Widerstand (Bauelement)

Dieser Artikel betrachtet das elektrische/elektronische Bauelement Widerstand, nicht die elektrische/physikalische Eigenschaft, die sich durch das Verhältnis zwischen elektrischer Spannung und elektrischem Strom ergibt. Für die elektrische/physikalische Eigenschaft siehe elektrischer Widerstand.

Ein Widerstand ist ein zweipoliges passives elektrisches Bauelement zur Realisierung eines ohmschen Widerstandes in elektrischen und elektronischen Schaltungen.

[Bearbeiten] Hauptanwendungen

• Einstellen eines bestimmten elektrischen Stromes bei einer gegebenen elektrischen Spannung (Vorwiderstand)
• Einstellen einer bestimmten elektrischen Spannung durch einen gegebenen elektrischen Strom (Arbeitswiderstand, Shuntwiderstand)
• Teilen einer elektrischen Spannung in einem bestimmten Verhältnis (Spannungsteiler). Dazu werden mindestens zwei oder mehr Widerstände in Reihe geschaltet (Reihenschaltung).
• Teilen eines elektrischen Stromes in einem bestimmten Verhältnis (Stromteiler). Dazu werden mindestens zwei oder mehr Widerstände parallel geschaltet (Parallelschaltung).
• Erzeugung eines definierten Pegels für den Fall, dass ein Anschluss eines elektrischen Bauteils (z.B. IC) nicht beschaltet bzw. über einen elektrischen Leerlauf mit dem Rest der Schaltung verbunden ist (z.B. Pullup- bzw. Pulldown-Widerstand)

[Bearbeiten] Allgemeines

Ein elektrisches Bauteil, mit dessen Hilfe sich ein beliebiger Widerstandswert zwischen zwei Grenzwerten einstellen lässt, heißt Potentiometer, im Fachjargon auch Poti genannt. Es besitzt drei Anschlüsse, die des einfachen Bauteils Widerstand und einen dritten Schleifer-Anschluss für das Abgreifen des eingestellten Widerstandswertes.

Ein linearer Widerstand, dies sind alle Widerstände deren Widerstandswert von keinen weiteren Parameter abhängt, stellt einen elektrischen Strom proportional zur angelegten elektrischen Spannung und umgekehrt ein. Er dient so als Strom-Spannungs-Wandler oder als Spannungs-Strom-Wandler und kann nicht den Strom wie eine elektrische Sicherung lediglich begrenzen.

[Bearbeiten] Kenngrößen

Neben dem Widerstandswert sind für einen Widerstand folgende weitere Werte kennzeichnend:

• maximale Verlustleistung
• Temperaturkoeffizient (TK-Wert, angegeben in der Form TKxxx mit xxx = ppm delta R pro Kelvin)
• Spannungsfestigkeit
• Stabilität über die Lebensdauer, oft bei einer bestimmten Spannung
• parasitäre Induktivität (induktionsarme Widerstände)
• parasitäre Kapazität
• Rauschen (das Rauschen steigt nicht nur mit dem Widerstandswert, sondern ist auch material- und spannungsabhängig)
• Impuls-Belastbarkeit (kurzzeitige Überlastbarkeit)

[Bearbeiten] Einteilung

Elektrische Widerstände als Bauelement lassen sich nach verschiedenen Kriterien gruppieren, zum Beispiel:

• Bauform
• Leistung
• Widerstandsmaterial

Eine weitere Einteilung ist die nach der Verwendung (von oben nach unten sinkende Anforderungen an die Genauigkeit und Stabilität):

• Präzisionswiderstände (<0,1%, in analogen Schaltungen mit Operationsverstärkern)
• Messwiderstände (<0,5%, siehe auch Shunt)
• Spannungsteiler, Stellwiderstände (fest oder variabel in Form eines Potentiometers oder Trimmwiderstandes)
• Arbeitswiderstand, Vorwiderstand, allgemeine Anwendungen in elektronischen Schaltungen (1…5%, Massenware), Abschlusswiderstand (siehe Dummyload)
• Pullup- / Pulldown-Widerstand, digitale Schaltungen (>10%, oft als Widerstandsarrays)

[Bearbeiten] Bauformen und Materialien

verschiedene Bauformen

Leistungswiderstand mit Sicherungslötung (unten rechts)

Widerstandsbauformen: oben Drahtwiderstand (Spindeltrimmer), Mitte Leistungswiderstand 25 Watt (Flanschmontage auf Kühlkörper), unten Leistungswiderstand 10 Watt

Präzisionsmesswiderstand mit Vierpunktkontaktierung

Die bekannteste Widerstands-Bauform ist der zylindrische keramische Träger mit axialen Anschlussdrähten. Diese Anschlussdrähte werden z.B. durch Löcher in Platinen geführt und mit den dort angeordneten Leiterbahnverbindungen verlötet. Ein keramischer Träger ist mit dem Widerstandsmaterial beschichtet, das entweder durch seine Zusammensetzung, Schichtdicke oder durch Einkerbungen (Wendelung) seinen gewünschten Widerstandswert erhält. Die maximale Verlustleistung liegt zwischen 0,1 W und 5 W.

Die axiale Bauform mit quadratischem Querschnitt (siehe Foto, erster von oben) wird meist für Drahtwiderstände gewählt und ist mit Quarzsand gefüllt. Diese Widerstände sind für höhere Verlustleistungen ausgelegt.

Eine spezielle Bauform ist die Mäanderform. Zu finden ist diese Form bei Leistungs- und Hochleistungs-Widerständen. Der Vorteil dieses Aufbaus ist, dass man auf kleiner Fläche eine große Leiterlänge unterbringen kann. Auch die Fertigung auf Biege- oder Fräsmaschinen ist relativ einfach. Gut zu sehen ist die Mäanderform z. B. bei Heizlüftern und Manganin-Keramikwiderständen (siehe Links).

Wie von allen Bauelementen der Elektrotechnik werden auch SMD-Versionen von Widerständen hergestellt. Diese Chip-Bauformen sind kleine Quader mit beispielsweise 1·2·0,5 mm Kantenlänge, die an den beiden kleinsten Flächen Metallplättchen als Kontakte haben. Diese werden durch Löten direkt mit einer Platine verbunden (Oberflächenmontage).

Die verschiedenen Materialien der Widerstandsschichten werden nach der gewünschten Genauigkeit (Toleranz) und der Temperaturstabilität ausgewählt. Kohleschichten haben einen negativen Temperaturkoeffizienten und sind sehr ungenau. Metallschichtwiderstände lassen sich mit höchsten Genauigkeiten und abhängig von der Legierung mit sehr geringen Temperaturkoeffizienten fertigen. Metalle haben im allgemeinen einen positiven Temperaturkoeffizienten. Metallschichtwiderstände werden auch als Sicherungswiderstände gefertigt – diese verursachen bei Überlastung eine sichere Unterbrechung des Stromflusses.

Für sehr hohe Widerstandswerte und hohe Spannungen werden Metalloxid-Schichtwiderstände gefertigt. Diese sind besonders stabil gegenüber den bei hohen Spannungen auftretenden Migrationsprozessen .

Sehr kleine, hoch belastbare Widerstände (z.B. Shunts und Bremswiderstände für hohe Energieabsorption) werden aus Metallfolie (Manganin) gefertigt. Werden diese Widerstände zur Strommessung eingesetzt (Shunts), haben sie oft sog. Kelvin-Anschlüsse, d.h. zwei zusätzliche Anschlüsse, um den Messfehler durch den Spannungsabfall an der Kontaktierung zu vermeiden.

Elektrische Widerstände gibt es als elektronische Bauelemente in verschiedenen Ausführungen, die sich zum Beispiel in der Art und Form des Widerstandsmaterials unterscheiden:

• Schichtwiderstände:
  • Kohleschichtwiderstand
  • Metallschichtwiderstand
  • Metalloxid-Schichtwiderstand
  • Cermet- (auch Dickschicht-) Widerstand
  • Fotowiderstand (kurz LDR, lichtabhängiger Widerstand, zum Beispiel aus einer Cadmiumsulfid-Schicht)
• Folienwiderstände (planar) und massive Metallwiderstände
  • Bremswiderstand (kurzzeitig hoch belastbar)
  • Shunt-Widerstand (Blech oder Folie, auch in Form mehrerer paralleler Stangen, oft mit Kelvin-Kontaktierung)
• Massewiderstände
  • Kohle-Massewiderstand
  • Kohlekeramik-Massewiderstand
  • Metallkeramik-Massewiderstand
  • Heißleiter- (PTC-) und Kaltleiter- (NTC-) Widerstände
  • Varistor (kurz VDR, spannungsabhängiger Widerstand)
• Drahtwiderstand
• Potentiometer (Veränderbarer Widerstand)

Weiterhin kennt man

• für Hochfrequenz geeignete Bauformen (induktionsarm, ungewendelt, auch koaxiale Bauformen, siehe auch Abschlusswiderstand)
• für hohe Spannungen geeignete Bauformen (große Länge, meist aus Metalloxid).

In einer monolithischen integrierten Schaltung (Basismaterial einkristallines Silizium) ist die Wahl der Widerstands-Materialien sehr eingeschränkt. Hier wird für jeden benötigten Widerstand oft jeweils ein besonders beschalteter Transistor als Widerstands-Ersatz verwendet, da „echte“ Widerstände im Layout mehr Fläche benötigen. Sollen reale Widerstände in der Schaltung benötigt werden, verwendet man meist polymorphes Silizium.

[Bearbeiten] Festwiderstände

[Bearbeiten] Abstufung der Widerstandswerte

Historischer Stöpselwiderstand (Reihenrheostat) aus dem Physikunterricht

Die Nennwerte von Widerständen werden nach geometrischen Folgen abgestuft. Dabei weist jede Dekade die gleiche Anzahl n verschiedener, mit dem Faktor q = 10^(1/n) abgestufter Werte auf. International gültig sind die mit n = 3·2^a (a ist ganzahlig) abgestuften E-Reihen. Je nach Toleranz können Widerstände mit Werten aus der E12- (10 %), E24- (5 %), E48- (2 %) oder E96-Reihe (1 %) hergestellt werden. Die %-Zahlen geben Mindestgenauigkeiten für die jeweilige Reihe an.

Beispielsweise sind die Werte der Reihe E12 = {10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82}. Die Werte sind so gewählt, dass sich überlappende Toleranzbereiche ergeben. Als Nebeneffekt wird eine minimale Anzahl von Lagerwerten erzielt.

Anders und einfacher ausgedrückt: Die E-Reihen kennzeichnen, wie viele Widerstände pro Dekade, (z.B. von 100Ω bis 1kΩ) vorhanden sind. E12 hat beispielsweise 12 Widerstände, deren Abstand geometrisch (fast) gleich verteilt ist. Früher war lediglich die E12er Reihe üblich, heutzutage jedoch gibt es genauere und stabilere Widerstände.

Heute gelingt es, Widerstände in hoher Stabilität herzustellen und die Prozessparameter so zu steuern, dass ohne Nachabgleich Widerstände in den gewünschten Werten der E96-Reihe oder allen anderen Reihen mit einer üblichen Toleranz von 1% entstehen, die alle abgesetzt werden können.

[Bearbeiten] Angaben auf Widerständen

Bedrahtete Widerstände mit verschiedenen Werten

Widerstände in runder Bauform für elektronische Schaltungen werden oder können oft nicht mit Ziffern bedruckt werden. Um ihre Werte zu kennzeichnen, werden Farbcodierungen verwendet. Bei heutigen, noch kleineren aber flachen SMD-Widerständen werden die Kennwerte durch Druck oder Lasergravur aufgebracht.

[Bearbeiten] Alphanumerische Beschriftung

Zur kompakten, alphanumerischen, Beschriftung von Widerstandswerten kann der Buchstabe 'R' als Dezimaltrennzeichen verwendet werden:

• 10R = 10 Ω
• 1R5 = 1,5 Ω
• R005 = 0,005 Ω = 5 mΩ

Auf die gleiche Weise können auch die SI-Präfixe als Dezimaltrennzeichen verwendet werden. Der Wert des Präfix stellt dabei einen zusätzlichen Multiplikator dar:

• 10k = 10 kΩ
• 1M5 = 1,5 MΩ
• 0k5 = 0,5 kΩ = 500 Ω

Diese Darstellungsform wird vor allem in Schaltplänen eingesetzt.

[Bearbeiten] Angaben auf SMD-Widerständen

Ein 2-MΩ-SMD-Widerstand in der Baugröße 1206 (Raster in mm)

SMD-Widerstände sind Miniaturwiderstände für das direkte Verlöten auf der Leiterplattenoberfläche. Durch geringe Abmessungen ermöglichen sie den Bau kompakter Geräte.

Darüber hinaus hat diese Bauform in der HF-Technik wesentliche Vorteile gegenüber bedrahteten Bauteilen, da die durch Widerstandswindungen und Anschlussbeinchen entstehenden Induktivitäten stark reduziert werden.

SMD-Bauelemente sind in verschiedenen Baugrößen erhältlich:

• 2512, 1210, 1206, 0805, 0603, 0402, 0201, 01005

Dabei geben die ersten zwei Ziffern die Länge und die letzten zwei bzw. drei die Breite des Bauteils in 1/100 Zoll (= 0,254 mm) an.

• Bauteil 0805 → Länge: 08·0,254 mm = 2,032 mm, Breite: 05·0,254 mm = 1,27 mm

Das wären bei den Bauformen 2512, 1210, 1206, 0805, 0603, 0402, 0201, 01005:

• Bauteil 2512 → Länge: 6,350 mm, Breite: 3,048 mm
• Bauteil 1210 → Länge: 3,048 mm, Breite: 2,540 mm
• Bauteil 1206 → Länge: 3,048 mm, Breite: 1,524 mm
• Bauteil 0805 → Länge: 2,032 mm, Breite: 1,270 mm
• Bauteil 0603 → Länge: 1,524 mm, Breite: 0,762 mm
• Bauteil 0402 → Länge: 1,016 mm, Breite: 0,508 mm
• Bauteil 0201 → Länge: 0,508 mm, Breite: 0,254 mm
• Bauteil 01005 → Länge: 0,254 mm, Breite: 0,127 mm

SMD-Widerständen der Toleranzklasse 5 % sind 3 Ziffern aufgestempelt. Die ersten 2 Ziffern geben den Widerstandswert an, die dritte die Anzahl der angehängten Nullen.

• 472 = 47 + 2 Nullen = 4700 Ω = 4,7 kΩ
• 104 = 10 + 4 Nullen = 100.000 Ω = 100 kΩ
• 101 = 10 + 1 Null = 100 Ω
• Für Werte unter 10 Ω ersetzt 'R' den Dezimalpunkt: 1R0 = 1,0 Ω

SMD-Widerstände der Toleranzklasse 1 % weisen einen Aufdruck mit vier Ziffern auf. Dabei geben die ersten 3 Ziffern den Widerstandswert an, die vierte die Anzahl der angehängten Nullen.

• 1002 = 100 + 2 Nullen = 10.000 = 10 kΩ
• 1003 = 100 + 3 Nullen = 100.000 = 100 kΩ
• Für Werte unter 100 Ω ersetzt ein 'R' den Dezimalpunkt: 10R0 = 10,0 Ω

Weiterführende Artikel zu SMD-Widerständen: Metal Electrode Faces, Chip-Bauform

[Bearbeiten] Farbkodierung auf Widerständen

Die Widerstandsfarbkodierung oder Farbkodierung für Widerstände ist eine Farbkennzeichnung für die elektrischen Werte von Widerständen, die als elektronische Bauteile meist sehr klein und darüber hinaus rund sind. Um die daraus resultierende Schwierigkeit zu umgehen, lesbare Zahlen auf der Oberfläche dieser Bauteile abzubilden, wurde der umlaufende Aufdruck von Farbkennringen erdacht.

Lesrichtungsart 1

Lesrichtungsart 2

Es gibt Farbcodes mit 4 Ringen, mit 5 Ringen oder 6 Ringen. Bei 4 Ringen geben die ersten beiden Ringe die Zahlenwerte an (siehe Tabelle unten), der 3. Ring gibt den Multiplikator (1= ×1, 2= ×10, 3= ×100) und der 4. Ring gibt die Toleranzklasse an. Bei dieser Art könnte man bis zu 8640 verschiedene Abstufungen ausdrücken. Bei 5 Ringen geben die ersten 3 Ringe den Zahlenwert an, der 4. Ring ist der Multiplikator und der 5. Ring die Toleranzklasse. Bei 6 Ringen ist es genau wie bei 5 Ringen, nur, dass ein 6. Ring dazu kommt, der eine Information über den Temperaturkoeffizienten enthält.

Die Entschlüsselsrichtung erfolgt je nach Ausführung

• am breitesten der Ringe beginnend (der erste Ring ist oft breiter als die anderen)
• der letzte Ring für die Toleranzangabe ist räumlich abgesetzt
• Prüfung: Eine andere Lesrichtung ergibt keinen Wert der zugehörigen E-Reihe

Die Farbkodierung ist in der DIN IEC 62, bzw. für Widerstände mit Angabe des Temperaturkoeffizienten nach DIN 41429 wie folgt festgelegt:

Widerstände hoher Genauigkeit (Metallschichtwiderstände) haben meistens 5 oder 6 Ringe. Bei 5 Ringen geben die ersten drei die Werte an, Ring 4 den Multiplikator und Ring 5 die Toleranz. Ein sechster Ring gibt den Temperaturkoeffizienten an.

Beispiele

• Die Farbringe gelb–violett–rot–braun bedeuten 47·10² und eine Toleranz von ±1 %. Daraus ergibt sich für den Widerstand mit einem Nennwert von 4,7 kΩ ein möglicher Toleranzbereich von 4,653 kΩ bis 4,747 kΩ.
• Ein Widerstand mit den fünf Ringen grün–braun–braun–rot–braun hat einen Nennwert von 511·10²Ω und weist eine Toleranz von 1 % auf. Damit hat dieser Widerstand einen Wert von 51,1 kΩ ±1 %.

[Bearbeiten] Parameterabhängige Widerstände

Parameterabhängige Widerstände werden auch als nichtlineare Widerstände bezeichnet. Wesentliches Merkmal ist, dass der Widerstandswert von einem oder mehreren weiteren physikalischen Parametern wie der am Widerstand anliegenden Spannung, der Temperatur, Druck, dem Lichteinfall und ähnlichen mehr abhängt. Wesentlich ist, dass bei nichtlinearen Widerständen der Zusammenhang zwischen Spannung am und Strom durch den Widerstand nicht durch die ohmsche Beziehung mit einem konstanten Widerstandswert R beschrieben werden kann. Der Widerstandswert wird selbst zu einer nicht konstanten Funktion R(x), wobei x der abhängige Parameter ist.

[Bearbeiten] Temperaturabhängige Widerstände

Thermistoren sind Widerstände mit einer gezielt ausgeprägten Temperaturabhängigkeit. Man unterscheidet:

• PTC-Widerstände (Kaltleiter, positiver Temperaturkoeffizient): der Widerstandswert steigt mit steigender Temperatur, verwendet als Temperatursensor, als selbstrückstellende Sicherung, als selbstregelndes Heizelement und zur Steuerung der Entmagnetisierung von Bildröhren.
• NTC-Widerstände (Heißleiter, negativer Temperaturkoeffizient): der Widerstandswert sinkt mit steigender Temperatur, verwendet u.a. als Temperatursensor und zur Einschaltstrombegrenzung.

Auch der Eisen-Wasserstoff-Widerstand hat ein PTC-Verhalten. Er wurde früher als Strom-Konstanthalter in den Heizkreisen von Röhrengeräten verwendet und funktioniert aufgrund von Eigenerwärmung eines Eisendrahtes in Wasserstoff.

[Bearbeiten] Fotowiderstände

Ein Fotowiderstand verringert seinen Widerstandswert bei Lichteinfluss.

[Bearbeiten] Spannungsabhängige Widerstände

Sie werden Varistoren genannt und bestehen aus Metalloxiden (meist dotiertes Zinkoxid). Sie verringern ihren Widerstandswert bei steigender Spannung, meist drastisch ab einer charakteristischen Schwellspannung ähnlich einer Zenerdiode. Sie werden zur Begrenzung von Überspannungsimpulsen (Schwellspannungen von 5 Volt bis mehrere Kilovolt) eingesetzt, nicht jedoch zur Spannungsstabilisierung.

Kurzbezeichnungen wie MOV (metal oxide varistor) oder auch VDR (von engl. voltage dependent resistor) leiten sich aus Material und Verhalten ab.

Fritter enthalten Kohlegrieß und verringern ihren Widerstandswert durch Hochfrequenzströme.

[Bearbeiten] Druck- und dehnungsabhängige Widerstände

• Dehnmessstreifen sind Folienwiderstände, die aufgeklebt werden. Sie ändern ihren Widerstandswert in Abhängigkeit ihrer Dehnung bzw. Zugspannung
• Widerstände aus Stapeln aus Graphit-Scheiben verringern ihren Widerstandswert bei Druck. Sie können hohe Verlustleistungen ertragen und wurden früher zur Motorsteuerung (Nähmaschinen) eingesetzt und mit einem Pedal bedient.
• die nicht als Widerstand bezeichneten Kohlemikrofone verändern ihren Widerstandswert durch den wechselnden Druck einer Schall empfangenden Metallmembran auf eine Kohlegrieß-Füllung.

[Bearbeiten] Verstellbare Widerstände

Drahtwiderstand mit Anzapfung (verstellbare Schelle)

• Potentiometer sind für häufiges Verstellen geeignet, Sie besitzen eine durch einen Schleifkontakt angezapfte Widerstandsbahn (Drahtwicklung oder Schicht aus Kohle oder Leitplaste). Sie werden zur Pegeleinstellung oder zur Erfassung einer lateralen oder Winkelposition verwendet. Zur Pegeleinstellung gibt es sie auch in elektronischer Form (integrierter Schaltkreis mit Widerstandskette und elektronischer Umschaltung)
• Trimmwiderstände/Trimmpotentiometer (geringe Leistung) und Stellwiderstände (große Leistung) sind nur für gelegentliches Verstellen geeignet. Trimmwiderstände und -potentiometer gibt es auch in elektronischer Form (integrierter Schaltkreis mit Widerstandskette, elektronischer Umschaltung und EEPROM zur Speicherung)

[Bearbeiten] Siehe auch

• Liste elektronischer Bauteile
• Supraleiter
• Varistor
• Kaltleiter
• Heißleiter
• Vorwiderstand
• Eingangswiderstand
• Ausgangswiderstand
• Widerstandstabelle
• Elektrischer Widerstand
• Kondensatorfarbcode
• Diodenfarbcode
• Induktivitätenfarbcode

[Bearbeiten] Weblinks

• SMD-Widerstände verstehen und ablesen
• Umrechnung von Widerstandsfarben in Werte
• Widerstandsreihen E3-E96 (mit Berechnung)
• Widerstandsfarbcode