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DIY标准电阻之温度系数补偿

时间:2012-10-12  来源:38hot  作者:lymex

Fluke 752A参考分压器,一个盒子里用了10只电阻串联


3、补偿法
补偿法,就是利用温度系数很大但阻值权重相应很小的反向温度特性的电阻,利用串联或并联方法,达到接近零温度系数的目的。
由于阻值和温度系数不对称,因此少见有商品的基准采用此方法,但由于取材容易、成本低、效果还可以,尽管需要手工计算和操作,但很适合DIY。
作为一个通用规则,我们有:
串联补偿:电阻温度系数×阻值+补偿温度系数×补偿阻值 = 0
并联补偿:电阻温度系数×补偿阻值+补偿温度系数×阻值 = 0


另外,另外一个原则是:1个电阻没有补偿,2个电阻补偿一个参数,4个电阻补偿两个参数。
第三个原则,补偿不会是很理想的,能把温度系数补偿到原来的1/10就很不错了,参见“匹配的10%法则”:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=209 第四个原则,就是只补偿温度系数,不影响其它的指标,尤其是不影响长期稳定性。为了达到这个目的,需要补偿电阻占总阻值的权重尽量小。也就是说,补偿电阻变化了一个值,对总阻值变化的贡献尽可能小,这样才能在补偿电阻老化的时候,对整体影响小。同时,这也要求补偿电阻的温度系数尽可能的大。

上面说了,补偿分串联补偿和并联补偿,当然,还有个混联补偿,下面会提到。
当被补偿电阻比较大的时候,一般采用串联方式,这样电阻取值小、容易得到。但当被补偿电阻比较小的时候,此时再串联,那么势必需要小得多的补偿电阻,很难得到,而且由于引线、焊接、接触电阻等原因,也不利于串联,此时要采取并联的方式。
三、多电阻匹配法补偿
这个比较简单,因此这里只给出一些结论和一些常规建议。
1、所有匹配的电阻阻值相等
2、可以采用串联、并联、混联的方式,但权重一般是一样的。即任何电阻的微小变化,对总阻值变化的贡献相同,为1/N,N=电阻总数。
3、所有N个电阻的α温度系数的代数和(设为S),零为理想,应尽量选择接近零。
4、最终电阻的温度系数,为S/N。
例如两个电阻串联,一个温度系数+4ppm/K,另一个是-5ppm/K,则S=-1ppm/K,总计温度系数=-0.5ppm/K。
5、在N个电阻阻值不一样,或者串并联权重不一样的场合,设w1、w2、、wn为N个电阻的权重(权重总和为1),α1、α2、、αn为N个电阻的温度系数,那么最终阻值=Σwiαi,即Σ(wi)*(αi),也就是w1*α1 + w2*α2 + ... + wn*αn
如何求出各电阻的权重,需要用到偏微分,比较复杂。我们可以用简便的办法:在Excel里用串并联公式把电阻网络模型话,然后分别改变N个电阻(阻值+1欧),看总阻值变化多少欧,就是对应权重,最后都要乘上一个系数,让合计为1。

多电阻匹配补偿,适合大规模应用。例如生产或购买到一批同阻值的电阻,然后分别测试温度系数,就可以选出所需要的很多大小相等、方向相反的电阻对来。

至于在设计的时候,什么时候用串联、什么时候用并联,我比较赞成Fluke 5450A的做法,即小阻值的并联、大阻值的串联。


从这个局部电路图可以看到,需要的阻值在1k以下,采用并联得到;需要的阻值在8k以上,用串联方法。原因很简单:电阻芯的制作,在几k的场合小最好。电阻小了,线比较粗,内应力大,因此温度系数难做好。类似,阻值太大了的话,线太细,外应力变得很大,温度系数也难于做好。
因此,不容易理解的是,Fluke 742A用了4个进40k的电阻并联得到10k,要是我会用4个2.5k的来取得,像720A那样:


当然,Datron 4902S里用了两个20k并联而没用两个5k串联,主要是等电位屏蔽方便。
我自己的一个偏离这个原则的例子:用12这120k电阻并联做10k标准电阻。这也是没办法,谁让Fluke 752A里面拆下来的电阻那么多、那么优秀呢。

5440B里面也大量采用这种匹配方法,例如低压分压下电阻采用了4个18k并联,另外还有两个99k并联、两个1k并联,4个1.6M串联


4个18k、2个99k、2个1k


四、α补偿方法
在要求不是极端的场合,采用Evanohm这类材料做电阻芯,β温度系数已经是非常小了,可以不考虑补偿,因此,只考虑补偿α温度系数也足够了。要知道,顶级的标准电阻例如SR104,其β温度系数都没有进行任何补偿,都在-0.028ppm/C2附近。

下面举个简单的例子来考察一下常见的串联补偿方法。一个500欧的电阻芯,具有-4ppm/K的温度系数,也就是说,温度每增加一度,电阻变小500*4ppm=0.002欧。我们知道,铜的电阻温度系数为正,而且温度系数比较大达到4200ppm/K,是这个被补偿电阻的1000倍,因此,选择一段电阻为0.48欧(=0.002/4200ppm)的漆包线,就可以达到温度增高一度,电阻变大0.002欧的目的,与原来的500欧串联起来,就达到了完全补偿,整体电阻温度系数为零。

串联后电阻变成了500.48欧,就不是原来要求的500欧了。这也没关系,再并联一个526k的电阻就可以了。

Q&A1、这个串联的漆包线,不会影响整体稳定性吗?一般不会。一方面,漆包线的电阻很稳定,因为本身的线比较粗(与线绕电阻的线比较),更主要的是,电阻权重非常小,例如上述的补偿,漆包线的权重只有1/1000,也就是说任何相对变化都被弱化了1000倍。

Q&A2、后并联的电阻不会影响整体的温度系数吗?一般不会,选择稍微好一些的金属膜电阻,温度系数不超过50ppm/K,这样对整体的影响就在0.1ppm/K之内,因为这500k电阻的权重小(1/1000)。 同样原因,这电阻的老化对整体的影响也是1/1000,变化了100ppm对整体的影响也就是0.1ppm。

Q&A3、这个526k的电阻如何去找呢?很简单,499k的再串联一个27k的就可以了,或者510k的再串联15k,而且可以通过调节这个小串联电阻(27k或15k)来对阻值进行微调。

以上计算,可以用Excel进行,方便而直观。


从这个例子可以看出:
1、负温度系数的电阻,可以用正温度系数的漆包线来补偿。另外,计算的过程要看权重,只要权重小,影响就相应减少。由于漆包线的温度系数是要补偿电阻的温度系数的1000倍,因此其阻值权重就为1/1000,影响也成为1/1000。
2、漆包线的选择,不应该太细,否则稳定性可能受一定影响,线也太短不容易确定阻值,也不好焊接。当然,也不要选择过粗,这样体积会比较大。一般,选择直径0.15mm到0.3mm的为最佳。
4、电阻结构,最好是三个电阻串联:一个主电阻、一个α补偿电阻、一个阻值不足电阻。从上述例子可以看出,对500欧电阻的并联修正,都需要比较大阻值的电阻了,如果对于更高阻值的标准,势必采用更大阻值的,而阻值大于1M,就很难找到好电阻,因此,阻值补偿应该以串联为主,而不是并联
3、最后,电阻芯阻值的选择,应该取比标准值小的。例如需要10k的电阻,预定9k998甚至9k997的比较合适,留出2欧到3欧做串联补偿用。 计算公式:
电阻串联R=R1+R2
电阻并联R=1/(1/R1+1/R2)
串联电阻温度系数α=(R1*α1+R2*α2)/(R1+R2)
并联电阻温度系数α=(R1*α2+R2*α1)/(R1+R2)

那么,对于温度系数为正的电阻,又如何补偿呢?
金属的温度系数都是正的,因此不能用金属来补偿了。也不能用PN结来补偿,那是电压不是电阻。
温度系数为负的常见电阻,那就是负温度系数电阻了,也叫NTC电阻(Negative Temperature Coefficient)进行补偿了。可是,NTC具有指数特性,低温时温度电阻随温度变化很大,而高温下就小很多,非线性很厉害,不适合直接做补偿。但假若在NTC上并联一个电阻,这样在低温下尽管阻值增大快,但此时起主要作用的是并联电阻,这样就大大抑制了低稳端的非线性。同样,高温下NTC阻值变小,并联的电阻影响小,也提高了线性。



如图,深蓝色细线为指数型的NTC曲线,非线性很明显。粉色线就是并联了一个200欧以后的合成电阻,特性好多了,在15度到35度的常用温度范围下,已经看起来很线性了。绿色为对比直线。事实上,如果能把温度限制在几度之内,线性程度会大大提高。由于温度系数补偿本身也不会是很理想,这点非线性就可以被忽略了。此时,在23度时,相当于一个100欧、每度-1.84%温度系数的电阻,也就是每度变化-1.84欧。
假如把NTC的23度阻值从200欧降低到2欧,那么可以同样得到类似结果:在23度时,相当于一个1欧、每度-1.84%温度系数的电阻,也就是每度变化-0.0184欧。

因此,我们就可以根据该数据作出计算,例如某电阻需要每度-1欧的补偿,就需要108.7欧的电阻并联上一个23度阻值也为108.7欧的补偿电阻。
热敏电阻阻值=并联电阻阻值=被补偿电阻×被补偿电阻温度系数×108.7

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