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Widerstände

Widerstand ist niemals zwecklos

Technische Widerstände sind in den allermeisten Schaltungen verbaut, denn ohne sie würde in der Elektrotechnik fast nichts funktionieren. Aber was genau macht ein Widerstand? Welche verschiedenen Typen gibt es? Und wie lässt sich der Widerstandswert berechnen? Wenn Sie Antworten auf diese grundlegenden Fragen und viele weitere Informationen erhalten möchten, dann können Sie sich auf unserer Beratungsseite ein umfassendes Wissen aneignen. 



Alles Wichtige zu Widerständen

Nehmen Sie mal an, Sie wollen eine LED an einer Gleichspannung von 12 V betreiben. Auf der LED steht aber, dass sie nur für eine Spannung von 2,1 V ausgelegt ist. Damit Ihnen die Leuchtdiode nicht gleich nach dem Anschließen um die Ohren fliegt, müssen Sie ein Bauelement vorschalten, das einen ohmschen Widerstand realisiert: Ein technischer Widerstand. Aber was genau ist ein Widerstand, und wie wirkt er?
Die wichtigsten Informationen und passenden Artikel erhalten Sie im Folgenden:

 

Was ist ein Widerstand?

Ein Widerstand ist ein zweipoliges passives Bauelement, das in der Elektrotechnik sehr häufig Anwendung findet. Mit seiner Hilfe lässt sich in einem Stromkreis der Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und der Stromstärke regulieren. Der elektrische Widerstand wird in der Einheit Ω (Ohm) gemessen und in Schaltbildern zumeist mit dem Großbuchstaben R (englisch: resistance) abgekürzt.

Schaltzeichen eines Widerstandes

 

Welche Widerstandstypen gibt es?

Lineare Widerstände folgen dem Ohmschen Gesetz, das heißt die angelegte Spannung (U) ist direkt proportional zum durchfließenden Strom (I). Im Gegensatz dazu hängt bei nichtlinearen Widerständen (auch parameterabhängige Widerstände genannt) der Widerstandswert (R) von weiteren Parametern wie der Temperatur oder dem Lichteinfall ab.

Beispielhafte Widerstandskennlinie für lineare Widerstände: U und I sind direkt proportional zueinander
Beispielhafte Widerstandskennlinie für nichtlineare Widerstände: U und I sind nicht direkt proportional zueinander

 

Lineare Widerstände

Schichtwiderstände

Ein Schichtwiderstand besteht aus einer Schutzschicht, einer Widerstandsschicht und zwei Zuleitungen. Je nach Material der Widerstandsschicht gibt es Kohleschicht-Widerstände und Metallschicht-Widerstände. Kohleschicht-Widerstände eignen sich vor allem für den Hochfrequenzbereich. Metallschicht-Widerstände lassen sich mit großer Genauigkeit fertigen und haben eine geringe Toleranz.

  Metallschicht-Widerstand Kohleschicht-Widerstand

Technischer Unterschied                   

Belastbarer

Tendenziell geringere Toleranz, dadurch sind sie präziser.

Nicht stark temperaturabhängig, aber der Widerstand wird
bei steigender Hitze geringfügig höher.

Weniger belastbar

Höhere Toleranz, somit sind sie weniger präzise.

Bei steigender Hitze wird der Widerstand geringer.

Wird vor allem im Hochfrequenzbereich eingesetzt.

Optischer Unterschied

Blauer oder grüner Überzug

5 oder 6 Farbringe

Ockerfarbener Überzug

4 Farbringe

 

 

Metallschicht-Widerstand mit blauem Überzug und 5 Farbringen
Kohleschicht-Widerstand mit ockerfarbenem Überzug und 4 Farbringen

 

 

Das ist die Bedeutung des Farbcodes auf den Widerständen

Wenn Sie den Farbcode entschlüsseln, können Sie den Widerstandswert (in Ohm) berechnen und bestimmen. Mit Hilfe von bis zu sechs jeweils unterschiedlich eingefärbten Ringen können Sie alle relevanten Widerstandsdaten bequem aus einer Farbcode-Tabelle ablesen.

Die ersten zwei bzw. drei Ringe ergeben den Widerstandswert. Der vierte Farbring sagt Ihnen, um welchen Faktor Sie das Ergebnis noch multiplizieren müssen. Sind zum Beispiel die Farben der ersten vier Ringe orange, rot, blau und braun, so beträgt der Wert 326×10 Ω = 3,26 kΩ (Kilo-Ohm). Wichtig ist auch die Toleranzangabe, die im fünften Ring angegeben ist. Je nach Widerstandstyp reichen die Toleranzen von 0,1 bis 10 Prozent. Wenn Sie auf der Suche nach einem Bauteil mit extrem präzisem Widerstandswert sind, sollten Sie sich an die Farben grün, blau und violett halten. Der sechste Ring gibt den Temperaturkoeffizienten an.

Die genauen Werte können Sie der entsprechenden Farbcode-Tabelle entnehmen.

Zusätzlich ist jeder Widerstand mit einer Angabe zu seiner maximalen Belastbarkeit versehen. Die Leistung, die ein technischer Widerstand in Wärme umwandelt, berechnet sich nach der Formel P = U∙I. (Bei Wechselstrom verwendet man die Effektivwerte.) Die an den Widerstand angelegten Strom- und Spannungswerte müssen stets so beschaffen sein, dass ihr Produkt seine maximale Belastbarkeit nicht überschreitet. Sonst geht der Widerstand kaputt.

Metallschicht-Widerstände mit 4 oder 5 Farbringen

 

 

Widerstandsfarbcode-Tabelle für Widerstände mit 5 Ringen

  Ring 1 Ring 2 Ring 3 Ring 4 Ring 5
schwarz 0 0 0 - -
braun 1 1 1 x 10 1%
rot 2 2 2 x 100 2%
orange 3 3 3 x 1.000 -
gelb 4 4 4 x 10.000 -
grün 5 5 5 x 100.000 0,5 %
blau 6 6 6 x 1.000.000 0,25 %
violett 7 7 7 x 10.000.000 0,1 %
grau 8 8 8 - -
weiß 9 9 9 - -
gold - - - x 0,1 5 %
silber - - - x 0,01 10 %

Widerstandsfarbcode-Tabelle für Widerstände mit 4 Ringen

  Ring 1 Ring 2 Ring 3 Ring 4
schwarz 0 0 - -
braun 1 1 x 10 1%
rot 2 2 x 100 2%
orange 3 3 x 1.000 -
gelb 4 4 x 10.000 -
grün 5 5 x 100.000 0,5 %
blau 6 6 x 1.000.000 0,25 %
violett 7 7 x 10.000.000 0,1 %
grau 8 8 - -
weiß 9 9 - -
gold - - x 0,1 5 %
silber - - x 0,01 10 %

 

 

Einfache Widerstandsbestimmung dank eines Vitrometers 

Nach dem Vergleich des Farbcodes mit der Widerstandsuhr können Sie ganz einfach den Wert Ihres Widerstandes auslesen.
Mit dem Vitrometer von Conrad Components können 5-fach und 6-fach Farbcodes ausgelesen werden.
Die andere Widerstandsuhr hilft 4-fach Farbcodes oder 5-fach Farbkodierungen zu entschlüsseln.
Beide Vitrometer können Sie verwenden, um die Reihen E 6, E 12, E 24, E 48 und E 96 auszulesen.

 

Überspannungsableiter

Radial bedrahteter Überspannungableiter des Herstellers Epcos

Mit diesen Bauteilen, die im Wesentlichen aus einem Widerstand bestehen, können Sie elektrische Geräte und Leitungen vor gefährlichen Überspannungen schützen. Gasgefüllte Überspannungsableiter werden als Gasableiter bezeichnet.

Funktionsweise:
Wird die zulässige Spannung, die den Überspannnungsleiter durchfließt, überschritten, dann ionisiert das Gas und bildet einen leitenden Lichtbogen. Die Überspannung wird so abgeleitet.

Wichtige Kennzahlen:

  • Ansprechzeit: Dauer von Ereigniszeitpunkt bis zum Signalausgang (kann bei einigen Nanosekunden liegen)
  • Nennableitstrom: Ströme, die zum Schutzleiter fließen

Anwendungsbereiche:

  • zum Schutz elektronischer Bauteile und Anlagen
  • zum Schutz von Telekommunikationsbauteilen und Anlagen
  • NH- Sicherungen für Niederspannung in Stromverteilung und Telekommunikation

 

Leistungswiderstände

Leistungswiderstände sind Widerstände, die eine höhere Leistung abführen können. In der Elektronik werden Widerstände mit mehr als 0,5 W als Leistungswiderstand bezeichnet. Häufig wird auch der Begriff Hochlast-Widerstand verwendet. Kennzeichnend für Leistungswiderstände ist, dass sie häufig mit Kühlkörpern oder Wärmeableitblechen versehen werden. Aluminiumgehäuse oder wärmeableitende Flächen tragen ebenfalls zu einer besseren Wärmeableitung bei. Diese verschiedenen Formen führen dazu, dass Leistungswiderstände ganz unterschiedlich aussehen können.

Anwendungsbereiche:

  • Heizwiderstände
  • Entladewiderstände
  • Schutzwiderstände
  • Strom- oder Spannungsbegrenzung
Draht-Widerstand im Gehäuse der Firma Widap
Axial bedrahteter Metallschicht-Widerstand der Firma Panasonic

 

Nichtlineare Widerstände

 

Thermistoren (temperaturabhängige Widerstände)

Thermistoren werden dadurch definiert, dass der Widerstandswert temperaturabhängig ist. Dabei gilt es zwei verschiedene Temperaturverhalten zu unterscheiden, die sich genau spiegelbildlich zueinander verhalten. Zum einen sind dies die Heißleiter und zum anderen die Kaltleiter. Die Temperaturabhängigkeit der Thermistoren ist in den Datenblättern anhand von Formeln, Kennlinien oder Tabellen erkenntlich. Außerdem sollten Sie sich bereits vor dem Kauf des Thermistors im Klaren sein in welchem Medium (z.B. Vakuum, strömende Luft, Flüssigkeit, etc.) Sie das Bauteil verwenden möchten. Durch die Wahl des Mediums verändert sich der Wärmeleitwert des Thermistors. 

Vorteile der Thermistoren:

  • kostengünstig
  • sehr kleine Bauformen möglich
  • großer Bereich der Nennwerte
  • starke Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes
  • Temperatursensoren
Heißleiter (NTC)
Kaltleiter (PTC)

 

 

Heißleiter (NTC-Thermistor)

Heißleiter haben einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC). Das bedeutet mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand ab. Die Temperatur kann entweder von der Umgebungstemperatur abhängen oder von der Selbsterhitzung des Geräts.
Heißleiter werden aus keramischen Werkstoffen auf Grundlage von Metalloxiden gefertigt.

Anwendungsbereiche:

Temperaturerfassung
Heißleiter eigenen sich hervorragend zum Erfassen der Umgebungstemperatur. Sie nehmen die Temperatur an und geben einen auswertbaren Widerstandswert aus.

Zeitverzögerung
Hier wird die Eigenerwärmung der Widerstände ausgenutzt. Wenn Strom durch den Heißleiter fließt, erwärmt sich das Bauelement nach einer gewissen Zeit. Mit steigender Temperatur sinkt der Widerstandswert, bei einem bestimmten Wert kommt ein Ausgangsimpuls zu Stande, da der Strom ungehindert fließen kann.

Sensoren
Heißleiter werden auch als Sensor verwendet, beispielsweise um die Höhe eines Flüssigkeitspegel erkennen zu können. Dies ist möglich, da sie in verschiedenen Medien (Wasser, Luft, etc.) unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen.

Kaltleiter (PTC-Thermistor)

Kaltleiter haben einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC). Das bedeutet mit steigender Temperatur steigt der Widerstand. Die Temperatur kann entweder von der Umgebungstemperatur abhängen oder von der Selbsterhitzung des Bauelements. Kaltleiter werden aus keramischen Werkstoffen auf Grundlage von Bariumtitanat gefertigt.

Anwendungsbereiche:

Temperaturfühler für grobe Zustände
Kaltleiter können zur Temperaturerfassung verwendet werden. Allerdings sind sie weniger genau als Heißleiter. Die ausgegebenen Werte lauten dann eher "zu warm", "normal" oder "zu kalt".

Temperaturüberwachung
Um als Temperaturüberwachungsschaltung oder Übertemperatur-Schutzschaltung dienen zu können, werden Kaltleiter direkt in den zu schützenden Stromweg eingebaut. Dies ist zum Beispiel bei Transformatoren oder Motoren häufig der Fall. Bei zu stark erhöhter Temperatur verringern die Kaltleiter den Stromfluss oder schalten die Einrichtung sogar ganz ab.

Ausnutzung der Eigenerwärmung
Die Eigenerwärmung der Kaltleiter wird zum Beispiel bei der Überstrombegrenzung, der Zeitverzögerung oder beim Durchschalten von Stromimpulsen ausgenutzt. Der Kaltleiter wird durch den Stromfluss erwärmt und es erhöht sich der Widerstand. Der Stromfluss wird begrenzt.

Varistoren

Bei einem Varistor lässt sich der Widerstandswert mit Hilfe der angelegten Spannung variabel einstellen. Mit zunehmender Spannung sinkt der Widerstandswert. Deshalb nennt man sie auch Voltage Dependent Resistor (VDR). Varistoren werden meistens aus Metalloxid (MOV) gefertigt. Zwischen den einzelnen Zinkoxidkörnern (kristalline Mikrostruktur) bilden hochohmige Sperrschichten ein Netzwerk aus Serien- und Parallelschaltungen. Wenn die Spannung überschritten wird, dann werden die Sperrschichten abgebaut und der Varistor wird niederohmig. Diese Schwellspannung ist von Sinterzeit und- temperatur abhängig.

Worauf Sie bei der Auswahl des Varistors achten müssen:

  • Maximal zulässige Betriebsspannung: höchste Spannung, die ständig anliegen darf
  • Varistorspannung: elektrische Spannung, die anliegt, wenn 1 mA hindurchfließt
  • Schutzpegel (Ansprechspannung):  Spannungsabfall bei Strömen > 1mA; maximaler Schutzpegel = höchste Spannung, die anfallen darf
  • maximaler Leckstrom: Strom, der höchstens fließen darf, wenn die maximal zulässige Betriebsspannung anliegt
Sortiment an Scheiben-Varistoren des Herstellers Würth Elektronik

 

Welche Technologien zur Befestigung gibt es?

SMD-Widerstände

Alle Widertandstypen gibt es auch als SMD-Widerstände. Der Unterschied liegt in der Art der Befestigung: Die zuvor gezeigten Widerstände werden mittels THT (Through-Hole-Technology) auf der Leiterplatte befestigt, während SMD-Widerstände mittels SMT (Surface-Mounted-Technology) angebracht werden. Sie haben also keine Anschlussdrähte. Stattdessen sind SMD-Widerstände Miniaturwiderstände, die direkt auf die Leiterplatte gesetzt werden. Es gibt runde (MELF) und quaderförmige (Chip) SMD-Widerstände.

Vorteile:

  • durch geringere Abmessungen geeignet für die Anwendung in kleinen, elektrischen Geräten
  • Induktivitäten, die in den Anschlussdrähten entstehen, werden eliminiert
Ein runder SMD-Widerstand wird auch MELF genannt
Ein quaderförmiger SMD-Widerstand hingegen wird CHIP genannt.

 

 

THD-Widerstände

Widerstände, die mittels THT verarbeitet werden, werden mit unterschiedlichen Anschlüssen angeboten:

  • Schraubanschluss (linkes Bild)
  • radial verdrahtet (mittleres Bild)
  • axial verdrahtet (rechtes Bild)

Abhängig von der konkreten Schaltung kann sich einer der Anschlüsse als besser beziehungsweise schlechter geeignet erweisen.

Rohrwiderstand mit Schraubanschluss
Radial bedrahteter Hochlastwiderstand
Axial bedrahteter Widerstand

 

Beispiel zur Berechnung eines Widerstandes

Am Beispiel der anfangs erwähnten LED-Lampe (2,1 V) können Sie nun üben, wie ein Vorwiderstand konkret berechnet wird. Angenommen, die LED soll bei einer Betriebsspannung von 12 V mit einem Strom von 20 mA betrieben werden. Das nebenstehende Schaltbild zeigt die Ausgangslage.

Gemäß der Additionsregel für in Reihe geschaltete Widerstände muss der Vorwiderstand R eine Spannung von UR = 9,9 V bei einem Strom von 0,02 A abfangen. Nach dem Ohmschen Gesetz UR = R∙I entspricht dies einem Widerstandswert von R = 495 Ω. Der Vorwiderstand muss mindestens diesen Wert haben, damit Ihre LED nicht durchschmort.

Das Schaltbild zeigt die Ausgangslage des zu berechnenden Widerstandes
Leistung = Spannung * Stromstärke

Entsprechend der Toleranz, die Sie für Ihren Vorwiderstand vorgeben, können Sie sich nun den nächstgrößten Widerstand in der passenden E-Reihe aussuchen. In der E12-Reihe wäre das der Widerstandswert 560 Ω. In der E24-Reihe ergäbe sich ein Wert von 510 Ω. Und in der E96-Reihe kämen Sie mit 499 Ω ziemlich nah an den errechneten Wert heran.
Wenn Sie schon am Rechnen sind: Welche Leistung muss der Vorwiderstand wohl aufbringen, um Ihre LED effektiv zu schützen? Aus der Formel P = U∙I erhalten Sie direkt den Wert 9,9 V ∙ 0,02 A = 0,198 W. Wenn Sie also einen Widerstand mit einer maximalen Belastbarkeit von 0,25 W auswählen, sind Sie auf der sicheren Seite.

 

FAQ: Die am häufigsten gestellten Fragen zu Widerständen

Auf welche Daten sollten Sie bei der Auswahl des Widerstandes achten?

  • Rated Current (Nennstrom): Aufgenommene Stromstärke, wenn der Widerstand mit Nennspannung versorgt wird und die Nennleistung abgibt
  • Saturation Current (Sättigungsstrom): Erhöhung der elektrischen Spannung bewirkt keine Erhöhung des Stroms
  • Power Rating (Nennleistung): Höchste Dauerleistung bei der der Widerstand betrieben werden kann ohne Schaden zu nehmen
  • Rated Resistance (Nennwiderstand): Ist der Widerstandswert des Bauelements
  • Toleranz: Maximal zulässige Abweichung vom Nennwiderstand
  • Ableitvermögen: Maximaler Stromstoß, den das Bauelement einmal aushalten muss, ansonsten wird es zerstört

Was sind Massewiderstände und wie unterscheiden sie sich von Schichtwiderständen?

Massewiderstände gehören zu den ältesten Widerstandstypen. Im Prinzip bestehen sie aus einem Stück schlecht leitenden Materials (zum Beispiel Kohle), das mit zwei Anschlüssen versehen ist. Aufgrund ihrer simplen Bauweise weisen Massewiderstände ein starkes Rauschen auf. Zudem ist ihre Wirkung hochgradig nichtlinear. Im Gegensatz dazu wird in Schichtwiderständen nur eine dünne Schicht des schlecht leitenden Materials eingesetzt. Dadurch lassen sich die Eigenschaften des Widerstandes wesentlich präziser steuern.

KFZ-Mechaniker verwenden den Begriff „Massewiderstand“ häufig auch synonym für den Übergangswiderstand bei KFZ-Lampenfassungen. Wenn beispielsweise ein Licht dunkler leuchtet, sagen sie, dass an der Fassung ein Massewiderstand sei. Dieser entsteht dadurch, dass die Karosserie der Korrosion ausgesetzt ist und dadurch eine Masse zwischen der Lampenfassung und der Karosserie entsteht. 

Das hat aber nichts mit dem Aufbau des Widerstandes zu tun, sondern bedeutet lediglich, dass die Fassung gegenüber der Karosserie einen Widerstand aufweist (was eigentlich nicht der Fall sein sollte).

Dieses Phänomen tritt nicht nur bei den Lichtern auf, sondern auch Hupen werden leiser und Scheibenwischer langsamer. 

 

 

Was ist ein Blindwiderstand?

In der Wechselstromtechnik ist der Widerstand eine komplexe Zahl, das heißt er kann sowohl den Betrag als auch die Phase des Stroms beziehungsweise der Spannung beeinflussen. Der komplexe Widerstand ist auch unter dem Namen Impedanz bekannt. Der Imaginärteil der Impedanz wird als Blindwiderstand bezeichnet. So hat beispielsweise ein Kondensator in einem Wechselstromkreis einen von null verschiedenen Blindwiderstand, obwohl in einem Gleichstromkreis überhaupt kein Strom durch ihn fließen kann. Der Begriff des Blindwiderstandes rührt daher, dass an solchen Widerständen keine (thermische) Verlustleistung auftritt.