Widerstände: Typen, Kennwerte & elektronische Bauteile

Widerstände: Grundlagen und Typen

Widerstände sind elektronische Bauelemente, die dem elektrischen Strom einen definierten Widerstand entgegensetzen.

Man unterscheidet verschiedene Typen, darunter lineare, nichtlineare und variable Widerstände.

Lineare Festwiderstände

Eigenschaften:

1. Nennwiderstand (R_N): Erwarteter Widerstandswert in Ohm (Ω) bei einer Bezugstemperatur (meist 20 °C oder 25 °C).
2. Toleranz: Zulässige prozentuale Abweichung des tatsächlichen Widerstandswertes vom Nennwiderstand.
3. Nennleistung (P_N): Die maximale Leistung, die der Widerstand unter festgelegten Bedingungen dauerhaft in Wärme umwandeln kann, ohne beschädigt zu werden.
4. Maximale Spannung (V_max): Die höchste Gleich- oder Wechselspannung (Effektivwert bei z.B. 50 Hz), die bei einer bestimmten Betriebstemperatur nicht überschritten werden darf.
5. Kritischer Widerstandswert (R_C): Der Widerstandswert, bei dem die Nennleistung (P_N) bei Anliegen der maximalen Nennspannung (V_max) erreicht wird (R_C = V_max² / P_N).
6. Temperaturkoeffizient (TK oder α_T): Relative Änderung des Widerstandswertes pro Grad Celsius Temperaturänderung.
7. Spannungskoeffizient (α_V): Relative Änderung des Widerstandswertes bei einer Änderung der angelegten Spannung.
8. Rauschspannung: Unerwünschtes elektrisches Signal, das dem Nutzsignal überlagert ist (beschrieben durch den Rauschindex oder das Rauschmaß).
9. Frequenzverhalten: Idealerweise sollten parasitäre Induktivitäten (L) und Kapazitäten (C) eines Widerstands null sein, da sie das Verhalten bei hohen Frequenzen beeinflussen und zu einem komplexen Widerstand (Impedanz) führen.

Variable Widerstände (Potentiometer und Rheostate)

Variable Widerstände besitzen typischerweise drei Anschlüsse. Der mittlere Anschluss (C oder Schleifer) ist mit einem beweglichen Kontakt verbunden. Je nach Beschaltung und Anwendung unterscheidet man:

• Potentiometer: Dienen als einstellbare Spannungsteiler.
• Rheostate: Dienen zur Einstellung des Stromflusses (als veränderlicher Reihenwiderstand).

Eigenschaften:

1. Widerstandsverlauf (Kennlinien): Beschreibt die funktionale Abhängigkeit des Widerstandswerts zwischen einem festen Anschluss (z.B. B1) und der jeweiligen Position des Schleifers (z.B. B3).
   • Linearer Verlauf: R(x) = k · x (k ist eine Konstante, x ist der Weg des Schleifers)
   • Logarithmischer Verlauf:
   • Invers logarithmischer Verlauf:
2. Konformität (Linearität bei Potentiometern): Grad der Übereinstimmung des tatsächlichen Widerstandsverlaufs mit der idealen (theoretischen) Kennlinie.
3. Widerstandsauflösung: Kleinste einstellbare Widerstandsänderung bei Bewegung des Schleifers.
4. Spannungsauflösung (bei Potentiometern): Kleinste einstellbare Spannungsänderung am Abgriff.
5. Auflösung bei durchgehenden Schichtwiderständen (stufenlos):

Nichtlineare Widerstände

Dies sind Bauelemente, deren Strom-Spannungs-Kennlinie nicht linear ist, d.h., ihr Widerstandswert ändert sich in Abhängigkeit von Strom, Spannung, Temperatur oder anderen physikalischen Größen.

Typen:

• Thermistoren: Widerstände, deren Wert stark von der Temperatur abhängt.
  • NTC (Negative Temperature Coefficient / Heißleiter): Widerstand sinkt mit steigender Temperatur.
  • PTC (Positive Temperature Coefficient / Kaltleiter): Widerstand steigt mit steigender Temperatur.
• Varistoren (VDR - Voltage Dependent Resistor): Widerstände, deren Wert von der angelegten Spannung abhängt. Werden zur Spannungsstabilisierung und zum Schutz vor Überspannungstransienten eingesetzt.
• Fotowiderstände (LDR - Light Dependent Resistor): Widerstände, deren Wert von der einfallenden Lichtmenge abhängt.
• Magnetoresistoren (MDR): Widerstände, deren Wert vom umgebenden Magnetfeld abhängt.
• Piezoresistoren (druckempfindliche Widerstände / Dehnungsmessstreifen): Ändern ihren Widerstandswert in Abhängigkeit vom ausgeübten mechanischen Druck oder Dehnung.

Impedanz (Scheinwiderstand Z)

Der Gesamtwiderstand eines Bauteils oder einer Schaltung gegenüber Wechselstrom, der sowohl den ohmschen Widerstand als auch den Blindwiderstand berücksichtigt.

• Reiner ohmscher Widerstand: Z = R
• Ideale Spule: Z = jωL
• Idealer Kondensator: Z = 1/(jωC) oder Z = -j/(ωC)

Reaktanz (Blindwiderstand X)

Der Teil der Impedanz, der durch Kapazitäten und Induktivitäten verursacht wird und keine Wirkleistung umsetzt.

• Reiner ohmscher Widerstand: X = 0
• Ideale Spule (Induktiver Blindwiderstand): X_L = ωL
• Idealer Kondensator (Kapazitiver Blindwiderstand): X_C = -1/(ωC) (oder 1/(ωC) je nach Vorzeichenkonvention)

Arbeitsgerade und Arbeitspunkt (Q-Punkt)

Die Kennlinie (I-V-Diagramm) eines Bauelements beschreibt dessen elektrisches Verhalten. Die Arbeitsgerade repräsentiert die äußere Schaltung.

Zur Konstruktion der Arbeitsgeraden im I-V-Diagramm:

• Punkt 1 (Schnittpunkt mit Spannungsachse, Leerlaufbedingung der Quelle): Setze I = 0 ⇒ V = V_P (Quellenspannung)
• Punkt 2 (Schnittpunkt mit Stromachse, Kurzschlussbedingung der Quelle durch Last R): Setze V = 0 ⇒ I = V_P / R

Der Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der Bauteilkennlinie ist der Arbeitspunkt Q. Er definiert Spannung und Strom am Bauelement im stationären Zustand.

Eigenschaften elektronischer Bauelemente

Elektronische Bauelemente sind grundlegende Einheiten in elektronischen Schaltungen, die spezifische physikalische Funktionen erfüllen, wenn sie korrekt eingesetzt werden.

Klassifizierung nach Funktion:

• Aktive Bauelemente: Können Signale steuern, verstärken oder komplexere Funktionen ausführen und benötigen dafür meist eine Hilfsenergiequelle (z.B. Transistoren, Operationsverstärker, integrierte Schaltungen).
• Passive Bauelemente: Führen keine Verstärkung oder komplexe Steuerungsfunktionen aus und benötigen keine Hilfsenergiequelle für ihre Grundfunktion (z.B. Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Dioden^*, Thermistoren, Varistoren).
  ^*Dioden werden manchmal je nach Definition und Anwendung auch als aktive Bauelemente klassifiziert.
• Wandler (Transducer): Wandeln eine Energieform in eine andere um (z.B. Sensoren wandeln physikalische Größen in elektrische Signale, Aktoren wandeln elektrische Signale in mechanische Bewegung).

Allgemeine Kenngrößen:

• Nennwert und Toleranz: Der Nennwert ist der vom Hersteller angegebene Sollwert eines Parameters (z.B. Widerstandswert, Kapazität). Die Toleranz gibt die maximal zulässige prozentuale oder absolute Abweichung des tatsächlichen Werts vom Nennwert an. Sie resultiert aus der Variabilität der Materialien und des Herstellungsprozesses.
• Stabilität: Die Fähigkeit eines Bauelements, seine Kenndaten über die Zeit und unter Betriebsbedingungen (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, mechanische Belastung) beizubehalten.
• Temperaturkoeffizient (TK): Gibt die relative Änderung eines Bauteilparameters (N) pro Grad Temperaturänderung an. Formel: . Die Temperatur ist ein kritischer Einflussfaktor, da sie den Betrieb und die Eigenschaften von Bauelementen stark verändern kann (oft verschlechtert sich die Leistung bei steigender Temperatur).
• Spannungskoeffizient: Analog zum Temperaturkoeffizienten, beschreibt die relative Änderung eines Parameters in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Formel: .
• Maximale Verlustleistung (P_max): Die höchste Leistung, die ein Bauelement unter festgelegten Bedingungen (insbesondere Umgebungstemperatur T_S oder Gehäusetemperatur T_C) dauerhaft in Wärme umwandeln und abführen kann, ohne Schaden zu nehmen oder seine Lebensdauer unzulässig zu verkürzen.
• Maximale Arbeitsspannung (V_max): Die höchste Gleich- oder Wechselspannung (Spitzenwert oder Effektivwert), die dauerhaft an das Bauelement angelegt werden darf, ohne die Nennleistung zu überschreiten oder einen elektrischen Durchschlag zu verursachen.
• Zuverlässigkeit: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bauelement seine spezifizierten Funktionen über einen bestimmten Zeitraum und unter definierten Betriebsbedingungen fehlerfrei erfüllt.