Widerstand (Bauelement)

Grundprinzip und Anwendungen

Ein elektrischer Widerstand ist ein zweipoliges passives Bauelement, das einen ohmschen Widerstand in einer elektrischen oder elektronischen Schaltung realisiert. Bei einem linearen Widerstand sind Stromstärke und angelegte Spannung proportional; sein Widerstandswert hängt nicht von einem weiteren Parameter ab. Er kann daher als Strom-Spannungs-Wandler oder Spannungs-Strom-Wandler dienen. Anders als eine elektrische Sicherung begrenzt er den Strom nicht einfach ab einem Grenzwert.

Wichtige Anwendungen sind:

• Begrenzen oder Einstellen der Stromstärke durch einen Vorwiderstand.
• Erzeugen einer bestimmten Spannung an einem Arbeits- oder Messwiderstand, etwa einem Shunt zur Strommessung.
• Aufteilen einer Spannung durch mindestens zwei in Reihe geschaltete Widerstände, den Spannungsteiler.
• Aufteilen eines Stroms durch mindestens zwei parallel geschaltete Widerstände, den Stromteiler.
• Festlegen eines definierten Signalpegels an einem sonst unbeschalteten hochohmigen Eingang durch Pullup- oder Pulldown-Widerstände.
• Einstellen der Arbeitspunkte von Transistoren oder Operationsverstärkern.
• Umwandeln elektrischer Energie in Wärme, beispielsweise in Glühlampen, Lötkolben, Heizlüftern, Ersatzlasten und Widerstandsbremsen.
• Herstellen definierter Eingangs- und Ausgangsimpedanzen zur Impedanzanpassung.

Besonders aufgebaute Schichtwiderstände und PTC-Sicherungen können bei Überlastung als Sicherung wirken. Dabei müssen sie den Strom sicher unterbrechen, ohne zu entflammen.

Kenngrößen und Einteilung

Der Nennwiderstand allein beschreibt ein Bauteil nicht vollständig. Weitere wichtige Kenngrößen sind die Toleranz des Widerstandswerts, die maximale Verlustleistung, die höchstens zulässige Oberflächen- oder Filmtemperatur und die Spannungsfestigkeit. Der Temperaturkoeffizient gibt die Widerstandsänderung je Kelvin an, beispielsweise in der Form TKxxx mit xxx in ppm/K.

Hinzu kommen Langzeitstabilität beziehungsweise Langzeitdrift, Veränderungen durch die Verarbeitung wie die Lötdrift, Impulsbelastbarkeit und die zulässige kurzzeitige Überlastung. Reale Widerstände besitzen außerdem parasitäre Induktivität und Kapazität. Weitere Eigenschaften sind das material- und spannungsabhängige Stromrauschen sowie die Spannungsabhängigkeit des Widerstandswerts, die besonders bei hochohmigen Messwiderständen wichtig ist.

Nach ihrem Einsatz werden unter anderem unterschieden:

• Präzisionswiderstände mit weniger als 0,1 % Abweichung, etwa in analogen Operationsverstärkerschaltungen.
• Messwiderstände mit weniger als 0,5 % Abweichung, beispielsweise Shunts.
• Feste oder variable Spannungsteiler und Stellwiderstände.
• Arbeits-, Vor- und Abschlusswiderstände; für allgemeine elektronische Anwendungen sind 1 bis 5 % Toleranz üblich.
• Pullup- und Pulldown-Widerstände in Digitalschaltungen, bei denen oft mehr als 10 % Toleranz ausreichen.

Widerstände lassen sich außerdem nach Leistung, Widerstandsmaterial, Bauform und danach einteilen, ob ihr Wert fest, einstellbar oder von physikalischen Parametern abhängig ist.

Bauformen und Materialien

Eine verbreitete bedrahtete Bauform besitzt einen zylindrischen keramischen Träger und axiale Anschlussdrähte für die Durchsteckmontage. Auf dem Träger liegt das Widerstandsmaterial. Zusammensetzung, Schichtdicke oder eine wendelförmige Einkerbung bestimmen den Widerstandswert. Typische maximale Verlustleistungen liegen zwischen 0,1 W und 5 W. Mit Quarzsand gefüllte Drahtwiderstände mit quadratischem Querschnitt eignen sich für höhere Leistungen.

Widerstandsschichten können mäanderförmig verlaufen. Dadurch lässt sich eine große wirksame Länge auf kleiner Fläche unterbringen, die Spannungsfestigkeit erhöhen oder ein kleiner Widerstandswert mit hoher Belastbarkeit herstellen. SMD-Widerstände werden als Schicht auf Keramiksubstrate aufgebracht und in kleine Chips getrennt. Metallkontakte an den Enden dienen zum direkten Verlöten auf der Leiterplatte.

Das Material beeinflusst Genauigkeit und Temperaturverhalten:

• Kohleschichten sind vergleichsweise ungenau und haben einen negativen Temperaturkoeffizienten.
• Metallschichten ermöglichen höchste Genauigkeiten und je nach Legierung sehr kleine Temperaturkoeffizienten. Metalle besitzen im Allgemeinen einen positiven Temperaturkoeffizienten. Als Sicherungswiderstände können Metallschichtwiderstände bei Überlastung den Stromfluss sicher unterbrechen.
• Metalloxid-Schichtwiderstände eignen sich für sehr hohe Widerstände und Spannungen und sind gegenüber Migrationsprozessen besonders stabil.
• Metallfolie, etwa Manganin, wird für kleine, hoch belastbare Shunts und Bremswiderstände verwendet. Shunts besitzen häufig Kelvin-Anschlüsse: Zwei zusätzliche Messanschlüsse vermeiden Fehler durch Spannungsabfälle an den Stromanschlüssen.

Weitere Ausführungen sind Cermet- beziehungsweise Dickschichtwiderstände, Kohle- und Keramikmassewiderstände, Drahtwiderstände, Thermistoren, Fotowiderstände und Varistoren. Für Hochfrequenz gibt es induktionsarme, ungewendelte oder koaxiale Bauformen; Hochspannungswiderstände sind lang, mäanderförmig und teilweise vergossen oder in Öl untergebracht. In monolithischen integrierten Schaltungen wird meist polykristallines Silizium verwendet. Wegen des Flächenbedarfs ersetzen besonders beschaltete Transistoren dort Widerstände, wenn dies möglich ist.

Festwiderstände, Normwerte und Größen

Festwiderstände sind ohmsche Widerstände mit nicht einstellbarem Wert. Sie werden durch Nennwiderstand, Belastbarkeit, Auslieferungstoleranz und Güteklasse beschrieben. Ihre Nennwerte folgen heute fast ausschließlich international gültigen IEC-Normreihen, weil nicht jeder beliebige Wert wirtschaftlich hergestellt und gelagert werden kann.

Die Werte der E-Reihen bilden geometrische Folgen. Jede Dekade enthält n verschiedene Werte mit dem Faktor q = 10^(1/n); für die internationalen Reihen gilt n = 3·2^a mit ganzzahligem a. Typische Zuordnungen sind E12 für 10 %, E24 für 5 %, E48 für 2 % und E96 für 1 %. Die Prozentangaben bezeichnen Mindestgenauigkeiten. E12 enthält pro Dekade die Werte {10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82}; durch Multiplikation mit Zehnerpotenzen entstehen weitere Dekaden. Die Toleranzbereiche benachbarter Werte überlappen. Ist ein benötigter Wert nicht vorhanden und auch nicht sinnvoll durch mehrere Bauteile herstellbar, kann ein einstellbarer Widerstand verwendet werden.

Bei bedrahteten Kleinleistungswiderständen ist die Bauform 0207 mit etwa 2,3 mm Durchmesser und 6 mm Länge verbreitet. Sie ist für bis zu 0,25 W bei Kohleschicht- beziehungsweise 0,5 W bei Metallschichtwiderständen ausgelegt. Die kleinere Bauform 0204 misst ungefähr 1,5 mm × 3,2 mm und verträgt je nach Ausführung 0,1 W bis 0,4 W.

SMD-Widerstände werden direkt auf die Leiterplattenoberfläche gelötet. Ihre kurzen Anschlüsse verringern parasitäre Induktivitäten, was besonders in der Hochfrequenztechnik wichtig ist. Es gibt runde MELF- und überwiegend quaderförmige Chip-Bauformen. Beispiele sind 1206 mit 3,20 mm × 1,60 mm, 0,25 W und 200 V, 0805 mit 2,00 mm × 1,25 mm, 0,125 W und 150 V sowie 0402 mit 1,02 mm × 0,5 mm, 0,063 W und 50 V. Die sehr kleine Bauform 01005 misst 0,4 mm × 0,2 mm; Richtwerte sind 0,03 W und 15 V. Maßgeblich bleibt jeweils das Datenblatt.

Kennzeichnung und Ablesen

Bei alphanumerischen Angaben kann „R“ als Dezimaltrennzeichen dienen: 10R bedeutet 10 Ω, 1R5 bedeutet 1,5 Ω und R005 bedeutet 0,005 Ω beziehungsweise 5 mΩ. Auch SI-Präfixe können diese Funktion übernehmen: 10k sind 10 kΩ, 1M5 sind 1,5 MΩ und 0k5 sind 500 Ω.

SMD-Widerstände der Größe 0402 und kleiner tragen meist keinen Aufdruck. Bei einer dreistelligen Kennzeichnung bilden die ersten beiden Ziffern den Grundwert und die dritte den Zehnerexponenten: 472 = 47·10² Ω = 4,7 kΩ, 104 = 100 kΩ und 101 = 100 Ω. Unter 10 Ω ersetzt R den Dezimalpunkt, etwa 1R0 = 1,0 Ω. Bei vier Stellen geben die ersten drei Ziffern den Grundwert und die vierte den Exponenten an: 1002 = 10 kΩ und 1003 = 100 kΩ; 10R0 bedeutet 10,0 Ω.

Für feinere Werte, besonders aus E96, wird die EIA-96-Kodierung verwendet. Zwei Ziffern bezeichnen einen Tabellenwert, ein Buchstabe den Multiplikator: Y = 10^−2, X = 10^−1, A = 10^0, B = 10^1, C = 10², D = 10³, E = 10⁴ und F = 10⁵. Beispiele sind 01Y = 1 Ω, 02X = 10,2 Ω, 03A = 105 Ω und 04B = 1,07 kΩ. Die Tabellenwerte lassen sich mit Wert = ⌊100·10^((Code−1)/96)+0,5⌋ berechnen.

Bei bedrahteten Widerständen zeigen Farbringe Wert und Toleranz. Bei drei oder vier Ringen stehen die ersten beiden für Ziffern, der dritte für den Multiplikator und der vierte für die Toleranz; ohne vierten Ring gilt ±20 %. Bei fünf oder sechs Ringen liefern die ersten drei den Zahlenwert, Ring vier den Multiplikator, Ring fünf die Toleranz und Ring sechs gegebenenfalls den Temperaturkoeffizienten. Die Leserichtung erkennt man meist am kleineren Randabstand des ersten oder am größeren Abstand des letzten Rings. Gelb–violett–rot–braun bedeutet 47·10² Ω = 4,7 kΩ bei ±1 %, also 4,653 kΩ bis 4,747 kΩ. Grün–braun–braun–orange–blau bedeutet 511 kΩ bei ±0,25 %.

Parameterabhängige und verstellbare Widerstände

Bei parameterabhängigen oder nichtlinearen Widerständen hängt der Widerstandswert von Größen wie Temperatur, Licht, Spannung, Druck oder Dehnung ab. Deshalb lässt sich der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom nicht durch die ohmsche Beziehung mit einem konstanten R beschreiben.

Thermistoren besitzen eine gezielt starke Temperaturabhängigkeit. Bei PTC-Widerständen, den Kaltleitern, steigt der Widerstand mit der Temperatur. Sie dienen unter anderem als Temperatursensoren, selbstrückstellende Sicherungen und selbstregelnde Heizelemente. Bei NTC-Widerständen, den Heißleitern, sinkt der Widerstand mit steigender Temperatur; sie werden beispielsweise zur Temperaturmessung und Einschaltstrombegrenzung eingesetzt.

Ein Fotowiderstand oder LDR verringert seinen Widerstand bei Lichteinfall durch den inneren fotoelektrischen Effekt. Ein Varistor, auch MOV oder VDR, besteht meist aus dotiertem Zinkoxid. Sein Widerstand fällt bei zunehmender Spannung besonders ab einer charakteristischen Schwellspannung stark ab, und zwar bei beiden Polaritäten. Varistoren begrenzen Überspannungsimpulse mit Schwellspannungen von 5 V bis zu mehreren Kilovolt, dienen aber nicht zur Spannungsstabilisierung.

Dehnmessstreifen sind Folienwiderstände, deren Wert sich mit der Dehnung ändert; daraus wird die mechanische Spannung des Bauteils bestimmt, auf das sie geklebt sind. Gestapelte Graphitscheiben verringern ihren Widerstand unter Druck und wurden früher etwa in pedalbetätigten Nähmaschinensteuerungen eingesetzt. Auch Kohlemikrofone verändern ihren Widerstand durch den wechselnden Membrandruck auf eine Kohlegrießfüllung.

Mechanisch verstellbare Widerstände heißen Potentiometer. Sie besitzen drei Anschlüsse: zwei Anschlüsse der Widerstandsbahn und einen Schleifer, an dem ein Teilwiderstand abgegriffen wird. Sie eignen sich für häufiges Verstellen, etwa zur Pegeleinstellung oder zur Erfassung einer Winkel- oder linearen Position. Trimmpotentiometer mit geringer und Stellwiderstände mit großer Leistung sind eher für gelegentliche Abgleichvorgänge bestimmt. Veränderliche Leistungswiderstände werden historisch als Rheostate bezeichnet. Bei Wasserwiderständen tauchen Elektroden in ein geschlossenes Wassergefäß; ihre Eintauchtiefe kann den Widerstand verändern. Solche Widerstände wurden unter anderem zum Anlassen von Schleifringläufermotoren oder zur Sternpunktbehandlung in Umspannwerken eingesetzt; Flüssigkeitsanlasser für sehr große Leistungen konnten statt Wasser Schwefelsäure enthalten.