Widerstand

Ein Widerstand ist ein zweipoliges elektrisches Bauelement, das den Stromfluss durch einen Stromkreis begrenzt. Er funktioniert, indem er elektrische Energie in Wärme umwandelt, wenn Elektronen mit dem Material im Inneren kollidieren. Die Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben: Spannung gleich Strom mal Widerstand, oder U = I·R. Dieses einfache lineare Verhalten macht Widerstände zu grundlegenden Bausteinen in fast jedem elektrischen Gerät.

Widerstände gibt es in verschiedenen physischen Bauformen, jede für unterschiedliche Anwendungen geeignet. Kohleschicht-Widerstände, hergestellt durch Aufbringung einer dünnen Kohleschicht auf einen Keramikstab, sind billig und in Unterhaltungselektronik verbreitet, aber ihre Werte driften mit Temperatur und Alter ab. Metallschicht-Widerstände nutzen stattdessen eine Metalllegierungsschicht und halten ihre Toleranz viel enger ein, weshalb sie in präzisen Analogschaltungen Standard sind. Drahtwiderstände verwenden echten Draht, der um einen Keramikkörper gewickelt ist, und können große Leistung abgeben, aber ihre Induktivität macht sie für Hochfrequenzschaltungen ungeeignet. Oberflächenmontage-Chip-Widerstände dominieren jetzt die Fertigung und schrumpfen auf Größen, die in Millimetern gemessen werden.

Der Widerstand wird in Ohm gemessen, mit üblichen Werten von Bruchteilen eines Ohm bis zu Zehnern von Megaohm. Ein 1-kΩ-Widerstand begrenzt den Strom auf 1 mA, wenn 1 V darüber anliegt. Die Leistung, die ein Widerstand sicher abgeben kann, hängt von seiner physischen Größe und Bauweise ab: ein kleiner Kohleschicht-Widerstand könnte 0,25 W verkraften, während ein großer Drahtwiderstand 50 W oder mehr verträgt. Überschreitung dieser Leistungsgrenze führt zu Überhitzung, die das Bauteil verfärbt, rissig macht oder zerstört und den Stromkreis unterbricht.

Toleranz und Temperaturkoeffizient

Die Widerstandstoleranz gibt an, um wie viel der tatsächliche Widerstand vom markierten Wert abweichen darf. Standard-Kohleschicht-Widerstände haben eine Toleranz von 5 oder 10 Prozent. Präzisions-Metallschicht-Widerstände erreichen 0,1 Prozent oder besser. Der Temperaturkoeffizient beschreibt, wie sich der Widerstand bei Temperaturanstieg ändert: typische Werte liegen zwischen 100 und 1000 ppm/K. In Schaltungen, wo Stabilität wichtig ist, wie in Präzisionsinstrumenten oder Frequenzreferenzen, werden Metallschicht-Widerstände spezifiziert, um Messfehler über den Betriebstemperaturbereich klein zu halten.

In praktischen Schaltungen erfüllen Widerstände mehrere wichtige Aufgaben. Sie setzen Arbeitspunkte für Verstärker, begrenzen Strom durch LEDs oder andere empfindliche Bauteile, teilen Spannung, legen Verstärkung in Rückkopplungsnetzwerken fest und dämpfen Schwingungen. Pull-up- und Pull-down-Widerstände etablieren Standardsignalpegel in digitaler Logik. Messwiederstände, typischerweise sehr niedriger Wert, messen Strom durch den kleinen Spannungsabfall, den sie erzeugen. Ingenieure wählen Widerstandswerte durch Berechnung aus Schaltungsgleichungen und wählen dann den nächsten Standard-Wert aus der E-Reihe, einer logarithmischen Skala, die angemessene Abstände über den gesamten Bereich möglicher Widerstände sichert.