CN101281809A

CN101281809A - 高值电阻、基于该高值电阻的分压器

Info

Publication number: CN101281809A
Application number: CNA2008101126533A
Authority: CN
Inventors: 桑琳; 王斌; 严明; 屠治国
Original assignee: No514 Inst No5 Academy Chinese Space Science-Technology Group
Current assignee: Beijing Space River Science And Technology Development Co Ltd
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: CN101281809B

Abstract

为了解决现有技术中高值电阻和其屏蔽层之间仍然存在泄漏电流的问题，本发明提供了一种实现完全等电位屏蔽的高值电阻及基于该高值电阻的分压器。高值电阻，包括电阻器及围绕电阻器由内向外依次设置的绝缘层和屏蔽层，在所述电阻器的两端和屏蔽层的两端分别施加相同的电压。采用本发明的技术方案，高值电阻上的压降与屏蔽层上的压降相等，因此两者之间不存在泄漏电流，解决了现有技术中存在的问题。若干高值电阻连接可以组成不同比例的分压器。

Description

高值电阻、基于该高值电阻的分压器

技术领域

本发明涉及一种电阻，特别是一种高阻值的电阻。

背景技术

高值电阻受湿度、电磁等环境因素影响大，即环境因素使在工作状态的高值电阻的阻值发生大幅度的波动，这种波动的幅度与电阻的阻值成正比。因此，消除环境因素对高值电阻的影响是高值电阻应用必须要解决的问题。

为了消除潮湿、电磁对高值电阻的影响，常采用在高值电阻的外围设置屏蔽层的技术方案。但简单设置屏蔽层的方案存在以下问题：由于屏蔽层与电阻间存在电位差，因此仍然存在对高值电阻阻值产生影响的因素。为了解决这一问题，目前已有减少屏蔽层与电阻间电位差的技术方案。如图1所示的等电位屏蔽分压器即是一种解决该问题的技术方案，将电阻元件用金属外壳屏蔽起来，屏蔽层10的电位由辅助分压器13来供给。电阻12和屏蔽层10之间最大电位差为电阻上压降的一半，所以电阻12和屏蔽层10之间的电压比电阻12直接对地或对电源的电压减小，而且由于电阻12高端和低端对屏蔽层10的电压极性相反，泄漏电流11可以相互抵消一大部分。电阻12的表面泄漏电流11明显减小，绝缘端子和电路板的泄漏电阻对分压性能的影响明显减小。节点屏蔽上的漏电由辅助分压器13提供而与电阻12本体基本无关。这种方案由于电阻与屏蔽层之间的泄漏电阻并非线性，也非均匀分布，因此屏蔽层和电阻之间的泄漏电流仍然存在。

发明内容

为了解决现有技术中高值电阻和其屏蔽层之间仍然存在泄漏电流的问题，本发明提供了一种实现完全等电位屏蔽的高值电阻。本发明的另一目的是提供

基于本发明的高值电阻构建的分压器。

本发明的技术方案如下：

高值电阻，包括电阻器及围绕电阻器由内向外依次设置的绝缘层和屏蔽层，在所述电阻器的两端和屏蔽层的两端分别施加相同的电压。

所述屏蔽层为电阻膜。

所述绝缘层为电阻器外表面涂敷的绝缘材料层和/或包围电阻器设置的密闭玻璃容器，所述玻璃容器内部为真空状态；所述屏蔽层设置于玻璃容器外表面。

所述屏蔽层环绕设置于绝缘材料层或玻璃容器侧向外表面，其轴向长度与电阻的轴向长度相等。

所述设置了绝缘层和屏蔽层的电阻器设置于屏蔽壳体内。

所述屏蔽壳体材质为纯铁。

在所述屏蔽壳体上设置有连接器，所述连接器包括将屏蔽层与电阻器与屏蔽壳体外电连通的通路；所述连接器数量至少为2。

所述通路为一中心导体和管状导体组成的同轴电路。

采用上述高值电阻作为分压器。

本发明的技术效果：

采用本发明的技术方案，高值电阻上的压降与屏蔽层上的压降相等，因此两者之间不存在泄漏电流，解决了现有技术中存在的问题。

包围高值电阻设置的屏蔽壳可以降低环境电磁对电阻的影响，采用纯铁材质制作屏蔽壳利用了纯铁导磁性好且没有剩磁的特点，可以进一步降低环境电磁对电阻的影响。

在屏蔽壳上设置的连接器可以使若干高值电阻连接组成不同比例的分压器，同时通过连接器连接到电路中。

附图说明

图1为现有等电位屏蔽分压器原理图；

图2为本发明高值电阻一个实施例的结构原理图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明高值电阻另一个实施例的结构原理图；

图5为两个图4所示高值电阻作为分压器在电路中应用的原理图；

图6为本发明高值电阻等效电路图；

图7为分析高值电阻上任意点泄漏情况的电路图；

图8为图5的等效电路图；

图9为本发明高值电阻抗外界电磁干扰的原理图。

图中标记列示如下：

10、屏蔽层；11、泄漏电流；12、电阻；13、辅助分压器；20、电阻器；21、玻璃管；22、屏蔽层；23、高值电阻高端引脚；24、屏蔽层高端引脚；25、屏蔽层低端引脚；26、高值电阻低端引脚；40、屏蔽壳；41、连接器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，并从理论上对本发明的技术效果进行论证与说明。

图2显示了本发明高值电阻的一个实施例的结构原理。电阻器20设置于作为绝缘层的玻璃管21内，玻璃管21内被抽成真空状态，电阻器20被涂敷上绝缘材料。屏蔽层22包覆在玻璃管21外表面，屏蔽层22的材质为电阻膜。优选的方案是屏蔽层22设置在玻璃管21侧向外表面上，且沿柱状电阻器20的长轴方向，屏蔽层22的长度与电阻器20的长度相等，这种方案使得电阻器的泄漏最小。高值电阻高端引脚23和高值电阻低端引脚26设置在电阻器20的两端，在高值电阻高端引脚23和高值电阻低端引脚26上施加电压(称为电阻电压)；屏蔽层高端引脚24和屏蔽层低端引脚25分别设置于屏蔽层22的两端，在屏蔽层高端引脚24和屏蔽层低端引脚25上施加电压(称为屏蔽层电压)，电阻电压和屏蔽层电压相等，即电阻电压和屏蔽层电压的大小、方向均相等。图3为图2的俯视图，更清晰地表明了电阻器20、玻璃管21、屏蔽层22之间的位置关系。

图4显示了本发明高值电阻的另一个实施例的结构原理。围绕图2和图3所示高值电阻设置了屏蔽壳40，可以进一步消除环境因素对高值电阻的影响。屏蔽壳40完全包覆前述高值电阻，仅在壳体上设置3个连接器41，连接器41分别与高值电阻的两个引脚和屏蔽层的两个引脚电连接，使高值电阻可以连接于电路中。在本实施例中，屏蔽壳40的材质为纯铁，充分利用了纯铁导磁性好且没有剩磁的特点，可以进一步降低环境电磁对电阻的影响。

连接器41上设置有两个电连接通路，其一连接电阻器20一端，另一个电连接通路连接同一侧的屏蔽层10一端，即两个电连接通路分别连接高值电阻高端引脚23和屏蔽层高端引脚24(简称高端)或分别连接屏蔽层低端引脚25高值电阻低端引脚26(简称低端)。一个所述电连接通路为连接器41中心轴上设置的导体，另一个电连接通路为与前一个电连接通路同轴设置的导体管，两者构成同轴电路。

图2和图4所示的本发明的高值电阻均可以应用于电路中作为分压器。图5显示了图4所示实施例应用于电路中作为分压器的情况，通过连接器41将两个高值电阻串联于电路中，每个高值电阻都有一个连接器作为输出，作为输出的连接器41均连接于高端或低端。

下面从理论上对本发明的技术效果进行说明。

图6揭示了本发明的高值电阻等电位屏蔽保护的原理。除被保护的高值电阻R外，还有玻璃管玻璃的绝缘电阻(体电阻和表面电阻)R_g以及屏蔽层电阻膜R_s(简称为屏蔽保护电阻)，潮湿空气形成的表面泄漏电阻R_q。

图中R_a和R_b分别是R两端引脚到屏蔽保护电阻R_s的引脚之间的玻璃电阻(包括玻璃体电阻和有潮湿空气的表面电阻)。当U_a＝U_a′和U_b＝U_b′时，有I_a＝0，I_b＝0，高值电阻器的等效电阻值为(U_a-U_b)/I_b2＝(U_a-U_b)/I_b1＝R，由于真空管内部横向电位处处相等，且真空管内部的真空电阻可以达到10¹⁷Ω以上，内部的泄漏电流I₃＝0，高值电阻器R得到有效保护。

对于单只高值电阻，由于水气分布不均匀，表面电阻分布也是不均匀的，参考图7分析在高值电阻上任意一点的横向泄漏电流。保护的高值电阻为R，潮湿空气形成的表面泄漏电阻R_q。由于玻璃管和屏蔽层电阻膜紧密相贴，阻值分布也较为均匀，屏蔽层电阻膜电阻R_s比玻璃电阻值R_g要小4个数量级以上，因此，玻璃电阻R_g和屏蔽层电阻膜电阻R_s可以并联成一个电阻，并且由于屏蔽层电阻膜电阻远小于玻璃电阻，并联电阻即为屏蔽层电阻膜电阻R_s。潮湿空气形成的表面泄漏电阻R_q。

考虑到表面电阻分布不均匀，有如图7所示等效电路。图中R_v为玻璃腔内真空电阻，与真空度有关。ΔR为由于潮湿程度不同引起的表面泄漏电阻的变化量。玻璃腔内的真空电阻可以达到10¹⁷Ω。k为选取的任意一点对高值电阻切分比例(即高值电阻低端到高值电阻任意一点的电阻值与高值电阻电阻值的比)。从图7可得：

I_{k} = \frac{\frac{{kR}_{s} / / (k R_{q} + ΔR)}{R_{s} / / R_{q} - \frac{Δ R^{2} R_{s}}{{(R_{s} + R_{q})}^{2} k (1 - k)}} (U_{a}^{'} - U_{b}^{'}) - \frac{kR}{R} (U_{a} - U_{b})}{R_{v}} \cdot \cdot \cdot (1)

I_{k} \approx \frac{\frac{k R_{s} / / (k R_{q} + ΔR)}{R_{s} / / R_{q}} (U_{a}^{'} - U_{b}^{'}) - k (U_{a} - U_{b})}{R_{v}} \cdot \cdot \cdot (2)

在屏蔽保护电阻Rs两端施加与内部电阻R相同电压，有：

(U_a′-U_b′)＝(U_a-U_b)＝U ……………………(3)

代入式(3)得：

I_{k} \approx \frac{\frac{{kR}_{s} / / ({kR}_{q} + ΔR)}{R_{s} / / R_{q}} - k}{R_{v}} U \cdot \cdot \cdot (4)

化简可得：

I_{k} \approx \frac{ΔR \cdot R_{s} \cdot U}{R_{v} R_{q} (R_{s} + R_{q})} \cdot \cdot \cdot (5)

I_{k} \approx \frac{ΔR}{R_{q}} \times \frac{U}{R_{v}} \times \frac{R_{s}}{R_{s} + R_{q}} \cdot \cdot \cdot (6)

为表面泄漏电阻的不均匀程度，

为泄漏电流来源。

式(6)表明：

(1)表面泄漏电阻的分布不均匀时，即

\frac{ΔR}{R_{q}} &NotEqual; 0

存在横向泄漏电阻。

(2)屏蔽层电阻膜电阻R_s相对与表面泄漏电阻R_q越小，横向泄漏电流越小，保护作用越明显；

已知在没有等电位保护的情况下，当环境相对湿度达到80％时，湿度和其它环境条件对10TΩ高值电阻器的影响达到2个数量级，表面泄漏电阻值R_q≈R/10²。当取R_s＝R/10³，有R_s≈R_q/10。即使表面泄漏电阻的不均匀程度达到30％，从式(6)可知，由于屏蔽作用，横向泄漏电流将降为3％，即降低一个数量级。

式(6)还可以表示为：

I_{k} \approx \frac{ΔR}{R_{q}} \times \frac{U}{R} \times \frac{R}{R_{v}} \times \frac{R_{s}}{R_{s} + R_{q}} = I \times \frac{ΔR}{R_{q}} \times \frac{R}{R_{v}} \times \frac{R_{s}}{R_{s} + R_{q}} \cdot \cdot \cdot (7)

式(7)表明，R越小，横向泄漏电流影响越小。即环境因素对高值电阻的影响要大于低值电阻。

将R＝10¹³Ω，Rv＝10¹⁷Ω，ΔR/R_q＝30％，R_s≈R_q/10代入(7)式，可得，在等电位屏蔽的作用下，横向泄漏电流的影响只有0.0003％。可以忽略不计。也就是说，在没有等电位屏蔽的情况下，湿度对高值电阻器电阻值的影响达到2个数量级，而采用本发明的技术方案，在环境相对湿度达到80％，表面泄漏电阻的不均匀程度达到30％时，对电阻值的影响只有0.0003％，效果明显。

对本发明高值电阻组成分压器的性能进行分析。如图8所示，R₁和R₂为被保护的电阻阻值，R_s1和R_s2是对应于R₁和R₂的屏蔽保护电阻，R_g为端口绝缘电阻，包括玻璃电阻、接口和连接器绝缘电阻。R_s1/R₁及R_s2/R₂的比值均为k。在理想情况下，R_s1＝kR₁，R_s2＝kR₂。实际中，k值存在一定的误差，本实施例中k值误差为γ_k＝0.1％。

在最不利的情况下，流经Rg的电流为：

I_{g} \approx \frac{2 {(\frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}})}^{2} U γ_{k}}{R_{g}} \cdot \cdot \cdot (8)

由此引入的分压比相对误差：

γ \approx 2 {(\frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}})}^{2} \frac{R_{1}}{R_{g}} γ_{k} \cdot \cdot \cdot (9)

式(9)表明：

(1)绝缘性能越好，即R_g越大，产生分压比误差越小；

(2)分压比率越大，即R₂/(R₁+R₂)越小，分压比误差越小；

(3)k值误差越小，γ_k越小，分压比误差越小。

当R₂/(R₁+R₂)＝1/10，R₁＝10¹³Ω，R_g＝10¹⁴Ω，γ_k＝0.1％时，产生的分压比误差为：2×10^-6。即使由于潮湿，绝缘电阻R_g降到10¹¹Ω，产生的分压比误差为0.2％。

如果没有采用本发明的技术方案，由于潮湿的表面电阻为10¹¹Ω，分别与10¹³和10¹²电阻并联，1/10分压比变成1/1分压比，误差很大。

因此，采用本项目的等电位屏蔽电阻，可以有效克服湿度的影响。可以采用任何两只k值相同的等电位高值电阻器，很方便组成分压器。

下面结合图9分析环境电磁对本发明高值电阻的影响。

图9中符号的含义与图7中相同符号的定义相同，假如干扰电压为E，干扰阻抗(包括源内阻和空间绝缘电阻)R_o，当没有等电位屏蔽电阻R时，即屏蔽层电阻R_s＝∞，干扰电流直接经过电阻R表面(线绕电阻或金属膜电阻)或者经过玻璃绝缘电阻(真空合成膜电阻)注入高值电阻。引入电阻误差为：

γ_{R} \approx \frac{E}{R_{g} + R_{o}} \times \frac{R}{U_{a} - U_{b}}

加入等电位屏蔽后，引入电阻误差为：

γ_{R} \approx \frac{{ER}_{s}}{R_{g} R_{o}} \times \frac{R}{U_{a} - U_{b}}

由于R_s＝10^-4R_g，干扰引入误差减小4个数量级，效果明显。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和技术实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims

1、高值电阻，包括电阻器及围绕电阻器由内向外依次设置的绝缘层和屏蔽层，其特征在于在所述电阻器的两端和屏蔽层的两端分别施加相同的电压。

2、根据权利要求1所述的高值电阻，其特征在于所述屏蔽层为电阻膜。

3、根据权利要求2所述的高值电阻，其特征在于所述绝缘层为电阻器外表面涂敷的绝缘材料层和/或包围电阻器设置的密闭玻璃容器，所述玻璃容器内部为真空状态；所述屏蔽层设置于玻璃容器外表面。

4、根据权利要求3所述的高值电阻，其特征在于所述屏蔽层环绕设置于绝缘材料层或玻璃容器侧向外表面，其轴向长度与电阻的轴向长度相等。

5、根据权利要求4所述的高值电阻，其特征在于所述设置了绝缘层和屏蔽层的电阻器设置于屏蔽壳体内。

6、根据权利要求5所述的高值电阻，其特征在于所述屏蔽壳体材质为纯铁。

7、根据权利要求5或6所述高值电阻，其特征在于在所述屏蔽壳体上设置有连接器，所述连接器包括将屏蔽层与电阻器与屏蔽壳体外电连通的通路；所述连接器数量至少为2。

8、根据权利要求7所述高值电阻，其特征在于所述通路为一中心导体和管状导体组成的同轴电路。

9、采用权利要求1-8之一的高值电阻作为分压器的应用。