Website durchsuchen

Widerstand (Bauelement)

Elektrische Widerstände

Ein Widerstand ist ein zweipoliges passives elektrisches Bauelement zur Realisierung eines ohmschen Widerstandes in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Widerstände werden beispielsweise verwendet, um

Hauptanwendungen

Schaltzeichen für elektrischen Widerstand nach EN 60617
Schaltzeichen für elektrischen Widerstand nach ANSI

Widerstände können so aufgebaut sein, dass sie bei Überlastung als Sicherung dienen. Sie dürfen dabei nicht entflammen. Hierzu zählen besonders aufgebaute Schichtwiderstände, aber auch PTC-Sicherungen.

Allgemeines

Ein linearer Widerstand (darunter fallen alle Widerstände, deren Widerstandswert, im Unterschied zu nichtlinearen Widerständen, von keinem 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.

Kenngrößen

Kurbelwiderstand

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

Einteilung

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

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

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 zum Beispiel 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 zum Beispiel bei Heizlüftern und Manganin-Keramikwiderständen.

Wie von allen Bauelementen der Elektrotechnik werden auch SMD-Versionen von Widerständen hergestellt. Die verbreiteten Chip-Bauformen sind kleine Quader mit beispielsweise 1 mm × 2 mm × 0,5 mm Kantenlänge, die an den beiden kleinsten Flächen Metallisierungen als Kontakte aufweisen. 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 so genannte Kelvin-Anschlüsse, das heißt 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:

Weiterhin kennt man

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.

Festwiderstände

Abstufung der Widerstandswerte

Historischer Stöpselwiderstand, so genannter Rheostat

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 = 3·2a (a ist ganzzahlig) 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 Prozent-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 100 Ω bis 1 kΩ) vorhanden sind. E12 hat beispielsweise zwölf Widerstände, deren Abstand geometrisch (fast) gleich verteilt ist. Früher war lediglich die E12-Reihe üblich, heutzutage jedoch gibt es genauere und stabilere Widerstände.

Durch die aufeinander abgestimmte Kombination von E-Reihe und Toleranzbereich gibt es für jeden beliebigen Widerstandswert einen zugehörigen Nennwert, so dass man im Prinzip mit einem streuenden Herstellungsprozess beliebige Widerstandswerte produzieren könnte, die im Anschluss durch Selektion genauer toleriert werden könnten. Dies ist jedoch unerwünscht, da die benötigten Stückzahlen auch benachbarter Werte sehr unterschiedlich sind. 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.

Baugrößen bedrahteter Widerstände

Bei der Leiterplattenbestückung werden bedrahtete Widerstände in der Industrie kaum noch eingesetzt. Sie sind im nichtprofessionellen Bereich noch sehr verbreitet, da die Verarbeitung sehr einfach ist und anders als die Leiterplattenbestückung mit zum Teil sehr kleinen SMD-Bauteilen nur wenig Löterfahrung erfordert.

Die Bauform 0207 mit axialen Anschlüssen und einem Widerstandskörper von ca. 2,3 mm Durchmesser und 6 mm Länge ist die gängigste Bauform von bedrahteten Kleinleistungswiderständen für Leistungen bis zu 0,25 W (Kohleschichtwiderstände) bzw. 0,5 W (Metallschichtwiderstände). Weniger verbreitet sind bedrahtete Miniaturwiderstände der Bauform 0204 mit einem Widerstandskörper von ca. 1,5 mm Durchmesser und 3,2 mm Länge für maximale Leistungen zwischen 0,1 W und 0,25 W. Diese entsprechen größenmäßig etwa der SMD Bauform MINI-MELF (0204) haben aber axiale Anschlussdrähte.

Bauformen und -größen von 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 Bauart in der HF-Technik wesentliche Vorteile gegenüber bedrahteten Bauteilen, da die durch Widerstandswindungen und Anschlussdrähte entstehenden Induktivitäten entfallen beziehungsweise stark reduziert werden.

SMD-Widerstände gibt es in runder (MELF) und in quaderförmiger Bauform. SMD-MELF-Widerstände (MICRO-MELF 0102, MINI-MELF 0204, MELF 0207) finden sich in professionellen Anwendungen in der Industrie- und Automobilelektronik, wo hohe Verlustleistungen, Umgebungstemperaturen, Impulsbelastungen und eine geringe Widerstandsänderung über die Zeit (Drift) notwendig sind. Sie sind als Dünnschicht- bzw. Metallschicht-, Metallglasur und Kohleschichtwiderstände erhältlich. Ihre Baugrößen sind padkompatibel zu den unten aufgeführten Chip-Bauformen:

Die Mehrzahl der verwendeten SMD-Widerstände sind quaderförmig (Chip-Widerstände); sie werden als Dünn- und Dickschichtwiderstände angeboten. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf diese Bauform.

SMD-Bauelemente sind in verschiedenen Baugrößen erhältlich, unter anderem

Dabei geben bei den größeren Bauformen (ab 0402) die ersten zwei Ziffern die Länge und die letzten zwei die Breite des Bauteils in Einheiten von etwa 1/100 Zoll (= 0,254 mm) beziehungsweise 0,250 mm an. Beispielsweise hat ein 0805-Widerstand eine Länge von 2 mm und eine Breite von 1,25 mm. Bei den Bauformen 0201 und kleiner stimmt diese Zuordnung nicht mehr.

Details: Chip-Bauform, Surface Mounted Device

Die Höhe ist bei vielen Baureihen etwas größer als 0,635 mm (1/40 Zoll = 25 mil, das ist eine gängige Dicke der als Ausgangsmaterial verwendeten Aluminiumoxid-Keramiksubstrate), jedoch im Allgemeinen nicht größer als die Breite des Bauteils (wegen sonst erschwerter Montage, Kippgefahr).

Für die verschiedenen Bauformen sind unterschiedliche maximale Verlustleistungen und maximale Spannungen zulässig:

Bauform max. Verlustleistung in Watt max. Spannung in Volt
2512 1 500
2010 0,75 400
1218 1 200
1210 0,5 200
1206 0,25 200
0805 0,125 150
0603 0,1 75
0402 0,063 50
0201 0,05 30
01005 0,03 15
MICRO-MELF (0102) 0,3 150
MINI-MELF (0204) 0,4 200
MELF (0207) 1 300

Angaben auf Widerständen

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.

Alphanumerische Beschriftung

Zur kompakten alphanumerischen Beschriftung von Widerstandswerten kann der Buchstabe „R“ als Dezimaltrennzeichen verwendet werden:

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

Diese Darstellungsform wird vor allem in Schaltplänen eingesetzt.

Angaben auf SMD-Widerständen

Die Beschriftung ist von der E-Reihe und der Größe der Bauteile abhängig.

Je größer die E-Reihe, desto kleiner sind die Toleranzen der Bauteile: E3 = über 20 %, E6 = 20 %, E12 = 10 %, E24 = 5 %, E48 = 2 %, E96= 1 %, E192 = 0,5 %

SMD-Widerstände der Bauform 0402 und kleiner haben aus Platzgründen im Allgemeinen keinen Aufdruck.

Widerstände der Bauform 0603 und größer sind meist folgendermaßen gekennzeichnet (es gibt auch Baureihen von Herstellern, bei denen die Widerstände gar nicht gekennzeichnet sind; dies gilt insbesondere für 0603):

SMD-Widerstände der Toleranzklasse > = 5 % sind im Allgemeinen mit drei Ziffern gekennzeichnet. Die ersten zwei Ziffern geben den Widerstandswert an, die dritte die Zehnerpotenz, die mit dem Wert der ersten beiden Ziffern multipliziert wird, vereinfacht ausgedrückt: die Anzahl der angehängten Nullen.

SMD-Widerstände der Toleranzklasse < 5 % weisen einen Aufdruck mit vier Ziffern auf, wenn dafür ausreichend Platz zur Verfügung steht (im Allgemeinen ab Bauform 0805 oder 1206). Dabei geben die ersten drei Ziffern den Widerstandswert an, die vierte die Zehnerpotenz, die mit dem Wert der ersten drei Ziffern multipliziert wird, vereinfacht ausgedrückt: die Anzahl der angehängten Nullen.

Widerstände der Bauform 0603 und 1 % Toleranz sind entweder nicht oder mit drei Zeichen gekennzeichnet. Bei einem Widerstandswert aus der E24-Reihe oder gröber sind die Bauteile wie solche mit 5 % Toleranz gekennzeichnet (s.o.), zusätzlich ist aber die mittlere Ziffer unterstrichen. Für Widerstände aus einer feineren E-Reihe (z.B. E96) reichen zwei Ziffern für den Widerstandswert nicht aus. Hierfür wird der Widerstandswert durch eine (fortlaufend gezählte) zweiziffrige Zahl codiert, der Exponent aber durch einen Buchstaben, um diesen Code sicher als solchen von der anderen Kennzeichnungsart unterscheiden zu können.

Farbkodierung auf Widerständen

Lesrichtungsart 1
Lesrichtungsart 2
Bedrahtete Widerstände mit verschiedenen Werten, Leserichtung aus Ringabstand nicht immer erkennbar.
Widerstandsuhr (Vitrohmeter)

Die Widerstandsfarbkodierung oder Farbkodierung für Widerstände ist eine Farbkennzeichnung für die elektrischen Werte von Widerständen. Als elektronische Bauteile sind diese oft sehr klein und darüber hinaus zylindrisch, so dass es schwierig ist, lesbare Zahlen darauf zu drucken. Stattdessen geben umlaufende farbige Ringe den Widerstandswert und die Toleranzklasse an.

Es gibt Farbcodes mit drei, vier, fünf oder sechs Ringen. Bei drei oder vier Ringen geben die ersten beiden Ringe einen zweistelligen Wert von 10 Ω bis 99 Ω an (siehe Tabelle unten), und der dritte Ring gibt einen Multiplikator an (Zehnerpotenz von 10−2 bis 109), mit dem der Wert zu multiplizieren ist. Damit lassen sich 1080 verschiedene Widerstandswerte ausdrücken. Der vierte Ring, falls vorhanden, gibt die Toleranzklasse an. Fehlt er, ist die Toleranz ±20 %. Bei fünf oder sechs Ringen geben die ersten drei Ringe den Wert an (100 bis 999 Ω), der vierte Ring ist der Multiplikator und der fünfte Ring die Toleranzklasse. Ist ein sechster Ring vorhanden, gibt er den Temperaturkoeffizienten (Stabilität) an.

Die Ableserichtung wird auf zwei verschiedene Weisen gekennzeichnet: entweder hat der erste Ring vom Rand des Widerstandskörpers einen kleineren Abstand als der letzte Ring, oder der letzte Ring ist räumlich abgesetzt. Prüfung: Die andere Leserichtung ergibt keinen Wert der zugehörigen E-Reihe oder lässt sich gar nicht entschlüsseln (z.B. letzter Ring ist silber oder gold, was für den ersten Ring nicht zulässig ist).

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

Farbkodierung von Widerständen mit 4 Ringen
Farbe Widerstandswert in Ω Toleranz
1. Ring
(Zehner)		 2. Ring
(Einer)		 3. Ring
(Multiplikator)		 4. Ring
„keine“ × — — — ±20 %
silber   — — 10−2 = 0,01 ±10 %
gold   — — 10−1 = 0,1 ±5 %
schwarz   — 0 100 = 1 —
braun   1 1 101 = 10 ±1 %
rot   2 2 102 = 100 ±2 %
orange   3 3 103 = 1.000 —
gelb   4 4 104 = 10.000 —
grün   5 5 105 = 100.000 ±0,5 %
blau   6 6 106 = 1.000.000 ±0,25 %
violett   7 7 107 = 10.000.000 ±0,1 %
grau   8 8 108 = 100.000.000 ±0,05 %
weiß   9 9 109 = 1.000.000.000 —

Widerstände hoher Genauigkeit haben meistens fünf oder sechs Ringe. Bei fünf Ringen geben die ersten drei die Werte an, Ring vier den Multiplikator und Ring fünf die Toleranz. Ein sechster Ring gibt den Temperaturkoeffizienten an.

Farbkodierung von Widerständen mit 5 oder 6 Ringen
Farbe 1. Ring
(Hunderter)		 2. Ring
(Zehner)		 3. Ring
(Einer)		 4. Ring
(Multiplikator)		 5. Ring
(Toleranz)		 6. Ring
(Temp.-Koeffizient)
silber       10−2    
gold       10−1    
schwarz   0 0 100   200 10−6 K−1
braun 1 1 1 101 ±1 % 100 10−6 K−1
rot 2 2 2 102 ±2 % 50 10−6 K−1
orange 3 3 3 103   15 10−6 K−1
gelb 4 4 4 104   25 10−6 K−1
grün 5 5 5 105 ±0,5 %  
blau 6 6 6 106 ±0,25 % 10 10−6 K−1
violett 7 7 7   ±0,1 % 5 10−6 K−1
grau 8 8 8   ±0,05 %  
weiß 9 9 9      
Beispiele

EIA-96-Kodierung auf Widerständen

Bei der EIA-96-Kodierung werden zwei Ziffern als Code für den Wert angegeben und ein Buchstabe als Multiplikator.

Wert
Code Wert   Code Wert   Code Wert   Code Wert   Code Wert   Code Wert   Code Wert   Code Wert
01 100 13 133 25 178 37 237 49 316 61 422 73 562 85 750
02 102 14 137 26 182 38 243 50 324 62 432 74 576 86 768
03 105 15 140 27 187 39 249 51 332 63 442 75 590 87 787
04 107 16 143 28 191 40 255 52 340 64 453 76 604 88 806
05 110 17 147 29 196 41 261 53 348 65 464 77 619 89 825
06 113 18 150 30 200 42 267 54 357 66 475 78 634 90 845
07 115 19 154 31 205 43 274 55 365 67 487 79 649 91 866
08 118 20 158 32 210 44 280 56 374 68 499 80 665 92 887
09 121 21 162 33 215 45 287 57 383 69 511 81 681 93 909
10 124 22 165 34 221 46 294 58 392 70 523 82 698 94 931
11 127 23 169 35 226 47 301 59 402 71 536 83 715 95 953
12 130 24 174 36 232 48 309 60 412 72 549 84 732 96 976

Die EIA-96-Tabellenwerte können auch nach folgender Formel berechnet werden:

{Wert}={int}(100\cdot 10^{{{\frac {Code-1}{96}}}}+0.5)
Multiplikator
Beispiele

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.

Temperaturabhängige Widerstände

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

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.

Fotowiderstände

CdS-Fotowiderstand; die fotoempfindliche Widerstandsschicht befindet sich zwischen den kammartigen Kontaktflächen

Ein Fotowiderstand, kurz LDR (Light Dependent Resistor) genannt, ändert seinen Widerstand unter Lichteinwirkung. Trifft Licht auf die fotoempfindliche Fläche des Fotowiderstands, verringert sich der Widerstand durch den inneren fotoelektrischen Effekt.

Spannungsabhängige Widerstände

Sie werden Varistoren (ein aus „variabel“ und „Resistor“ gebildetes Kunstwort) genannt und bestehen aus Metalloxiden (meist dotiertes Zinkoxid). Sie verringern ihren Widerstandswert bei steigender Spannung, meist drastisch ab einer charakteristischen Schwellspannung ähnlich einer Zener-Diode (jedoch für beide Polaritäten). 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.

Kohärer enthalten Kohlegrieß und verringern ihren Widerstandswert durch Hochfrequenzströme.

Druck- und dehnungsabhängige Widerstände

Verstellbare Widerstände

Früher wurden Wasserwiderstände zum Anlassen von Schleifringläufermotoren benutzt. Dabei wurden Elektroden in ein Wassergefäß getaucht. Durch die Eintauchtiefe konnte der Widerstand variiert werden.

Trenner
Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
Seitenende
Seite zurück
©  biancahoegel.de
Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 11.05. 2024