Elektrische Elemente/ Widerstand/ Arten
Festwiderstände
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Festwiderstände sind statisch, d.h. sie besitzen einen genau festgelegten Wert, welcher nicht verändert werden kann.
Es gibt drei Möglichkeiten einen Festwiderstand herzustellen.
- Schichtwiderstand: Auf einen Trägerkörper wird eine Widerstandsschicht aufgebracht. Anschließend wird eine Wendel in die Widerstandsschicht eingeschliffen, um den Widerstandswert zu erhöhen.
- Drahtwiderstand: Man wickelt einen Draht auf den Trägerkörper.
- Massewiderstand: Man nimmt eine Mischung aus leitendem und nichtleitendem Material und backt es zu einem geometrischen Körper zusammen. Das Mischungsverhältnis und die Abmessungen bestimmen den Widerstandswert.
Anschließend werden in allen drei Fällen die Anschlüsse angefügt. Der Rohling wird mit einer Lackschutzschicht versehen und die Beschriftung/Beringung (siehe Kapitel Kennzeichnung) hinzugefügt.
Drahtwiderstände
[Bearbeiten]Drahtwiderstände bestehen aus einem Keramik- oder Kunststoffkörper, um den ein isolierter Draht gewickelt wurde. Dieser Draht besteht meistens aus einer Konstantan- oder Manganinlegierung. Diese Legierungen haben einen hohen spezifischen Widerstandswert.
Jeder Drahtwiderstand ist gleichzeitig eine Spule, d.h. er erzeugt ein Magnetfeld. Um die Induktivität so gering wie möglich zu halten, wird der Draht speziell gewickelt (z.B.: mit bifiliarer Wicklung).
Schichtwiderstände
[Bearbeiten]Auf einem keramischen Träger wird eine Kohlenstoffschicht aufgebracht. An den Enden werden Kontakte aus Nickel angebracht. Das Ganze wird mit Lack geschützt.
Massewiderstände
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Einstellbare Widerstände
[Bearbeiten]Das sind Widerstände, welche durch mechanische Veränderungen am Bauteil einen anderen Widerstandswert annehmen.
Man unterscheidet Trimmer und Potentiometer. Trimmer werden für selten vorzunehmende Justierungen verwendet. Meist braucht man einen Schraubendreher, um einen Trimmer zu verstellen. Sie sind einfach aufgebaut und preisgünstig.
Potentiometer sind für häufige Benutzung ausgelegt und bequem zu verstellen. Man unterscheidet nach der Art der Betätigung Schiebe- und Drehpotentiometer.
Die Herstellung eines veränderbaren Widerstandes ist wesentlich komplexer, als die eines Festwiderstandes. Es gibt zwei verschiedene Wege, einen veränderbaren Widerstand zu produzieren.
- Ein wärmebeständiger Hartpapierträger wird mit einer verschleißfesten Kohlenstofflackschicht versehen und Anschlüsse sowie Kontakte werden hinzugefügt.
- Um einen Wickelkörper wird ein Widerstandsdraht gewickelt, dann werden die Anschlüsse (z. B. Kohlebürsten) angebracht.
Später werden die Rohlinge gegebenenfalls in ein Gehäuse eingebaut und mit einem Oberflächenschutz versehen.
Potentiometer
[Bearbeiten]Ursprünglich stand dieser Begriff für einen Spannungsteiler, mit dem man verschiedene Spannungen (Potentiale) einstellen konnte. Poti ist die Kurzbezeichnung für Potentiometer.
Sie werden nach ihrer Bauart hauptsächlich in Schiebe- und Drehpotentiometer unterteilt.
Potentiometer werden z.B. in der Messtechnik (Weg-Winkel-Messung), zum Abgleich von Schaltungen und in Steuerung von Geräten (Lautstärkereglung beim Radio, Stereoverstärker, Mischpulte) eingesetzt. Die Abhängigkeit des Widerstandswertes von der Position des Abgriffs bzw. vom Drehwinkel kann linear sein oder logarithmisch (besonders bei Lautstärkereglern).
Von physikalischen Größen abhängige Widerstände
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Varistoren (VDR)
[Bearbeiten]Varistoren sind spannungsabhängige Widerstände.
Sie werden auch als VDR (Voltage Dependent Resistor) oder Thrit-Widerstand bezeichnet.
Varistoren besitzen eine spannungsregulierende Wirkung. Geringe Spannungszu- und -abnahmen werden durch Verringerung oder Vergrößerung des Widerstandswertes kompensiert.
Das ohmsche Gesetz kann bei Varistoren nicht angewendet werden, da der Quotient aus Spannung und Stromstärke nicht konstant ist, d. h. die Spannung U ist nicht proportional zur Stromstärke I.
Der Varistor hat also ein nicht lineares Verhalten. Sein Widerstandswert nimmt mit steigender Spannung ab.
Deutlich zeigen sich diese Zusammenhänge, wenn man die Kennlinie betrachtet, die eine Exponentialfunktion beschreibt.
Varistoren dienen wegen ihrer Eigenschaften zur Spannungsregulation und damit zum Schutz empfindlicher Bauteile bzw. -gruppen vor Spannungsschwankungen. Sie werden aber auch wegen ihrer Schutzfunktion in der Starkstromtechnik eingesetzt.
Heißleiter (NTC)
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Heißleiter sind temperaturabhängige und nichtlineare Widerstände (Thermistoren) mit einem negativen Temperaturkoeffizenten. Während bei „normalen“ Materialien (Kupfer, Alu) der elektrische Widerstand bei Erwärmung leicht zunimmt, nimmt der Widerstand von Heißleitern mit steigender Temperatur ab. Heißleiter leiten bei hohen Temperaturen (wenn sie heiß sind) besser als bei niedrigen.
Heißleiter bestehen aus einer polykristallinen Mischoxydkeramik.
Man teilt Heißleiter in zwei verschiedene Gruppen ein.
1. Fremderwärmte Heißleiter Das sind Heißleiter, welche stark auf die Umgebungstemperatur reagieren. Sie werden beispielsweise in der Messung von Haut- und Körpertemperatur (Fiebertermometer), Temperaturmessung in technischen Anlagen und Geräten (Heizung, Waschmaschine, Kühltruhen) und bei der Leistungsbestimmung von Mikrowellen eingesetzt.
2. Eigenerwärmte Heißleiter Das sind Heißleiter, welche auf die Eigenerwärmung in ihnen stark reagieren. Sie ändern ihren Widerstandswert, selbst wenn sie durch ein anderes Medium gekühlt werden. Sie werden meist in Scheibenform produziert und z. B. zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Gasen, bei der Niveau-Regulierung von Flüssigkeiten, zur Strömungs- und Füllstandsmessung, bei der Gasanalyse und bei der Vakuumsvermessung eingesetzt.
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet ist die Begrenzung von Einschaltstromstößen. Die Heizwendeln von Elektronenröhren (z. B. Bildröhre im Fernseher) haben im kalten Zustand einen deutlich kleineren Widerstand als im Dauerbetrieb. Der hohe Strom im Einschaltmoment würde die Lebensdauer der Glühfäden reduzieren. Auch Netzteile haben einen sehr hohen Einschaltstrom, weil große Glättungskondensatoren aufgeladen werden müssen. Ohne Strombegrenzungsmaßnahmen kann eine „flinke“ Sicherung durchbrennen.
Beispieldaten für einen Heißleiter, der oft in Computernetzteilen verwendet wird: Bei einer Belastbarkeit von max. 2 A beträgt der Widerstandswert bei Zimmertemperatur 220 Ohm. Bei 150° C verringert sich der Widerstand auf 4 Ohm.
Achtung! Wenn man das Netzteil ausschaltet und wenige Sekunden danach wieder einschaltet, hat der Heißleiter keine Zeit, abzukühlen. Dadurch kann er den erneuten Einschaltstrom nicht ausreichend begrenzen. Deshalb steht in vielen Bedienungsanleitungen elektronischer Geräte, man solle vor dem Wiedereinschalten „eine Weile“ warten.
Kaltleiter (PTC)
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Alle Metalle haben einem positiven Temperaturkoeffizenten, das heißt: Sie leiten den Strom geringfügig besser, wenn sie kalt sind. Die Bezeichnung „Kaltleiter“ bzw. „Thermistoren“ verwendet man für Widerstände mit einer wesentlich stärkeren Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Temperatur.
Metalle haben einen weitgehend linearen Verlauf der Widerstands-Temperatur-Kennlinie. Bei Halbleitern ist die Kennlinie nicht linear. Bei verschiedenen polykristallinen Halbleitern (z.B.:Bariumtitanat - ) zeigt ihre Widerstands-Temperatur-Kennlinie bei Temperaturanstieg zuerst einen sinkenden Widerstand, wird aber eine bestimmte Temperatur erreicht, steigt der Widerstand sprunghaft an (vgl. Abb. Kennlinie eines Kaltleiters).
Man teilt Kaltleiter in zwei verschiedene Gruppen ein.
1. Fremderwärmte Kaltleiter
Das sind Kaltleiter, welche vom Stromdurchfluss nur geringfügig erwärmt werden. Sie reagieren sehr stark auf die Änderung der Umgebungstemperatur.
Je nach den technischen Daten können sie als Übertemperaturschutz oder als Widerstandthermometer eingesetzt werden.
Weit verbreitet sind standardisierte Widerstandsthermometer der Baureihe „PT100“: Bei 0°C beträgt der Widerstandswert genau 100 Ohm. Zum Messen wird Platindraht verwendet. Wenn der Messwiderstand von einem kleinen konstanten Strom durchflossen wird, ist die anliegende Spannung proportional zur Temperatur mit einer sehr kleinen Abweichung, wie man der folgenden Tabelle entnehmen kann:
| Temperatur in °C | -50 | -20 | 0 | +20 | +50 | +100 | +200 |
| Widerstand in Ohm (PT100) | 80,31 | 92,16 | 100,00 | 107,79 | 119,4 | 138,5 | 175,84 |
2. Eigenerwärmte Kaltleiter
Das sind Kaltleiter, welche vom Stromdurchfluss erwärmt werden bis ein Gleichgewicht zwischen zugeführter elektrischer Leistung und abgeführter Wärme entsteht. Sinkt beispielsweise die Temperatur durch Abkühlung der Umgebung, so sinkt auch der Widerstandswert, der Kaltleiter nimmt mehr Strom auf und die Leistung steigt, dadurch erwärmt sich der Kaltleiter wieder und das Gleichgewicht ist wiederhergestellt. Es gibt spezielle PTCs, die als Heizungen eingesetzt werden können: Unabhängig von der Umgebungstemperatur bleibt ihre Eigentemperatur mit geringen Abweichungen konstant.
Man setzt diese Gruppe der Kaltleiter deshalb als stabilisierendes Heizelement, zur Strömungs- und Füllstandsmessung, als Überfüllsicherung bei Heiztanks und zum Schutz von Verbrauchern mit einem geringen Leistungsverbrauch (z. B. Lautsprecher) vor Überlastung bzw. Kurzschluss ein.
PTCs können bei entsprechenden Kenndaten auch als Ersatz für eine Schmelzsicherung eingesetzt werden. Vorteil: Nach Behebung des Problems und einer Abkühlzeit sind sie wieder voll einsatzfähig, man spricht von „rückstellenden“ Sicherungen. Nach Überschreiten eines Schwellwertes für den Strom (und damit auch für die Temperatur) steigt der Widerstand in wenigen Sekunden so steil an, dass der Stromfluss fast völlig aufhört.
Lichtabhängiger Widerstand (LDR)
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Das sind Widerstände, die auf Lichtverhältnisse der Umgebung reagieren. Bei steigender Beleuchtungsstärke nimmt die Leitfähigkeit zu: Je heller ein Ort, umso mehr Strom passiert den Widerstand. Deshalb wird der Hell- und der Dunkelwiderstand angegeben.
LDR-s werden auch als Fotowiderstände bezeichnet.
Sie bestehen aus Halbleitermaterialien, wie Cadmiumsulfid (CdS) oder Cadmiumselenit (CdSe), welche auf einen Trägerkörper (Glasplatte) aufgedampft wurden (genauer Aufbau vgl. Aufbau_LDR.png).
Fotowiderstände beruhen auf der Nutzung des inneren Fotoeffekts. Durch den Lichteinfall bilden sich neue Ladungsträgerpaare (Elektronen und Löcher), welche für die Erhöhung der Leitfähigkeit sorgen. Endet die Beleuchtung, so kehren die Elektronen in ihren ursprünglich gebunden Zustand zurück.
Fotowiderstände werden in der optischen Industrie und zur Regelung der Belichtungszeit eingesetzt.