Widerstand (Bauelement)
Schaltzeichen für
elektrischen Widerstand
nach DIN EN 60617
Schaltzeichen für
elektrischen Widerstand
nach ANSI
Ein Widerstand ist ein zweipoliges passives elektrisches Bauelement zur Realisierung eines ohmschen Widerstandes in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Hauptanwendungen sind:
- Reduzierung des fließenden Stromes auf zulässige Werte
- Teilen einer Spannung in einem bestimmten Verhältnis (Spannungsteiler)
- Erzeugung eines definierten Pegels für den Fall, dass eine Leitung nicht aktiv getrieben wird (Pullup- bzw. Pulldown-Widerstand)
Gruppen der elektrischen Widerstände
Elektrische Widerstände als Bauelement lassen sich nach verschiedenen Kriterien gruppieren. Hierzu gehören:
- Bauform
- Leistung
- Widerstandsmaterial
Bauformen
Die bekannteste Widerstands-Bauform ist der zylindrische keramische Träger mit axialen Anschlussdrähten. Diese Anschlussdrähte werden durch Löcher in Platinen geführt und mit den dort angeordneten Leiterbahnverbindungen verlötet. Der keramische Träger ist mit dem Widerstandsmaterial beschichtet, das entweder durch seine Zusammensetzung oder durch Einkerbungen 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 z. B. bei Heizlüftern und Manganin-Keramikwiderständen (siehe Links).
Wie von allen Bauelementen der Elektrotechnik werden auch SMD-Versionen von Widerständen hergestellt, diese treten als kleine Quader mit beispielsweise 1·2·0,5 mm Kantenlänge in Erscheinung, die an den beiden kleinsten Flächen Metallplättchen als Kontakte haben. 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 werden Metalloxid-Schichtwiderstände gefertigt. Diese sind besonders stabil gegenüber Migrationsprozessen bei hohen Spannungen.
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 sog. Kelvin-Anschlüsse d.h. zwei zusätzliche Anschlüsse, um den Messfehler durch den Spannungsabfall an der Kontaktierung zu vermeiden.
Elektrische Widerstände gibt es als fertige elektronische Bauelemente in den folgenden Bauformen:
- Schichtwiderstand
- Kohleschichtwiderstand
- Metallschichtwiderstand
- Metalloxid-Schichtwiderstand
- Folienwiderstand (planar)
- Bremswiderstand
- Shunt-Widerstand (Stangenform, Blech oder Folie)
- Massewiderstand
- Drahtwiderstand
- Potentiometer (Veränderbarer Widerstand)
In einer monolithischen integrierten Schaltung (Basismaterial einkristallines Silizium) ist die Wahl der Widerstands-Materialien sehr eingeschränkt. Hier wird für jeden benötigten Widerstand 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.
Abstufung der Widerstandswerte
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 ganzahlig) abgestuften E-Reihen. Je nach Toleranz haben Widerstände Werte aus der E12- (10 %), E24- (5 %), E48- (2 %) oder E96-Reihe (1 %).
Beispielsweise sind die Werte der Toleranzreihe E12 = {10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82}. Die Werte sind so gewählt, dass sich die Toleranzbereiche überlappen und sich somit eine minimale Anzahl von Lagerwerten ergibt.
Codierung der Widerstandswerte
Widerstände in runder Bauform für elektronische Schaltungen können (oder konnten, da das Verfahren sehr alt ist) nicht mit lesbaren 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. Siehe hierzu den Widerstandsfarbcode.
SMD-Widerstände
SMD-Widerstände sind Miniaturwiderstände für das direkte Verlöten auf der Leiterplattenoberfläche. Durch geringe Abmessungen ermöglichen Sie den Bau kompakter Geräte.
Darüber hinaus hat diese Bauform in der HF-Technik wesentliche Vorteile gegenüber bedrahteten Bauteilen, da die durch Widerstandswindungen und Anschlussbeinchen entstehenden Induktivitäten stark reduziert werden.
SMD-Bauelemente sind in verschiedenen Bauformen erhältlich:
- 2512, 1210, 1206, 0805, 0603, 0402, 0201, 01005
Dabei geben die ersten beiden Ziffern die Länge und die letzten beiden die Breite des Bauteils in 1/100 Zoll (= 0,254 mm) an.
- Bauteil 0805 → Länge: 08·0,254 mm = 2,032 mm, Breite: 05·0,254 mm = 1,27 mm
SMD-Widerständen der Toleranzklasse 5 % sind 3 Ziffern aufgestempelt. Die ersten 2 Ziffen geben den Widerstandswert an, die dritte die Anzahl der angehängten Nullen.
- 472 = 47 + 2 Nullen = 4700 Ω = 4,7 kΩ
- 104 = 10 + 4 Nullen = 100.000 Ω = 100 kΩ
- 101 = 10 + 1 Null = 100 Ω
SMD-Widerstände der Toleranzklasse 1 % weisen einen Aufdruck mit vier Ziffern auf. Dabei geben die ersten 3 Ziffern den Widerstandswert an, die vierte die Anzahl der angehängten Nullen.
- 1002 = 100 + 2 Nullen = 10.000 = 10 kΩ
- 1003 = 100 + 3 Nullen = 100.000 = 100 kΩ
Für sehr kleine Widerstandswerte wird der Buchstabe 'R' als Komma verwendet.
- 10R = 10 Ω
- 1R5 = 1,5 Ω
- R005 = 0,005 Ω = 5 mΩ
Weiterfürende Artikel zu SMD-Widerständen: Metal Electrode Faces, Chip-Bauform
Farbcodes von Widerständen
Es gibt Farbcodes mit 4 Ringen, mit 5 Ringen oder 6 Ringen. Bei 4 Ringen geben die ersten beiden Ringe die Zahlenwerte an (siehe Tabelle unten), der 3. Ring gibt den Multiplikator (1= ×1, 2= ×10, 3= ×100) und der 4. Ring gibt die Toleranzklasse an. Bei 5 Ringen geben die ersten 3 Ringe den Zahlenwert an, der 4. Ring ist der Multiplikator und der 5. Ring die Toleranzklasse. Bei 6 Ringen ist es genau wie bei 5 Ringen, nur, dass ein 6. Ring dazu kommt, der eine Information über den Temperaturkoeffizienten enthält.
Die Farbkodierung ist in der DIN IEC 62, bzw. für Widerstände mit Angabe des Temperaturkoeffizienten nach DIN 41429 wie folgt festgelegt:
| Farbe | Widerstandswert in Ω | Toleranz | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 1. Ring | 2. Ring | 3. Ring (Multiplikator) |
4. Ring | ||
| „keine“ | × | — | — | — | ±20 % |
| silber | — | — | 1·10-2 = 0,01 | ±10 % | |
| gold | — | — | 1·10-1 = 0,1 | ±5 % | |
| schwarz | — | 0 | 1·100 = 1 | — | |
| braun | 1 | 1 | 1·101 = 10 | ±1 % | |
| rot | 2 | 2 | 1·102 = 100 | ±2 % | |
| orange | 3 | 3 | 1·103 = 1.000 | — | |
| gelb | 4 | 4 | 1·104 = 10.000 | — | |
| grün | 5 | 5 | 1·105 = 100.000 | ±0,5 % | |
| blau | 6 | 6 | 1·106 = 1.000.000 | ±0,25 % | |
| violett | 7 | 7 | 1·107 = 10.000.000 | ±0,1 % | |
| grau | 8 | 8 | 1·108 = 100.000.000 | — | |
| weiß | 9 | 9 | 1·109 = 1.000.000.000 | — | |
Widerstände hoher Genauigkeit (Metallschichtwiderstände) haben meistens 5 oder 6 Ringe. Bei 5 Ringen geben die ersten drei die Werte an, Ring 4 den Multiplikator und Ring 5 die Toleranz. Ein sechster Ring gibt den Temperaturkoeffizienten an.
| Farbe | 1. Ring (1. Ziffer) |
2. Ring (2. Ziffer) |
3. Ring (3. Ziffer) |
4. Ring (Multiplikator) |
5. Ring (Toleranz) |
6. Ring (Temp. Koeffizient) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| silber | 1·10-2 | ±10% | ||||
| gold | 1·10-1 | ±5% | ||||
| schwarz | 0 | 0 | 1 | 200 10-6 K-1 | ||
| braun | 1 | 1 | 1 | 1·101 | ±1% | 100 10-6 K-1 |
| rot | 2 | 2 | 2 | 1·102 | ±2% | 50 10-6 K-1 |
| orange | 3 | 3 | 3 | 1·103 | 15 10-6 K-1 | |
| gelb | 4 | 4 | 4 | 1·104 | 25 10-6 K-1 | |
| grün | 5 | 5 | 5 | 1·105 | ±0,5% | |
| blau | 6 | 6 | 6 | 1·106 | ±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
- Ein Widerstand mit den Farbringen gelb–violett–rot–braun bedeutet 47·102 und weist eine Toleranz von ±1 % auf. Daraus ergibt sich für den Widerstand ein Wert von 4,7 kΩ mit einer möglichen Toleranz von 4,653 kΩ bis 4,747 kΩ.
- Ein Widerstand mit den 5 Ringen grün–braun–braun–rot–braun bedeutet 511·102 und weist eine Toleranz von 1 % auf. Damit hat dieser Widerstand einen Wert von 51,1 kΩ ±1 %.
Thermistoren
Thermistoren sind Widerstände mit einer gezielt ausgeprägten Temperaturabhängigkeit. Man unterscheidet zwischen:
- PTC-Widerständen (positiver Temperaturkoeffizient), der Widerstand steigt mit steigender Temperatur (Kaltleiter)
- NTC-Widerständen (negativer Temperaturkoeffizient), der Widerstand sinkt mit steigender Temperatur (Heißleiter)
Siehe auch
- Liste elektronischer Bauteile
- Supraleiter
- Varistor
- Kaltleiter
- Heißleiter
- Vorwiderstand
- Eingangswiderstand
- Ausgangswiderstand
- Widerstandstabelle
- Elektrischer Widerstand