Grundlagen zu Widerständen

Was ist ein Widerstand?

Der Widerstand ist das gebräuchlichste und bekannteste der passiven elektrischen Bauelemente. Ein Widerstand begrenzt den elektrischen Stromfluss in einem Stromkreis. Es gibt viele Verwendungszwecke für Widerstände: Sie dienen der Spannungsreduzierung, der Strombegrenzung, der Signalabschwächung, der Heizung, der Absicherung, der Versorgung elektrischer Lasten und der Spannungsteilung.

Einführung

Dieser Artikel über die Grundlagen zu Widerständen bietet einen Überblick über die Widerstandstypen und die gängige Terminologie, bevor eine Zusammenfassung der Widerstandsprodukte und der verschiedenen Technologien gezeigt wird.

Was ist das Ohmsche Gesetz?

Das Ohmsche Gesetz ist eine einfache Gleichung, die das Verhältnis zwischen Widerstand, Spannung und Strom durch einen Metalldraht oder ein anderes Widerstandsmaterial darstellt. Mathematisch ausgedrückt wird das Ohmsche Gesetz wie folgt beschrieben:

wobei I der Strom (Ampere), V die Spannung und R der Widerstand ist.

Das Ohmsche Gesetz kann auch die Beziehung zwischen Widerstand, Spannung und Leistung mit der folgenden Gleichung darstellen:

wobei P die Leistung (in Watt), V die Spannung und R der Widerstand ist.

Widerstandstypen

Festwiderstände

Ein Festwiderstand ist ein Widerstand, dessen Wert sich nicht ändern kann.

Variable Widerstände

Ein variabler Widerstand ist ein Widerstand, dessen Wert durch Drehen einer Welle oder Verschieben eines Reglers eingestellt werden kann. Sie werden auch als Potentiometer oder Rheostat bezeichnet und ermöglichen es, den Widerstand des Geräts von Hand zu verändern.

Nichtlineare Widerstände

Ein nichtlinearer Widerstand ist ein Widerstand, dessen Widerstandswert in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, der Temperatur oder dem Licht erheblich schwankt. Typen von nichtlinearen Widerständen sind Varistoren, Thermistoren und Fotowiderstände.

Allgemeine Terminologie für Widerstände

Kritischer Widerstandswert

Der maximale nominale Widerstandswert, bei dem die Nennleistung eingesetzt werden kann, ohne dass die maximale Betriebsspannung überschritten wird. Die Nennspannung ist gleich der maximalen Betriebsspannung im kritischen Widerstandsbereich.

Leistungsminderungskurve

Die Kurve, die das Verhältnis zwischen der Umgebungstemperatur und dem Höchstwert der kontinuierlich belastbaren Leistung bei der jeweiligen Temperatur ausdrückt, die im Allgemeinen in Prozent ausgedrückt wird.

Spannungsfestigkeit

Die Nennspannung, die an einem bestimmten Punkt zwischen dem Widerstandselement und der äußeren Beschichtung oder dem Widerstandselement und der Montagefläche angelegt werden kann, ohne einen dielektrischen Durchschlag zu verursachen.

Maximale Überlastspannung

Der Höchstwert der Spannung, die bei der Überlastprüfung kurzzeitig an Widerstände angelegt werden kann. In der Regel ist die angelegte Spannung bei der Kurzzeitüberlastungsprüfung 2,5 mal größer als die Nennspannung. Sie sollte jedoch die maximale Überlastspannung nicht überschreiten.

Maximale Betriebsspannung (oder maximale Begrenzungselementspannung)

Der Höchstwert der Gleich- oder Wechselspannung (effektiv), der kontinuierlich an Widerstände oder Elemente angelegt werden kann. Der Höchstwert der anwendbaren Spannung ist jedoch die Nennspannung bei dem kritischen Widerstandswert oder niedriger.

Rauschen

Rauschen ist ein unerwünschtes Wechselstromsignal aus dem Inneren des Widerstands. Widerstandsrauschen kann verheerende Auswirkungen auf schwache Signale, Ladungsverstärker, Verstärker mit hoher Verstärkung und andere rauschempfindliche Anwendungen haben. In rauschempfindlichen Anwendungen sollten am besten Widerstandstypen mit geringem oder minimalem Rauschen verwendet werden.

Nennleistung

Die Leistungsangaben basieren auf der physischen Größe, der zulässigen Änderung des Widerstands über die Lebensdauer, der Wärmeleitfähigkeit der Materialien, den Isolier- und Widerstandsmaterialien und den Betriebsbedingungen. Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn Sie die größten Widerstände bei weniger als ihrer maximalen Nenntemperatur und Leistung einsetzen.

Nenn-Umgebungstemperatur

Die maximale Umgebungstemperatur, bei der Widerstände dauerhaft mit der vorgeschriebenen Nennleistung betrieben werden können. Die Nenn-Umgebungstemperatur bezieht sich auf die Temperatur um die Widerstände im Gerät, nicht auf die Lufttemperatur außerhalb des Geräts.

Allgemeine Terminologie für Widerstände

Nennleistung

Die maximale Leistung, mit der ein Widerstand bei einer bestimmten Umgebungstemperatur kontinuierlich belastet werden kann. Netzwerk- und Array-Produkte haben sowohl eine Nennleistung pro Gehäuse als auch pro Element.

Nennspannung

Der Höchstwert der Gleich- oder Wechselspannung (effektiv), der bei der Nennumgebungstemperatur kontinuierlich an Widerstände angelegt werden kann.

Zuverlässigkeit

Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Widerstand (oder ein anderes Gerät) seine gewünschte Funktion erfüllt. Es gibt zwei Möglichkeiten, Zuverlässigkeit zu definieren. Die eine ist die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) und die andere die Ausfallrate pro 1000 Betriebsstunden. Beide Methoden zur Bewertung der Zuverlässigkeit müssen mit einer spezifischen Gruppe von Tests und einer Definition des Endes der Lebensdauer eines Geräts, wie z. B. einer maximalen Widerstandsänderung oder einem katastrophalen Ausfall (Kurzschluss oder Unterbrechung), bestimmt werden. Um diese Ausfallraten zu ermitteln, werden verschiedene statistische Untersuchungen durchgeführt und eine große Menge an Komponenten bei der maximalen Nenntemperatur und Nennlast bis zu 10.000 Stunden lang getestet (24 Stunden pro Tag für etwa 13 Monate). Die Zuverlässigkeit ist im Allgemeinen bei niedrigeren Leistungsstufen höher.

Widerstandstoleranz

Die Widerstandstoleranz wird als prozentuale Abweichung vom Nennwert angegeben und in der Regel bei 25 °C gemessen. Der Wert eines Widerstands ändert sich auch mit der angelegten Spannung (VCR) und der Temperatur (TCR). Bei Netzwerken bezieht sich die absolute Widerstandstoleranz auf die Gesamttoleranz des Netzwerks. Die Verhältnistoleranz bezieht sich auf das Verhältnis der einzelnen Widerstände zu den anderen im Gehäuse.

Stabilität

Die Stabilität ist die Veränderung des Widerstands mit der Zeit bei einer bestimmten Last, Feuchtigkeit, Belastung oder Umgebungstemperatur. Je geringer diese Belastungen sind, desto besser ist die Stabilität.

Temperatur-Widerstands-Koeffizient (TCR, auch bekannt als RTC)

TCR wird ausgedrückt als die Änderung des Widerstands in ppm (0,0001 %) mit jedem Grad Celsius Temperaturänderung. Der TCR-Wert wird in der Regel bei +25˚C angegeben und ändert sich mit steigender (oder fallender) Temperatur. Ein Widerstand mit einem TCR von 100 ppm/°C ändert sich bei einer Änderung von 10°C um 0,1% und bei einer Änderung von 100°C um 1%. Im Zusammenhang mit einem Widerstandsnetz wird der TCR-Wert als absoluter TCR bezeichnet, da er den TCR eines bestimmten Widerstandselements definiert. Der Begriff TCR-Tracking bezieht sich auf die TCR-Differenz zwischen den einzelnen Widerständen in einem Netz.

Temperaturklasse

Die Temperaturklasse gibt die maximal zulässige Temperatur an, bei der der Widerstand verwendet werden darf. Sie wird im Allgemeinen mit zwei Temperaturen definiert. Zum Beispiel kann ein Widerstand bei Volllast für bis zu +70°C ausgelegt sein und bei Leerlauf (Nulllast) für +125°C. Das bedeutet, dass bei bestimmten zulässigen Widerstandsänderungen während der Lebensdauer des Widerstands dieser bei +70 °C mit Nennleistung betrieben werden kann. Er kann auch bei Temperaturen über +70°C betrieben werden, wenn die Last reduziert wird, aber in keinem Fall sollte die Temperatur die Auslegungstemperatur von +125˚C mit einer Kombination aus Umgebungstemperatur und Selbsterhitzung durch die angelegte Last überschreiten.

Spannungskoeffizient des Widerstands (VCR)

Der Spannungskoeffizient ist die Änderung des Widerstands bei angelegter Spannung. Dies ist etwas völlig anderes und kommt zu den Effekten der Selbsterhitzung bei Stromzufuhr hinzu. Ein Widerstand mit einem VCR von 100 ppm/V ändert sich bei einer Änderung von 10 V um 0,1 % und bei einer Änderung von 100 V um 1 %. Im Zusammenhang mit einem Widerstandsnetz wird dieser VCR-Wert als absoluter VCR bezeichnet, da er den VCR eines bestimmten Widerstandselements definiert. Der Begriff VCR-Tracking bezieht sich auf die VCR-Differenz zwischen den einzelnen Widerständen in einem Netz.

* Widerstandstechnologie wird auch von anderen Abteilungen von Vishay angeboten

Tabelle 1: Oberflächenmontage / Substrate / drahtbondierbare Widerstände

*Widerstandstechnologie wird auch von anderen Abteilungen von Vishay angeboten

Tabelle 2: Axial bedrahtete / durchkontaktierbare Widerstände

Technologien für Festwiderstände

Drahtgewickelt (Oberflächenmontage / Drahtanschlüsse)

Ein Widerstandstyp, der durch Aufwickeln eines Metalldrahtes (z. B. Nickelchrom) auf eine isolierende Form (z. B. einen Keramik-, Kunststoff- oder Glasfaserkern) hergestellt wird.

Power Metal Strip® / Metallelement (Oberflächenmontage / Drahtanschlüsse)

Ein Widerstandstyp, der aus einer massiven Metalllegierung, z. B. Nickel-Chrom oder Mangan-Kupfer, als Widerstandselement besteht, das dann an Kupferanschlüsse geschweißt wird. Verwendet in Strommess- und Nebenschlussanwendungen.

Schichtwiderstände (Oberflächenmontage / Drahtanschlüsse)

Metallschicht (Drahtanschlüsse/MELF)

Eine Art zylindrischer Widerstand, der durch Aufbringen eines Widerstandselements aus einer dünnen leitenden Folie aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z. B. Nichrom, auf einen zylindrischen Keramik- oder Glaskern hergestellt wird. Der Widerstand wird durch das Schneiden einer spiralförmigen Rille in die leitende Schicht kontrolliert.

Metalloxid (Drahtanschlüsse)

Eine Art zylindrischer Widerstand, der Materialien wie Rutheniumoxid oder Zinnoxid als Widerstandselement verwendet. Diese Widerstände eignen sich hervorragend für hohe Spannungen oder hohe Leistungen.

Dickschicht (Chipwiderstände/Chip-Arrays/Netzwerke)

Speziell angefertigter oberflächenmontierbarer Schichtwiderstand, der für die Größe des Bauteils eine hohe Leistung überträgt. Bei Dickschichtwiderständen wird die Rutheniumoxid-„Schicht“ im herkömmlichen Siebdruckverfahren aufgebracht.

Dünnschicht (Chipwiderstände/Chip-Arrays/Netzwerke)

Eine Art oberflächenmontierbarer Schichtwiderstand mit einem relativ dünnen Widerstandselement, gemessen in Angström (Millionstel Zoll). Dünnschichtwiderstände werden durch Sputtern (auch als Vakuumabscheidung bekannt) eines Widerstandsmaterials, wie z. B. Nichrom oder Tantalnitrid, auf die Oberfläche eines Substrats hergestellt.

Kohlenstoffschicht (Drahtanschlüsse/MELF)

Eine allgemeine Klassenbeschreibung für zylindrische Widerstände, die durch Aufbringen einer Kohlenstoffschicht auf die Oberfläche eines zentralen Kernisolators hergestellt werden.

Metallfolie (Oberflächenmontage/Drahtanschlüsse)

Eine Art von Widerstand, der durch Fotofabrikation eines homogenen Metalls in einem bestimmten Muster auf einem Keramiksubstrat hergestellt wird. Die einzigartige Kombination von Materialien und Konstruktion führt zu einem Produkt mit unübertroffenen Leistungsmerkmalen und hoher Zuverlässigkeit.

Komposition (Drahtanschlüsse)

Kohlenstoff-Komposition

Eine allgemeine Klassenbeschreibung für Widerstände, die aus einem Widerstandskern aus einem Kohlenstoffgemisch und einem gegossenen äußeren Isolierkern bestehen.

Keramik-Komposition

Ein Widerstandstyp, der aus einer Mischung aus Ton, Aluminiumoxid und Kohlenstoff besteht, die unter Druck zu einem Widerstandskern vermengt und dann mit einem gegossenen äußeren Isolierkern überzogen wird.