Was gibt es über Widerstände zu wissen?

Widerstand: Ein passives Materialstück, das dem Fluss von elektrischem Strom Widerstand leistet. An jedem Ende ist ein Terminal angeschlossen. Fertig. Was könnte einfacher sein?

Es stellt sich heraus, dass es gar nicht so einfach ist. Temperatur, Kapazität, Induktivität und andere Faktoren tragen alle dazu bei, dass der Widerstand doch ein ziemlich komplexes Bauteil ist. Sogar seine Einsatzmöglichkeiten in Schaltkreisen sind vielfältig, aber hier konzentrieren wir uns nur auf die verschiedenen Arten von Festwertwiderständen, wie sie hergestellt werden und was sie für verschiedene Anwendungen wünschenswert macht.

Beginnen wir mit einem einfachen und einem der ältesten.

Diese werden oft als „alte“ Widerstände bezeichnet und waren in den 1960er Jahren weit verbreitet. Mit der Einführung anderer Widerstandstypen und deren relativ hohen Kosten werden sie heute jedoch seltener verwendet. Sie bestehen aus einer Mischung aus Keramikpulver und Kohlenstoff, die durch Harz miteinander verbunden sind. Kohlenstoff ist ein guter elektrischer Leiter und je höher die Kohlenstoffkonzentration in der Mischung, desto geringer ist der Widerstand. An den Enden sind Drähte befestigt. Anschließend werden sie mit Farbe oder Kunststoff als Isolator beschichtet und verschiedenfarbige Streifen werden aufgemalt, um den Widerstandswert und die Toleranz anzuzeigen.

Der Widerstand dieser Kohlenstoffzusammensetzungswiderstände kann sich durch längere Einwirkung von hoher Luftfeuchtigkeit, Überlastung durch Spannung und Überhitzung beim Löten dauerhaft verändern. Die Toleranzen betragen 5 % oder mehr. Da es sich im Grunde nur um einen massiven Zylinder handelt, verfügen sie über gute Hochfrequenzeigenschaften. Sie weisen im Vergleich zu ihrer geringen Größe auch eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Hitzeüberlastung auf und werden daher immer noch in Stromversorgungen und Schweißsteuerungen verwendet.

Ihr Alter hielt mich jedoch nicht davon ab, eine Tüte davon zu verwenden, die ich in einem Second-Hand-Laden gekauft hatte, um die verschiedenen Widerstände auszugleichen, die ich für einen 555-Timer-Musikplayer brauchte. Das ist mein Trick, den Sie auf dem Foto oben sehen.

Der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) von Kohleschichtwiderständen liegt typischerweise bei etwa 200 und 500 ppm/C. 200 ppm/C bedeutet, dass sich der Widerstand pro 1 C nicht um mehr als 200 Ohm pro 1 MOhm des Widerstandswerts ändert. In Prozent ausgedrückt handelt es sich um eine Änderung von 0,02 %/C. Bei einer Temperaturänderung von 80 °C bedeuten 200 ppm/C eine Widerstandsänderung von 1,6 % oder 16 Kiloohm.

Kohleschichtwiderstände reichen typischerweise von 1 Ohm bis 10 Kiloohm, haben Nennleistungen von 1/16 W bis 5 W und können Spannungen im Kilovoltbereich verarbeiten. Typische Anwendungen sind Hochspannungsversorgungen, Röntgengeräte, Laser und Radar.

Metallfilme werden ähnlich wie Kohlenstofffilme hergestellt, indem eine Metallschicht (häufig Nickel-Chrom) auf Keramik aufgetragen und dann eine Spirale aus dem Metall geschnitzt wird. Einem Dokument des Herstellers Vishay zufolge wurde die Helix nach dem Anbringen der Anschlüsse früher durch Schleifen oder Sandstrahlen beschnitten, heute erfolgt das Beschneiden jedoch mit Lasern. Das Ergebnis wird dann mit Lack überzogen und mit Farbcode oder tatsächlichem Text beschriftet.

Die Widerstandsänderung von Metallfilmen aufgrund der Temperatur ist geringer als bei Kohlenstofffilmen. Der TCR von Metallfilmen liegt zwischen 50 und 100 ppm/C, was bei 50 ppm/C 0,005 %/C beträgt. Unter Verwendung des gleichen Beispiels wie für den 1-Mohm-Kohlenstofffilm oben entsprechen 50 ppm/C bei einer Temperaturänderung von 80 °C einer Änderung von 0,4 % oder 4 Kiloohm.

Metallfilme beginnen ebenfalls bei einer niedrigeren Toleranz von 0,1 %. Darüber hinaus verfügen sie über ein gutes Rauschverhalten, eine geringe Nichtlinearität und eine gute Langzeitstabilität sowie ein breites Einsatzspektrum.

Dies ist im Großen und Ganzen das Gleiche wie bei Metallschichtwiderständen, mit der Ausnahme, dass das Metall oft aus Zinnoxid besteht, das mit Antimonoxid für den Widerstand verunreinigt ist. Dies verleiht ihm eine bessere Leistung als Kohlenstofffolie oder Metallfolie in Bezug auf Nennspannung, Überlastungen, Überspannungen und hohe Temperaturen. Während Kohleschichtwiderstände für etwa 200 °C und Metallschichtwiderstände für 250–300 °C ausgelegt sind, funktioniert Metalloxid bei 450 °C. Allerdings weisen sie schlechtere Stabilitätseigenschaften auf.

Drahtwiderstände werden hergestellt, indem ein Draht um einen Kunststoff-, Keramik- oder Glasfaserzylinder gewickelt wird. Da der Draht auf eine präzise Länge zugeschnitten werden kann, können diese einen hochpräzisen Widerstandswert mit einer Toleranz von 0,1 % oder besser aufweisen. Um einen hohen Widerstand zu erreichen, muss der Draht sehr dünn und sehr lang sein. Der Draht kann für niedrigere Nennleistungen dünn oder für höhere Nennleistungen dicker sein. Es kann aus einer Reihe von Legierungen hergestellt werden, darunter Nickel-Chrom, Kupfer, Silber, Eisen-Chrom und Wolfram.

Abhängig vom verwendeten Drahtmaterial sind sie in der Regel dafür ausgelegt, hohen Temperaturen standzuhalten. Reine Wolframdrähte haben eine maximale Temperaturbewertung von 1700 °C, während Silberdrähte im Bereich von 0 bis 150 °C liegen können. Der TCR für Präzisionsdrahtwiderstände liegt bei etwa 5 ppm/C. Bei drahtgewickelten Hochleistungswiderständen ist der TCR höher und variiert stärker.

Drahtgewickelte Hochleistungswiderstände können von 0,5 W bis 1000 W reichen, und Widerstände im Hunderter-Watt-Bereich können mit Hochtemperatur-Silikon oder Glasemaille beschichtet sein. Für eine optimale Wärmeableitung kann sogar ein Aluminiumgehäuse mit Kühlrippen verwendet werden, obwohl diese offenbar im 50-W-Bereich liegen.

Da es sich bei dem gewickelten Draht grundsätzlich um eine Spule handelt, verfügen sie über eine ausreichende Induktivität und Kapazität, um bei hohen Frequenzen schlechte Eigenschaften zu haben. Um dies zu reduzieren oder zu beseitigen, werden andere Wicklungsmethoden angewendet, wie z. B. die bifilare Wicklung, die Wicklung auf einem Flachformer und die Ayrton-Perry-Wickelung, wie in der Abbildung gezeigt.

Bei der bifilaren Wicklung entfällt die Induktion, die Kapazität ist jedoch hoch. Durch das Aufwickeln auf einen sehr dünnen, flachen Träger liegen die Drähte dicht beieinander und die Induktion wird verringert. Und da bei der Ayrton-Perry-Wicklung die Wicklungen mit Strom in entgegengesetzter Richtung nahe beieinander liegen, wird die Selbstinduktion verringert und die Kapazität minimiert, da die Potentiale an den Schnittpunkten gleich sind.

Potentiometer sind aufgrund ihrer Haltbarkeit häufig drahtgewickelte Widerstände. Drahtwiderstände werden häufig auch in Leistungsschaltern oder Sicherungen verwendet. Und ihre Induktion kann verbessert und als Stromsensoren sinnvoll genutzt werden, indem die induktive Reaktanz gemessen wird, um den durch sie fließenden Strom zu bestimmen.

Wie Sie sich vorstellen können, verwenden Folienwiderstände eine mehrere Mikrometer dicke Folie, meist eine Nickel-Chrom-Legierung mit Zusatzstoffen, die auf einem Keramikträger montiert ist. Obwohl es sie bereits seit den 1960er Jahren gibt, weisen sie von allen Widerständen die beste Stabilität und Präzision auf. Der gewünschte Widerstandswert wird durch Fotoätzen eines Musters in die Folie erhalten. Sie haben keine Induktivität, eine geringe Kapazität, eine gute Stabilität und eine schnelle thermische Stabilisierung. Die Toleranz kann bis zu 0,001 % betragen.

Der TCR liegt bei etwa 1 ppm/C. Im Vergleich zum obigen 1-Mohm-Metallfilm ist das bei einer Temperaturänderung von 80 °C eine Änderung von nur 0,008 % oder 80 Ohm. Es ist interessant, wie dies erreicht wird. Mit zunehmender Temperatur steigt natürlich auch der Widerstand. Der Widerstand ist jedoch so konstruiert, dass die steigende Temperatur zu einer Kompression der Folie führt, was zu einem Widerstandsabfall führt. Der Nettoeffekt ist eine sehr geringe Widerstandsänderung.

Da sie keine Induktivität aufweisen, eignen sich Folienwiderstände gut für Audioanwendungen, bei denen hohe Frequenzen im Spiel sind. Sie eignen sich auch für Anwendungen, die Präzision erfordern, beispielsweise in elektronischen Waagen. Und natürlich können sie auch an jedem Ort mit großen Temperaturschwankungen eingesetzt werden.

Die meisten SMD-Widerstände (Surface Mount Device) sind von diesem Typ. Die Schicht in Dickschichtwiderständen ist rund 1000 Mal dicker als in Dünnschichtwiderständen und Dickschichtwiderstände sind die kostengünstigsten Widerstände auf dem Markt. Eine dünne Folie kostet viel mehr als eine dicke Folie.

Dünnschichtwiderstände werden (normalerweise) durch Sputtern von Nickel-Chrom auf ein isolierendes Substrat hergestellt. Anschließend wird es durch Fotoätzen, Schleifen oder Laserbeschneiden geätzt. Dickschichtwiderstände werden im Sieb- und Schablonendruckverfahren hergestellt. Der Film ist eine Mischung aus einem Bindemittel, einem Träger und einem Metalloxid. Der Endbeschnitt erfolgt durch Schleif- oder Laserbeschnitt.

Die Dünnschichttoleranzen betragen bis zu 0,1 % und der TCR liegt bei 5 bis 50 ppm/C. Bei Dickfilmen liegen die Toleranzen bei bis zu 1 % mit TCRs von 50 bis 200 ppm/C. Außerdem weist eine Dünnschicht ein geringeres Widerstandsrauschen auf als eine Dickschicht.

Typische Anwendungen für Dünnfilme sind überall dort, wo hohe Präzision erforderlich ist. Dickschicht-Widerstände kommen in praktisch jedem elektrischen Gerät zum Einsatz – einige PCs enthalten über 1000 Dickschicht-SMD-Widerstände.

Es gibt auch andere Arten von Festwertwiderständen, aber die oben genannten sind diejenigen, die am ehesten in den Widerstandsschubladen der Leute zu finden sind. Gibt es Typen, die Sie für bestimmte Anwendungen besonders nützlich finden? Wenn ja, teilen Sie uns dies bitte in den Kommentaren unten mit, zusammen mit allen anderen Typen, die Sie häufig verwenden. Und wenn Sie einen weiteren Überblick über typische Komponenten wünschen, die Sie vielleicht finden oder für Ihre Sammlung benötigen, sollten Sie einen Blick auf unseren Artikel über Kondensatoren werfen.