mini|Elektrische Widerstände Ein Widerstand () ist ein zweipoliges passives elektrisches Bauelement. Es realisiert einen ohmschen Widerstand in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Widerstände werden beispielsweise verwendet, um: den elektrischen Strom zu begrenzen den elektrischen Strom in einer Schaltung aufzuteilen den elektrischen Strom in eine Spannung umzuwandeln, um ihn (indirekt) zu messen die elektrische Spannung in einer Schaltung aufzuteilen elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln

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.

Hauptanwendungen

Einstellen oder Begrenzen einer elektrischen Stromstärke bei gegebener elektrischer Spannung (Vorwiderstand) Einstellen einer bestimmten elektrischen Spannung bei gegebenem elektrischen Strom (Arbeitswiderstand, Shunt) 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 hochimpedanter Anschluss eines Integrierten Logik-Schaltkreises nicht beschaltet oder über einen elektrischen Leerlauf mit dem Rest der Schaltung verbunden ist (Pullup-/Pulldown-Widerstand) Erzeugung eines definierten Pegels zur Einstellung von Arbeitspunkten von aktiven Bauelementen, z. B. bei Transistor- oder Operationsverstärkern Umwandlung elektrischer Energie in Wärmeenergie (Heizwiderstand) wie in Glühlampen, Lötkolben, Ersatzlasten, Heizlüftern oder Widerstandsbremsen Herstellen definierter Eingangs- und Ausgangs-Impedanzen (Impedanzanpassung) Widerstände können so aufgebaut sein, dass sie bei Überlastung als Sicherung dienen. Sie dürfen dabei nicht entflammen. Dazu zählen besonders aufgebaute Schichtwiderstände, aber auch PTC-Sicherungen.

Kenngrößen mini|Erwärmung eines Widerstandes bei Stromfluss mit einer Wärmebildkamera aufgenommen mini|Kurbelwiderstand Neben dem Widerstandswert sind für einen Widerstand folgende weitere Werte kennzeichnend: Toleranz des Widerstandswertes (Anliefertoleranz) Maximale Verlustleistung Maximale Oberflächen- oder Filmtemperatur Temperaturkoeffizient (TK-Wert, angegeben in der Form TKxxx mit xxx = ppm pro Kelvin Temperaturänderung) Spannungsfestigkeit Langzeitstabilität (Langzeitdrift) bei maximaler Verlustleistung bzw. Nennleistung über die Lebensdauer Verarbeitungsstabilität (Lötdrift, falls die Verarbeitung einen Lötprozess beinhaltet) Parasitäre Induktivität (geringer bei induktionsarmen Widerständen) Parasitäre Kapazität Stromrauschen (das Stromrauschen steigt nicht nur mit dem Widerstandswert, sondern ist auch material- und spannungsabhängig (µV/V)) Impulsbelastbarkeit (kurzzeitige Überlastbarkeit), maximaler Scheitelfaktor bei periodisch veränderlicher Belastung durch Wechselstrom bzw. periodische Impulse Spannungsabhängigkeit des Widerstandswertes (wichtig bei hochohmigen Messwiderständen)

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

Eine weitere Einteilung ist die nach der Verwendung (von oben sinkende Anforderungen an die Genauigkeit und Langzeitstabilität): Präzisionswiderstand (< 0,1 %, in analogen Schaltungen mit Operationsverstärkern) Messwiderstand (< 0,5 %, siehe auch Shunt) Spannungsteiler, Stellwiderstand (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)

Bauformen und Materialien mini|Axial bedrahtete Widerstände (oben: Drahtwiderstand, restliche: Schichtwiderstände) mini|Leistungswiderstand mit Sicherungslötung (unten rechts) mini|Widerstandsbauformen: oben Drahtwiderstand (Spindeltrimmer), Mitte Leistungswiderstand 25 Watt (Flanschmontage auf Kühlkörper), unten Leistungswiderstand 10 Watt mini|Präzisionsmesswiderstand mit Vierpunktkontaktierung

Eine wichtige Material-Kenngröße ist der spezifische Widerstand.

Die bekannteste Widerstandsbauform 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 (Durchsteckmontage). 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) beinhaltet Drahtwiderstände und ist mit Quarzsand gefüllt. Diese Widerstände sind für höhere Verlustleistungen geeignet.

Eine spezielle Bauform der Widerstandsschicht ist die Mäanderform, zum Beispiel werden derartige Bleche für kleine Widerstandswerte für hohe Belastbarkeit (Shunt) auf einen isolierten Träger geklebt, oder die Form dient bei planaren Dickschicht-Widerstandsschichten dazu, die erforderliche Länge auf einer kompakten Fläche unterzubringen oder die Spannungsfestigkeit zu erhöhen. Die Fertigung auf Fräsmaschinen ist ebenfalls möglich.

SMD-Widerstände werden einseitig als Widerstandsschicht auf Keramiksubstraten aufgebracht und dann getrennt. Die so entstehenden Chip-Bauformen sind kleine Quader mit beispielsweise 1 mm × 2 mm × 0,5 mm Kantenlänge, die an den beiden Enden oder den Schmalseiten Metallisierungen als lötfähige Kontakte aufweisen.

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:

Schichtwiderstände: Kohleschichtwiderstand Metallschichtwiderstand Metalloxid- (auch MOX-)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 Kohlemassewiderstand Keramikmassewiderstand Heißleiter- (NTC-) und Kaltleiter- (PTC-) Widerstände Varistor (kurz VDR, spannungsabhängiger Widerstand) Drahtwiderstand Potentiometer (veränderbarer Widerstand)

Weiterhin kennt man für Hochfrequenz geeignete, induktionsarme Bauformen (ungewendelt, auch koaxial), als Dummy (Antennenersatz) bzw. als Abschlusswiderstand. für hohe Spannungen geeignete Bauformen (große Länge, evtl. vergossen oder in Öl, mäanderförmig). Heizwiderstände, auch zum Scheiben Enteisen.

In einer monolithischen integrierten Schaltung (Basismaterial einkristallines Silizium) ist die Wahl der Widerstandsmaterialien sehr eingeschränkt. Man verwendet meist polykristallines Silizium als Schichtmaterial. Wegen des hohen Flächenbedarfs werden, wenn immer möglich, besonders beschaltete Transistoren als Widerstands-Ersatz verwendet.

Festwiderstände Eigenschaften von Festwiderständen Festwiderstände sind Ohmsche Widerstände mit festem, d. h. nicht einstellbaren Widerstandswerten. Sie sind bestimmt durch: Nennwiderstand Belastbarkeit Auslieferungstoleranz Güteklasse

Die Nennwiderstände sind abgestuft nach bestimmten Normzahlreihen. Eine solche Abstufung ist aus wirtschaftlichen Gründen erforderlich. Man kann Festwiderstände nicht mit jedem beliebigen Widerstandswert herstellen. Benötigt man einen ganz bestimmten Widerstandswert, der in der Normreihe nicht enthalten ist und den man auch durch Kombinieren mehrerer Bauteile nicht erreichen kann oder will, so kann man einen einstellbaren Widerstand verwenden und diesen auf den gewünschten Wert einstellen. Festwiderstände werden heute fast ausschließlich nach den international gültigen IEC-Normreihen hergestellt.

Abstufung der Widerstandswerte

mini|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 Prozentzahlen 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, heute 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. Das 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.