Widerstände (Resistoren) – wie funktionieren sie?

Was genau ist ein Widerstand?

Ein Widerstand ist ein mit einem Isolator beschichtetes Widerstandsmaterial, das mit zwei Leitungen verbunden ist, die zum Anschluss an einen Stromkreis verwendet werden. Aufgrund ihres Aufbaus unterscheidet man zwischen den folgenden Grundtypen von Widerständen:

Geschichtete:

• Kohlenstoff – die Widerstandsfunktion wird von einer Kohlenstoffschicht übernommen, die während des Abscheidungsprozesses auf das Keramikrohr aufgebracht wird

• Metall – als Widerstandsschicht wird eine Metallschicht verwendet, die während des Abscheidungsprozesses auf das Keramikrohr aufgebracht wird,
• Folie – das Widerstandselement ist hier eine Folie aus einer Metalllegierung, die auf einen Körper aus Isoliermaterial gewickelt ist.

Draht (Präzision) – ein hochohmiger Draht ist um einen Kern aus Isoliermaterial gewickelt.

In elektrischen Schaltplänen wird ein standardisiertes grafisches Symbol zur Darstellung eines Widerstands verwendet:

oder ersetzbar verwendet werden:

.

Der Widerstand selbst wird in elektrischen Schaltplänen mit dem Widerstandssymbol – dem Buchstaben “R” – gekennzeichnet oder mit einem Widerstandswert beschrieben. Die Grundeinheit des Widerstands nach dem Internationalen Einheitensystem (Système international d’unités, SI), das allgemein als SI-System bezeichnet wird, ist das Ohm, dessen Symbol der Buchstabe des griechischen Alphabets [Ω] (Omega) ist.

Ein bisschen Theorie, oder wie ein Widerstand funktioniert

Podstawą, która pozwoli Ci zrozumieć, jak działa rezystor w obwodzie elektrycznym, jest fundamentalne w dziedzinie elektroniki i elektryki zjawisko fizyczne odkryte w latach 1825-1826 przez niemieckiego nauczyciela matematyki i fizyki – Georga Simona Ohma. Zjawisko to potocznie znane jest jako prawo Ohma.

Wir können die Proportionalität von Spannung und Strom durch die Formel ausdrücken:

U = I x R 

wobei U die elektrische Spannung, ausgedrückt in Volt [V], und I der Strom, der durch den Leiter fließt, ausgedrückt in Ampere [A], ist. Man sieht, dass der Proportionalitätsfaktor der Widerstand R in der Einheit Ohm [Ω] ist.

Wenn wir dieses Gesetz als Proportionalität von Strom und Spannung schreiben, erhalten wir:

I = G x U

Dabei ist I der durch den Leiter fließende Strom in Ampere [A], U die elektrische Spannung in Volt [V] und der Proportionalitätsfaktor ist der Leitwert G in Siemens [S], der den Kehrwert des Widerstands R darstellt.

Parameter der Widerstände

Wie jedes elektronische Bauteil hat auch ein Widerstand eine Reihe von Parametern, die ihn beschreiben. Diese grundlegenden Parameter sind der Widerstand und die Nennleistung (Verlustleistung). Wie Sie bereits wissen, wird der Widerstand in Ohm [Ω] angegeben. Widerstände werden mit Widerständen hergestellt, die von Bruchteilen eines Ohm bis zu Gigaohm (1.000.000.000 Ohm) reichen. Die Verlustleistung, ausgedrückt in Watt [W], ist die höchste zulässige Leistung, die ein Widerstand im Dauerbetrieb und bei Temperaturen unter +700C abgibt. Typische Werte liegen im Bereich von einigen zehn bis einigen hundert Watt. Darüber hinaus wird für den Widerstand eine Toleranz (Genauigkeitsklasse) angegeben. Diese gibt an, wie weit der tatsächliche Widerstand von dem vom Hersteller angegebenen Nennwiderstand abweichen darf. Die Toleranz wird in [%] des Nennwerts angegeben und kann von Bruchteilen eines Prozents bis zu 20 [%] reichen. Wenn zum Beispiel ein Widerstand mit einem Nennwiderstandswert von 220 [Ω] eine Toleranz von 10 [%] hat, bedeutet dies, dass der Hersteller zulässt, dass der tatsächliche Widerstandswert dieses Widerstands zwischen 198 und 242 [Ω] liegt! Ein weiterer Parameter des Widerstands ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands, der angibt, wie stark sich der Wert des Widerstands bei Temperaturänderungen ändert. Das physikalische Phänomen, dass Strom durch einen Leiter fließt, geht nämlich mit der Erzeugung von Wärmeenergie einher. Es ist erwiesen, dass sich bei leitenden Materialien der Widerstandswert des Leiters mit der Temperatur ändert. Hier endet die Theorie und beginnt die Praxis. Ein Widerstand ist nur in einer gewissen Vereinfachung ein lineares Element, und diese Annahme ist in vielen Anwendungen ausreichend. Zurück zum Temperaturkoeffizienten des Widerstands: Wie wirkt sich die Temperatur auf einen Widerstand aus? Der Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab, wie die folgende Kennlinie zur Veranschaulichung zeigt.

Der Temperaturkoeffizient des Widerstands wird meist in [ppm/K] angegeben. Was ist ppm? Es ist eine Abkürzung für parts per million, also 1 [ppm] = 1/1000000 = 10-6. Wenn wir also [ppm] als Prozentsatz ausdrücken wollen, ergibt sich Folgendes: 1[%] = 10000 [ppm] = 104[ppm]. [K] ist das Kelvin – die Einheit der Temperatur auf einer absoluten Skala: T[K] = t[C] +273,15, also z. B. 373,15 K = 1000 C.

Führen Sie einige solcher Experimente durch, bei denen Sie den Widerstand vor dem Erhitzen des Widerstands messen, ihn mit einem Lötkolben erwärmen, abkühlen lassen und erneut messen. Die Ergebnisse werden interessant sein, und in vielen Fällen überraschend! Tipps zur Messung des Widerstandes eines Widerstandes finden Sie weiter unten in dieser Beschreibung.

Wie kaufe ich den richtigen Widerstand?

Sie müssen bedenken, dass die Hersteller elektronischer Bauteile, und dazu gehören auch Widerstände, bestimmte Einschränkungen in Form von Typen eingeführt haben. Mit anderen Worten, es gibt keinen Widerstand mit beliebigem Widerstandswert, Toleranz oder Verlustleistung. Es gibt eine endliche Anzahl von Widerständen, und um Ihnen die Auswahl zu erleichtern, gibt es Tabellen, aus denen Sie den Widerstand mit den Parametern auswählen können, die Ihren Anforderungen am ehesten entsprechen.

Toleranzwerte, Temperaturkoeffizient und typische Leistungswerte von Widerständen:

Widerstandswertreihe:

Ich habe einen Widerstand – wie kann ich seine Parameter entziffern?

Die Hersteller von Widerständen haben, um die Beschreibungen ihrer Parameter zu standardisieren und um sie auf der kleinen Oberfläche des Bauteils unterbringen zu können, Codes in ihre Bezeichnungen aufgenommen, so dass Elektronikingenieure auf der ganzen Welt die Daten eines Widerstands anhand zweier Tabellen ablesen können.

Eine davon ist eine Tabelle mit Farbcodes (gemeinhin als Strichcodes bekannt). Anhand der zwölf Farben und ihrer spezifischen Anzahl und Reihenfolge können Sie die Werte der grundlegenden Parameter der Widerstände ablesen, nämlich: Widerstandswerte, Toleranz und Temperaturkoeffizient.

Aufgrund der Anzahl der Streifen im Code gibt es vier Kennzeichnungsprinzipien:

6-Streifen-Widerstandscode:

Beispiel für die Farbcodierung von Widerständen mit einem 6-strichigen Farbcode:

Der oben gezeigte Widerstand hat einen Widerstand von 649 [Ω], wird mit einer Toleranz von ± 0,5 [%] hergestellt und hat einen Temperaturkoeffizienten von ± 50 [ppm/K].

5-Streifen-Widerstandscode:

Beispiel für die Farbcodierung eines 5-strichigen Widerstands:

Der oben gezeigte Widerstand hat einen Widerstand von 220 [Ω], wird mit einer Toleranz von ± 0,25 [%] hergestellt und sein Temperaturkoeffizient ist nicht angegeben.

4-Streifen-Widerstandscode:

Beispiel für die 4-strichige Farbcodierung eines Widerstands:

Der oben gezeigte Widerstand hat einen Widerstand von 3300 [Ω] (3,3 [kΩ]), wird mit einer Toleranz von ± 0,25 [%] hergestellt und sein Temperaturkoeffizient ist nicht angegeben. Wie man sieht, gibt es nur zwei signifikante Ziffern in der 4-strichigen Codebeschreibung.

3-Streifen-Widerstandscode:

Beispiel für die 3-strichige Farbcodierung eines Widerstands:

Der oben gezeigte Widerstand hat einen Widerstand von 78 [Ω], wird mit einer Toleranz von ± 20 [%] hergestellt (kein Balken, der den Toleranzwert angibt) und sein Temperaturkoeffizient ist nicht angegeben. Es gibt zwei signifikante Ziffern in der 3-strichigen Codebeschreibung.

Wie kann man das feststellen? Nichts leichter als das. Denken Sie einfach an eine Regel: Der erste Streifen ist immer dünn und liegt am nächsten am Rand des Widerstands. Bei 5- und 6-strichigen Bezeichnungen ist der letzte Streifen etwa 50 bis 100% breiter als die anderen.

Oben wurde das Verfahren zur Kennzeichnung von Widerstandsparametern mit Strichcodes beschrieben.

In der Elektronikindustrie wird auch eine Beschreibungsmethode mit Ziffern und Buchstaben des Alphabets verwendet – insbesondere für kleine Widerstände in SMD-Technik oder Hochleistungswiderstände. Diese Methode wird von den beiden Normen IEC und MIL verwendet. Die IEC-Widerstandsbezeichnungen sind eine von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission entwickelte Norm. Sie geht davon aus, dass der Widerstandswert durch Zahlen (eins, zwei oder drei) und Buchstaben ausgedrückt wird, die die Symbole für den Multiplikator sind. Für gebrochene [Ω]-Werte wird der Buchstabe “R” anstelle des Dezimalpunkts eingefügt (Beispiele siehe Tabelle unten). MIL ist eine vom US-Militär eingeführte Norm, die als United States Military Standard bekannt ist. Sie sieht die Angabe von ein-, zwei- oder dreistelligen Widerstandswerten zusammen mit einem durch eine Ziffer ausgedrückten Multiplikator vor, und bei gebrochenen [Ω]-Werten wird wie in der IEC-Norm der Buchstabe “R” anstelle des Dezimalpunkts eingefügt. Außerdem kann in den IEC- und MIL-Normen dem Widerstandswert ein Symbol folgen, das die Toleranz angibt, sowie ein Koeffizientenwert.

Der Buchstabe “W” neben dem Wert steht stellvertretend für das Symbol der Widerstandseinheit Ohm – [Ω], also 1 W = 1 [Ω], 2,2 kW = 2,2 [kΩ] = 2200 [Ω], usw.

In der IEC-Norm sind die Buchstaben “K” und “M” Multiplikatoren:

K (von der Vorsilbe Kilo) = x1000

M (von der Vorsilbe Mega) = x1 000 000  

Der Buchstabe “R” dient als Dezimalpunkt.

Bei der MIL-Norm übernimmt die letzte Ziffer die Rolle des Multiplikators und gibt direkt die Anzahl der Nullen an, die zu den vorangehenden Ziffern addiert werden müssen, um den in [Ω] ausgedrückten Widerstandswert zu erhalten. Ein Beispiel:

Ein Widerstand, der mit der Zahl 182 bezeichnet wird:

signifikante Ziffern: 18, Multiplikatorstelle: 2, also ist der Widerstand 1800 [Ω] = 1,8 [kΩ]

ein Widerstand, der mit der Nummer 1334 bezeichnet wird:

signifikante Ziffern: 133, Multiplikatorstelle: 4, also ist der Widerstand 1330000 [Ω] = 1,33 [MΩ].

Wie Sie vielleicht bemerkt haben, enthalten die angegebenen Bezeichnungen nicht den bereits erwähnten wichtigen Parameter, nämlich die Leistung.

Verbindung von Widerständen

In elektronischen Schaltungen stößt man zwangsläufig auf Schaltungen, bei denen mehrere Widerstände miteinander verbunden sind. Es ist nützlich zu wissen, wie sie angeschlossen werden und wie eine solche Schaltung funktioniert. Wir unterscheiden zwischen drei Arten von Widerstandsverbindungen.

Reihenschaltung

Der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung beträgt:

R = R1 + R2 + … + Rn

Parallelschaltung

Der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung beträgt:

Kombinierte Widerstände in der Praxis, d.h. Spannungs- und Stromteiler

Die Kombination von Widerständen in verschiedenen Schaltungen hat ihren Sinn und Zweck. Eine davon ist der Spannungsteiler, der, wie der Name schon sagt, dazu dient, die Eingangsspannung in zwei oder mehr Werte zu unterteilen. 

Die Eingangsspannung U wird über die Widerstände R1 und R2 in Form von Spannungsabfällen mit den Werten U1 und U2 verteilt. Angenommen, wir wollen den Wert von U2 berechnen.

Der Stromteiler wird verwendet, um den Eingangsstrom in zwei oder mehr Werte aufzuteilen.

Wir werden den Wert des Stroms bestimmen, der durch den Widerstand R1 fließt.

Wozu werden Strom- und Spannungsteiler verwendet? In elektronischen Schaltungen dienen sie in erster Linie dazu, die Arbeitspunkte anderer elektronischer Bauteile wie Dioden und Transistoren zu bestimmen.

Widerstandsmessungen

Widerstandsmessungen werden mit universellen digitalen Multimetern, analogen Messgeräten und speziellen Messgeräten – Ohmmetern – durchgeführt.

Die Messungen werden auch mit einer indirekten Methode durchgeführt. Dabei wird der Spannungsabfall über einem Widerstand bestimmt und der durch ihn fließende Strom gemessen. Aus dem Ohm’schen Gesetz, mit dem Sie bereits vertraut sind, wissen Sie das:

Sie haben also etwas über das häufigste elektronische Bauteil, den Widerstand (Widerstände), seinen Aufbau, seine Funktionsweise, seine Kennzeichnung und die häufigsten Anwendungen gelernt. Jetzt ist es an der Zeit zu üben. Viel Glück!