方法二,负温度系数热敏电阻(NTC)补偿
常见的电阻材料的β都是负的,即电阻温度曲线是凸起形状的,而负温度系数电阻(NTC)的形状是凹陷的,因此可以认为β为正,而且β比较大,其非线性已经有办法补偿,因此,通过一定的设计和计算,可以同时补偿一定范围内的α和β。通过实验,仍然采取了下面的补偿网络,通过选取不同的NTC和两个附加电阻,达到了同时补偿α和β的目的:
这尽管是一个例子,但这种补偿方式可以适用范围很宽。热敏电阻首先并联一个电阻,控制在低温时电阻增大过快。然后串联一个较大的电阻,达到控制补偿量的目的,最后并联在被补偿电阻上。未补偿电阻的曲线是典型的抛物线,α23=+4ppm,β=-0.1ppm/C2
复合补偿电阻(含有NTC和并联、串联电阻)则形状相反
这样,并联后不仅补偿了α,而且补偿了β,在18度到28度的范围内,曲线几乎平直:
从下表可以看出(黄色行),补偿前窗口42ppm(即温度从18度到28度变化时,电阻最大变化42ppm),而补偿后窗口只有0.08ppm了!这好于绝大多说商品电阻,甚至好于SR104,一般SR104温度从18度变到28度,要改变1ppm左右。当然,这是理论计算值,表明NTC有很好的补偿能力。
同样是对100欧电阻进行补偿,但可以选择不同的NTC,阻值从100欧到10k都可以。
可以补偿不同的温度系数,当然有个限度,要求最大β不超过-0.24ppm/C2,而能够补偿的α23与β有关,不能补偿β较大但α23较小的,即不能有曲线下降段,那样温度系数为负了,而NTC只能补偿温度系数为正的。
这个补偿对附加电阻的依赖性如何?即补偿电阻的老化会在多大程度上影响稳定性的?还是以上述黄色行为例,影响最大的是那个38.3k的电阻,变动400ppm将对结果有1ppm的误差。其实这已经是很宽松了,找到几十ppm/a的电阻还是容易,这样就可以把影响限制在0.1ppm/a左右。其它的电阻就影响更小了,例如热敏电阻的影响倍弱化了16000倍。
整体电路
根据测试,把NTC能够补偿的范围,连同几种类型标准电阻的温度系数分布,做成下图:
可以看出,BZ3这种锰铜的温度系数比较大,粗略看是其他Evanohm的10倍。同时,绝大多数锰铜电阻也不能通过NTC来补偿。Evanohm的电阻大多集中在0附近,放大后可以看得更清楚。其中VHP101表现还是不错的,但SR104和Fluke742这样的商品电阻,采用了多个元素进行匹配,因此温度系数要小不少。不过,β仍然比较大,这是因为只匹配但没有补偿的原因,造成在18度到28度的温度改变后,仍然有1ppm到2ppm的电阻变化。如果用NTC进行补偿,那么理论上就可以同时把α和β同时补偿到非常小,如下图红色所示:
由于NTC补偿范围有限,原因是NTC是负温度系数的,不能补偿接近零温度系数点,更不能补偿有下降段的电阻,也就是要求在18度到28度的范围内,任意一点的温度系数都是>0的。因此,对于不符合这种要求的电阻,必须先串联一个正温度系数的铜电阻Rp,让整体变为正温度系数,才能补偿,这就是扩展补偿了。
最后,一般来讲,由于并联了电阻,整体阻值要变小,不符合阻值偏差的要求,因此,还需要串联一个电阻进行最后阻值调整,这一小电阻必须应具备温度系数小、老化小、热电动势小的特点,但由于阻值比较小,弱化倍数大,容易满足,通常用一段电阻丝绕制即可。顶级的10k标准电阻SR104,也是这样做的。
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