者首选,因此下面的讨论均基于此类电阻。

    电阻分三类,一类是传统的VHS,包括VHP202和常见的VHA518-7,具有最大2.5ppm(阻值不小于80欧)的温漂,10年货架漂移2ppm,以下是Vishay的几个例子,红数字是我加的序号:
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    其中2号很像是一个1欧标准电阻用途,1.005欧标称值可以通过并联一个200欧左右的电阻调节到正好1欧,参考温度23度,温度范围18到28,与标准电阻使用环境相符。

    4号就是TEGAM为新SR104定做的阻芯了,10个串联再串一个5欧多的调整电阻正好就是10k,而10个最大0.5ppm温漂的电阻通过组合产生0.1ppm以下温漂的电阻也不是难事,网上确实有人发了新SR104的内部图,每个阻芯就是999R475:
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    其实,TEGAM除了有SR104,还有指标类似的SR103和SR102,而这套电阻完全可以用于后两者:10个电阻并联就是100欧,9个电阻混联(3串3并)就是1k,调整电阻串联在某一个电阻上就行,阻值仍然是5欧多点。

    5号这个,9.9M:100k,就是100:1分压,估计是某8.5位万元表用。

    第二类,比较新哦VHZ,也就是Zero Foil,0温漂金属箔,包括常见的VHP202Z和见于用与标准电阻阻芯的VHA518-7Z,具有典型0.2ppm、最大2ppm(阻值不小于100欧)的温漂,6年货架漂移2ppm。其实这些指标与VHS是差不多的,Z-foil对传统的foil改进不大。
    以下是Vishay的几个例子,蓝色数字是我加的序号:
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    其中1号是一组10只1欧,做哈蒙用?
    2号应该是做标准电阻,用户像Wekomm这种,参数很符合。
    3号是电阻对,这个是在想不出有什么用途,也许是一个外壳里面封装两个标准电阻?
    4号仍然是TEGAM的SR104用途了,指标与VHS的一样。

    第三类,VHP101
    这是Vishay比较早期的,2007年就有数据表,也是当时最好的,现在仍然在生产,而且指标也比现在的VHZ好。
    窗口温漂(15度到45度)不大于10ppm,平均下来每度不超过0.3ppm,而VHZ的每度不超过2.0ppm。
    货架寿命10年不大于2ppm,后来2010年改为6年不大于2ppm。
    3458A里面用了这个VHP101,40k。

    金封金属箔用做标准电阻也很早、很多,比如Vishay自己的标准电阻,比如AE的USR和ASR系列,比如Transmille的3000,自然还有Wekomm。与传统线绕电阻相比,用金封金属箔电阻做阻芯会免除繁杂的阻丝筛选、绕制、退火尤其是最后密封工艺,而且金属箔电阻是全自动生产线,其可靠性、稳定性和性能参数的一致性有保证,看来将来金封金属箔会成为空气型标准电阻的主力阻芯。我自己用4只VHP101做的标准电阻已经有9年,实测变化总计不超过1ppm,温漂也非常小(比SR104好不少)。

    用金封金属箔做标准电阻的阻芯,有两个担心,一个是阻芯体量太小,有效导体部分更小,因此怕不具备传统大体量电阻的优势。现在看起来,这种担心是多余的,更小体量的东西比如CPU、闪存、MEMS比比皆是,人家的可靠性、稳定性都很好,因此我们也没有必要担心体量更大的金属箔电阻。

    另一个担心就是金属箔电阻的阻值变化有增大的趋势,即Vishay自己描述的曲线上翘:
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    这一点是很不利的,意味着老化的速度会随时间增大,今天0.5ppm,明年0.7ppm,猴年可能1ppm了。
    这种特性,猜测与粘胶有关:
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    金属箔电阻的结构,是箔和瓷基之间是粘合的,互相之间有应力,抵消温漂。
    既然是粘接,就存在粘的牢不牢、胶是否会老化、是否会因为温度反复变化引起的变化的应力使得胶疲劳问题。



  • 有关金封线绕

    金封线绕曾经是标准电阻的主力,传统的很多标准电阻都是以此为芯,比如Fluke 742A、IET SRX、Advantest。

    实际上,只要讲究一些的标准电阻内部都用环境密封的(Hermetic),而环境密封的电阻除了上述的自己密封、金封金属箔外,就是金封线绕了。

    金封线绕一般采用黄铜柱形外壳,两边瓷/玻璃绝缘片,外圈焊接到圆柱上,而瓷片中心配以可伐管,管子中心穿过紫铜丝,间隙焊接。

    此种结构工艺复杂、成本高,因此能被封住里面的都是好电阻,一般是Evanohm线绕,温漂都比较小。

    生产金封线绕的厂家和牌号很多,除了最常见的Fluke外,还有爱德万,HP,JRL,英国的VM和MC。只不过,这些厂家目前几乎不再生产,能够见到的金封线绕大多都是二手、拆机、积压品。

    同其它电阻一样,金封线绕也是两头阻值难做。见过最小阻值的是JRL的1欧,0.005%、2.5ppm/K温漂,已经很难得
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    另一头,最大阻值的是HP 3455A万用表里面的10M 0.01%,这是有源100:1分压用的,电阻上标明Matched,是说与那个100k电阻配对,估计是阻值保持很精确的100:1,而且温漂类似。
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    至于Fluke 5450A里面的那个金封81M,里面不是线绕,而是瓷片电阻。
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    至于这种电阻的性能,因厂家而异,尤其是因阻值而异。
    对于Fluke的,中间阻值的年稳定度在5ppm附近,温漂有很多可以在1ppm/K之内。

    由于这类电阻有被淘汰的趋势,因此用此类电阻做标准电阻的阻芯要慎重,只适合玩、试验、交流,不适合做产品。



  • 有关密封和内壳。。



  • 有关内部结构。。。



  • 有关外壳和接线柱



  • 标准电阻的测量

    标准电阻在制作之前、之中、之后都需要做测试。
    按照时间次序,测量的内容可能包括:
    组装前测量,主要是材料或者阻芯,测量的目的是筛选和匹配;
    组装过程中测量,主要是测试组装过程中的变化因素,包括补偿结果,是否达到要求,不满意的需要调整;
    组装完成后的测量;
    外部测量,比如给别人对比、拿到计量单位标定。

    以上测量的内容主要包括 阻值的偏离和温漂。

    如果DIY的电阻经历了一段时间,比如外出周游后、一年后、N年后,要测量阻值的变化。

    如果经历了多年,还要测试温度系数,看是否有变。



  • 参考资料。。。。。



  • @lymex
    老大强帖,占位留名!



  • Hi Lymex, very nice summary.
    I got my SR104 calibrated against Taiwan's National QHR last month, so you can update your drift table:
    Cal report copy.
    Transfer = QHR => Tinsley 1Kohm in oil bath => my SR104 same day in MI air bath. Transfers done by MI 6010D bridge.
    This is already with new SI 2019 constants, so data corrected for -17.793 ppb shift of SI Ohm.



  • @TiN
    Thanks very much for the info, here is the update.
    However, I cannot find the specific calibration condition (voltage or current) in the report.
    Also, the ambient temperature of ±1.5 degree C is on the loose end.
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  • It was standard 100 uA. I'll have article about SI calibration soon, still working on it and testing my new toy, D1281 transfers.
    I did also calibration of 732B vs PJVS (U = 0.02 ppm).

    MM (who has xDevs 460038) SR104 got another SR104, so we will give you numbers from those too. He got them calibrated by PI USA too.



  • We've noticed that the price of NML calibration is very reasonable, and the uncertainty is very good. The 732B in general are not very stable references though (compare to SR104) therefore the calibration to 0.02ppm will be void in a short time.



  • For me it was more interesting to see PJVS system and talk with metrology lab at National Level. I'll probably have my special SL935 1Ohm/10kOhm calibrated next (already have 2 calibration from USA last year on it).