DIY 1GΩ 標準電阻

作者：lymex

為什么要1G電阻？
1G電阻可以說是正式的高阻了，在校準高阻計、兆歐表時為必需。
另外，1G電阻配合電壓基準，能生成標準的小電流，可以校準微電流計。
當然，如果1G電阻做得好，可以成為校準工作電阻的更高一級別的電阻。


1G電阻的困難
我們知道，小阻值的電阻用線繞或者金屬來做是最好的。但比較現實的金屬箔最大為100k，通過串聯也就是1M。線繞最大的也就是10M，經過串聯可以達到100M，但要做1G，就不太可能用這樣的材料了。

傳統1G電阻用真空電阻比較多。真空電阻由于不僅是密封，電阻材料周圍什么也沒有，因此其老化不受外界影響而僅僅取決于自己。但由于電阻率非常高，因此材料很難選擇，不可能用金屬了，一般是氧化膜、半導體，甚至有可能是有機物質。這樣的材料很難做好，溫漂、老化和電壓系數都比較大。
參考一個我的1G的國產標準電阻，BZ17：


內部是多個電阻串聯的，主要用于調整。最主要的電阻是1G真空電阻，但實際阻值不到1G，因此找了很多電阻來串聯湊成1G，不過起主導作用的還是這個1G電阻。

這個電阻性能如何呢？暫且不去測試，看看說明書是怎么說的


原來才是1%的！這個電阻的實際值為1.004G，溫度系數是-0.08%/C，也就是-800ppm/C，看來是碳膜的了，比較失望。


再看看國外的商品的電阻。Fluke 742A系列，最大才到19M，不行。
與這個系列性能類似的IET SRL，有1G的，標價2200美金，性能如下：

裁減表的時候，有意的保留了幾個作為比較。
其中，幾個參數的意義是
Adjustment Accuracy---調整偏差，也就是與標稱值最大可能的差別
Calibration Uncertainty---校準誤差，就是校準證書上的值和真值的最大偏差
Stability 12 months---每年的穩定度
Max Resistance Change from 23C---即當溫度變化正負5度時，電阻可能的最大變化

可以看出，10k的最好，年穩<4ppm，溫度窗口不大于1.5ppm
到了100M就差一些了，年穩<20ppm，溫度窗口實際上是5*10=50ppm。因此，這個仍然是線繞的。
到了1G就更差了，校準不確定度、穩定性、溫度特性都為100M的10倍關系。顯然是非線饒的，也說明1G電阻的困難。


看一下也許是目前最好的高阻：高聯/Guildline的9336


其中1G的溫度系數才不到6ppm/C，老化也是35ppm/年，這個很不錯了，甚至有人懷疑只有線繞電阻才能做出這個水平。
顯然，這里的DIY 1G是無能力趕上了，溫度系數能做到10ppm之內作為高阻抗不容易了，而年穩定性達到100ppm也不容易，作為DIY的目標吧

1G電阻的做法
現實中，做1G的好電阻的一種可行的辦法，是買100多個Dale RN55D的10M電阻串聯起來。
RN55D一般是藍色發亮的，簡稱藍亮。也有棕亮的。RN55D是Dale的軍規型號，后來讓Vishay收購后也叫CMF55D。這電阻屬于高可靠性金屬膜，外邊的環氧（？）比較厚、比較硬，因此潮濕等不容易入侵，老化和溫度系數都做的不錯。這樣的的電阻我已經買了100只


可以看到，偏差盡管是1%（字母F），但實測都不錯，尤其是溫度系數很小。

但是，10M的RN55D為非標的。上次的賣家是玉林的，后來在TB上找到了另外一個玉林的賣家，把他的10M統統包了下來，也不多，才500只。


那么為什么要用100只串聯這種方法呢？
1、串聯起來后，耐壓、功率尤其是阻值都成倍增加。我們根本就買不到1G的金屬膜，不串聯沒辦法。

2、串聯后，性能比串聯前不僅不差，而且要好
比如溫度系數，一個+20ppm的和一個-10ppm的同阻值電阻串聯后，總電阻的溫度系數不是+10ppm，而是+5ppm。同樣，上述4個電阻若串聯，溫度系數并非為相加的-17.5ppm，而是-4.4ppm。
總之，4個串聯大約可以提高性能1倍，9個3倍，100個10倍，這就是所謂統計規律。
如果仔細一點，還可以分別測試溫度系數進行篩選和匹配，這樣性能會更好。

3、串聯后，可以方便校準、溯源。
100個串聯后，即便用很苯的辦法，逐個測試100個10M，加起來就可以得到1G，畢竟測試10M要精確得多。
而實際上，，我們可以做出9個抽頭來，并聯成10M，直接測試這個10M就可以。根據Hamon原理，測試10M偏差多少個ppm，最后的1G就是偏差多少個ppm。

看一下1G電阻的內部結構圖
這是個帶有Hamon轉換的，正常使用時10個100M串聯成1G，校準的時候10個100M并聯成10M，這樣，10M的相對偏離就是1G的相對偏離，就能在10M的較低電阻的水平上得到更好的不確定度。

1G電阻的實際制作

要把100個電阻串聯起來，也不是一個很輕松的工作。曾經在某天睡覺前想到一個方法，這里的制作就是。

首先裁出兩塊特氟龍/Teflon/F4板（以下簡稱F4），標稱厚度1.0，但由于是模壓的，實際厚度有1.2mm。

用洞洞板做鉆孔模板，孔距是2.54mm，這個比電阻的直徑要小。這個電阻就是適合這樣密排安裝的。把兩片F4板放到一起，一面用洞洞板對齊、另一面用普通電路板夾緊

實測RN55D的引腳是0.62mm的，因此找出0.8mm的鉆頭，正合適

手持鉆孔。其實力量很小，注意垂直就可以。鉆到頭的時候再輕輕鉆半秒鐘，一邊徹底鉆透F4板

鉆好的孔，實際上長方向是14個孔，多余4個用于兩邊的接線，而寬的方向是12個，各留一個余量

這些電阻，用了90只10M，另有10只是9.76M的，這樣每組99.76M標稱值，就能在最壞的場合下保證小于100M，最后再串聯2M-3M的電阻進行補償


先把10個9.76M插入一個F4板，注意每邊留兩個空位

依次插入成10×10方陣。插入前一定要整理一下管腳，要求筆直，才好進行后續操作

開始插入另外一塊板，這個需要一些技巧，自己可以琢磨。我的方法是，插入不要太深也不要太淺，暫時插入后的，兩邊要彎曲形成阻擋，否則插好的會掉下來

這個是雙面完全插入后的

縮緊2板。這樣讓體積最小

焊接采用搭焊，這樣體積小而焊接方便。先從一邊開始，剪斷一排，留出2mm高的腳，折彎。避免先全部剪短，以防脫落。


全部整理完畢的樣子。超長的鏈接應剪斷，以防尖峰和過大體積


焊接。焊接前重新整理一遍壓接的部分，力求整齊。先焊接一面，然后再整理另一面再焊接



內殼采用以前買的空調節電器的那種小鋁盒子，外部尺寸小是45×40×18.5mm

制作的第二部分：裝外殼

1G屬于高阻，因此要充分考慮如下幾方面：

1、防潮，密封和加防潮劑

2、高絕緣，必須用F4接線和F4接線柱

3、耐壓，高阻有比較大的可能要高壓使用。
1G電阻在10kV下也才是0.1W，因此不用考慮功率和散熱問題。
內部電阻每組之間耐受300V不成問題，因此總體耐壓可以按照3kV設計

采用的材料和方法
1、外殼：防水鑄鋁外殼
2、導線：所有線均采用厚壁F4絕緣材料
3、校準開關。本電阻最大的特色，就是內部帶有校準轉換，其實也是一個Hamon電阻，這樣可以轉換成10M，在1/100阻值這樣的較低的電阻下進行校準，能夠得到更好的不確定度。
轉換開關采用手動拔插的方式，平時都在各自絕緣的架子中，校準的時候把10個抽頭重新拔插轉換，就轉換到10M狀態。由于10M和1G電阻的測試電壓都比較高（10V級別），因此對熱電動勢要求不高（10uV才是1ppm。.同時，10M電阻很大，一般的接觸電阻都可以忽略不計。
4、接線柱。F4

給看一下成品的外形圖

牛人，學習了

牛人，學習了，有點像是老大文章。

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