Widerstände

Allgemeine Eigenschaften

Widerstände sind Bauteile, welche in einem Stromkreis eingesetzt, die Elektronen in ihrer Bewegung beeinträchtigen. Grundsätzlich wird zwischen linearen (ohmsche Widerstände) und nichtlinearen Widerständen unterschieden.

Lineare Widerstände

Wenn von Widerständen die Rede ist, werden im allgemeinen ohmsche Widerstände gemeint. Ohmsche Widerstände haben einen Widerstandswert und eine Belastbarkeit.
Bei dem Widerstandswert wird Unterschieden zwischen Widerständen mit festem Widerstand und einstellbaren Widerstand. Festwiderstände haben ihren Namen nach einen festen Widerstandswert, der nicht einstellbar ist. Festwiderstände unterliegen einen internationalen Farbcode mit Vierfach- bzw. Fünffachberingung. Die Beringung erlaubt die Bestimmung des Widerstandswertes in O. Bei einstellbaren Widerständen kann die Größe des Wiederstandwertes in einem bestimmten Bereich eingestellt werden.
Die Belastbarkeit von Widerständen wird in Watt angegeben. Sie gibt an, welche elektrische Leistung der Widerstand dauernd in Wärmeleitung umsetzen kann. Die Größe der Belastbarkeit hängt von der Fähigkeit des Widerstandes ab, Wärme an die Umgebung abzugeben. Sie hängt weiterhin von der höchstzulässigen Temperatur des Wiederstandes ab.

Die Normreihen

Aus wirtschaftlichen Gründen ist es erforderlich die Widerstandswerte in bestimmte Normreihen einzuteilen. Das erscheint sehr sinnvoll, wenn man sich überlegt wie viele verschiedene Widerstände es sonst geben müsste. Die Normreihen werden unterteilt in:

E 6 +- 20%
E 12 +- 10%
E 24 +- 5%
E 48 +- 2%
E 96 +- 1%
E 192 +- 0,5%

Die Nennwiderstandswerte sind so gewählt, dass sich die Toleranzfelder der einzelnen Felder berühren oder sogar schneiden. Sucht man nun einen bestimmten Widerstand kann man ihn aus einem Feld ausmessen oder ein Potentiometer verwenden.

Bauarten von Festwiderständen

Festwiderstände unterscheiden sich in ihrer Bauform. Es gibt Schichtwiderstände und Drahtwiderstände. Auf die Drahtwiderstände möchte ich hier nicht weiter eingehen, schauen wir uns also die Schichtwiderstände etwas genauer an.
Bei Schichtwiderständen wird auf zylindrischer Keramik oder Hartglas eine dünne Schicht Kohle, Metall oder Metalloxid im Vakuum aufgesprüht oder aufgedampft. Die Schichtdicke liegt bei 0,001mm und 20mm.
Der Widerstandswert wird bis zu einer Toleranz von 5% durch Schichtdicke und Aufsprühzeit bestimmt. Widerstandswerte mit geringerer Toleranz werden durch Einschliffe in den Schichten hergestellt. Diese führen aber zu einer höheren Induktivität des Widerstandes.

Der Kohleschichtwiderstand

Bei Kohleschichtwiderständen werden meist Glanzkohle, Graphit oder bestimmte Rußgemische als Ausgangsmaterialen genutzt, welche auf den Keramikkörper aufgedampft werden. Sie haben alle unterschiedliche spezifische Widerstände. Der gewünschte Widerstandswert wird dann durch wendeln der Kohlenschicht erreicht. Bei hohen Frequenzen bewirkt der Wendelschliff jedoch eine Induktion.
Der Widerstandswert bei Festwiderständen ist für eine Umgebungstemperatur von 20°C angegeben. Bei steigender Temperatur wird bei Kohleschichtwiderständen der Widerstand kleiner, während er zum Beispiel bei Metall-schichtwiderständen größer wird.
Der Anschluss des Widerstandes besteht aus Metallkappen, die an den Enden des Keramikkörpers angepreßt werden, an ihnen werden dann die Anschlussdrähte angeschweißt. Die Oberfläche des Bauelements wird zum Schutz gegen äußere Einflüsse, mechanische Beschädigungen und zur Isolation lackiert oder mit einer mehrfachen Kunstharzschicht über-zogen. Eine Lackierung des Widerstandes hat jedoch auch negative Eigenschaften, so kann er zum Beispiel schlechter Wärme an die Umgebung abführen.
Letztendlich haben Kohlenschicht-Widerstände jedoch für die verschiedensten Einsätze ausreichende gute Eigenschaften und sie können billig hergestellt werden, daher werden sie in der Elektronik sehr häufig benutzt. Sie werden mit den Widerstandswerten von 1W bis hin zu 10MW hergestellt.

Der Metallschichtwiderstand

Metallschicht- und Filmwiderstände werden aufgrund ihrer hohen Stabilität, ihrem geringen Temperaturkoeffizienten und genau produzierbaren Toleranzen vorwiegend in der Mess- und Steuertechnikeingesetzt. Neuartige Herstellverfahren erlauben die Aufbringung planer Metallfilme, die nach dem Fotoätzverfahren linienförmig gewendelt werden. Es entsteht so eine mäanderförmige Widerstandsbahn. Dieses erlaubt einen genauen Abgleich, besser als 0,01%. Sie weisen aufgrund ihrer mäanderförmigen Konstruktion ein gutes Hochfrequenzverhalten auf.

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Nichtlineare Widerstände

Nichtlineares Verhalten zeigen Bauelemente, deren Material sich unter dem Einfluss äußerer Parameter wie Spannung, Strom, Temperatur, magnetischem Feld oder Strahlung verändert. Dazu zählen beispielsweise temperaturabhängige Widerstände oder spannungsabhängige Widerstände oder Halbleiter-Bauelemente wie Dioden und Transistoren.

Fotowiderstand (LDR)

Prinzipielle Funktion

Bei Halbleiterwerkstoffen tritt ein sogenannter fotoelektrischer Effekt auf. Darunter versteht man die Vergrößerung der Eigenleitfähigkeit bei Lichteinstrahlung. Schauen wir uns diesen Effekt also mal genau an.
Fügt man einem Halbleiterwerkstoff Energie durch Lichteinstrahlung hinzu, so werden Elektronen aus ihren Bindungen befreit. Man kann sich vorstellen, daß Lichtteilchen, die sogenannten Photonen, Kristallbindungen zerschlagen. Die Elektronen dieser Kristallbindungen werden dadurch freigesetzt. Durch Lichteinstrahlung wird also die Anzahl der freien Elektronen und der Löcher vermehrt. Die Vergrößerung der Anzahl der freien Ladungsträger bedeutet eine Vergrößerung der Leitfähigkeit.
Macht man sich nun diesen Effekt zu eigen, ist es möglich Fotowiderstände zu bauen. Fotowiderstände (sogenannte LDR, Light Dependent Resistor) haben aktive Schichten aus Halbleiter-Mischkirstallen, welche einen besonders Starken fotoelektrischen Effekt aufweißen. Dazu gehören unter anderem Cadmiumsulfid, Bleisulfid, Bleislenid und Bleitellurit. Diese Schichten werden auf einen Keramikkörper aufgebracht. Durch die Größe dieser Schicht ergibt sich der Widerstandswert.
Fotowiderstände sind nicht für jedes Licht gleich Empfindlich. Der Widerstandswert ist stark von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. So hat jeder LDR bei einer bestimmten Wellenlänge sein Empfindlichkeitsmaximum. Es lassen sich also Fotowiderstände bauen, welche auf ganz bestimmtes Licht reagieren.
Des weiteren reagieren Fotowiderstände träge. Das heißt, wird die Beleuchtung des LDR geändert, ändert sich der Widerstandswert mit einer gewissen Zeitlichen Verzögerung. Diese beträgt einige Millisekunden.
Fotowiderstände sind ebenfalls leicht Temperatur abhängig. Ihr Temperaturkoeffizient nimmt mit wachsender Beleuchtungsstärke ab.

Technische Daten / Bauform

Typische Kennwerte bei Fotowiderständen sind der Dunkelwiderstand, der Hellwiderstand, die Wellenlänge der maximalen Fotoempfindlichkeit und die Ansprechzeit.

Mit Hellwiderstand R1000 bezeichnet man den Widerstandswert, den der LDR bei einer Beleuchtungsstärke von 1000 Lux hat.
Üblicher Wert: R1000 ~ 100W bis 2kW

Die Wellenlänge der maximalen Fotoempfindlichkeit gibt die Wellenlänge an, bei der der fotoelektrische Effekt am Stärksten auftritt.

Als Ansprechzeit tr bezeichnet man die Zeit, die nach Einschalten einer Beleuchtungsstärke von 1000 Lux nach Dunkelheit vergeht, bis der Strom 65% seines Wertes bei R1000 erreicht hat.
Üblicher Wert: tr ~ 1ms bis 3ms

Neben den eben genanten Kennwerten, sind auch noch einige Grenzwerte zu beachten. Zu diesen zählt die Verlustleistung Ptot, sowie die sich daraus ergebende höchste zulässige Arbeitsspannung Ua und die höchstzulässige Umgebungstemperatur Tmax.

Übliche Werte liegen hier bei:
Ptot ~ 50mW bis 2W
Ua ~ 100V bis 250V
Tmax ~ 70°C

Anwendung

Der Fotowiderstand bietet sich für die verschiedensten Bereiche an, zudem ist es ein
verhältnismäßig preiswertes Bauteil. Er lässt
sich als Beleuchtungsstärkemesser, Dämmerungsschalter und als Sensor in Lichtschranken verwenden. In Heizungsanlagen kann man Fotowiederstände ebenfalls als Flammenwächter einsetzen. Anwenden kann man ihn sowohl im Gleich- als auch im Wechselstromkreis.
Durch die bereits erwähnte Trägheit kann man sie jedoch nur da einsetzen, wo diese keine Rolle spielt.

Der Varistor (VDR)

Einleitung

Es gibt Widerstände, die einen festen Wert besitzen und es gibt Widerstände, die durch Einwirkung von Außen ihren Wert verändern. Der Varistor ist so ein Widerstand, denn er gehört zu den nichtlinearen Widerständen. Daher stammt auch der Name des Varistors – variable resistor = veränderbarer Widerstand. Der Varistor, häufig auch nur VDR (voltage dependent resistor) genannt, ist, wie die Abkürzung schon zeigt, ein spannungsabhängiger Widerstand. Das bedeutet, dass der Varistor ab einer bestimmten Spannung niederohmig wird und somit einen weiteren Spannungsanstieg verhindert. Der Varistor schneidet also Spannungen ab einem bestimmten Grenzwert stark ab. Dabei ist es egal, ob die Spannung positiv oder negativ ist und wie der Varistor gepolt ist.
Der Varistor wird hauptsächlich zum Schutz von verschiedenen Bauelementen oder ganzen Bauelement-Gruppen vor einer Überspannung verwendet. Vor allem Spulen und Schalter werden vom Varistor geschützt, damit diese Bauteile bei einer eventuellen Überspannung nicht zerstört werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet des Varistors ist auch die Stabilisierung von Spannungen.

Prinzipielle Funktion

Der spannungsabhängige Widerstand verändert, wie der Name schon sagt, bei einer bestimmten anliegenden Spannung seinen Widerstandswert. Aber wie kommt diese Änderung zustande?
Zuerst muss man wissen, wie der Varistor aufgebaut ist. Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Aufbauarten, die sich jedoch sehr stark ähneln. Bei der ersten Aufbaumethode besteht das Grundmaterial aus Siliziumkarbid und bei der zweiten aus Metall-Zink-Oxid.
Beim Siliziumkarbid-Varistor wird das Grundmaterial gesintert und anschließend mit Elektroden versehen. Sintern ist ein Vorgang in der Technik, bei der pulverförmige oder kleinstückige Stoffe so weit erhitzt werden, dass sie oberflächlich zusammenschmelzen bzw. zusammenbacken. Deshalb enthält das gesinterte Siliziumkarbid viele kleine Halbleiterkristalle zwischen denen sich nun unregelmäßig gepolte Sperrschichten entwickeln. Man könnte also sagen, dass zwischen den Anschlüssen des Varistors viele in Reihe und parallel geschaltete positiv-negativ Übergänge liegen, die bei einer angelegten Spannung ein elektrisches Feld erzeugen, dass nun beginnt, die Sperrschichten langsam abzubauen. Hierbei verhält sich der Abbau der Sperrschichten proportional zu der angelegten Spannung. Je größer also die Spannung wird, desto mehr Sperrschichten werden abgebaut. Dies führt nun dazu, dass der Widerstand sich verringert. Wird die Spannung nun langsam wieder zurückgenommen so stockt der Abbau der Sperrschichten bis zu einem bestimmten Zeitpunkt (abhängig vom Material) an dem sich wieder Sperrschichten aufbauen und sich damit der Widerstand des Varistors wieder vergrößert.
Bei der zweiten Aufbauart des Varistors ist die Funktion die Gleiche wie beim Siliziumkarbid-Varistor. Es entwickelt sich ein elektrisches Feld, dass bei einer angelegten Spannung Sperrschichten abbaut. Jedoch ist der Metall-Zink-Oxid-Varistor wie ein kleiner Plattenkondensator aufgebaut, der anstelle des Dielekrtikums gesintertes Zinkoxid vermischt mit anderen Metallen enthält (siehe Bild 6).
Bei beiden Typen wird mit zunehmender Spannung der Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Kristallen immer kleiner, da sich die dort befindlichen Sperrschichten abbauen. Deswegen ist der elektrische Widerstand spannungsabhängig und damit nicht konstant. Ein Merksatz: Bei niedrigen Spannungen ist der Widerstand groß, bei hohen Spannungen klein.

Technische Daten

Es gibt zwei verschiedene Bauformen, die am häufigsten verwendet werden:

Erstens: Der Varistor in Scheibenform mit Anschlussdrähten und
zweitens: Der Varistor als SMD Baustein.

Anwendungsschaltung

Der Hauptverwendungszweck eines Varistors ist der Schutz vor Überspannungen an einzelnen Bauteilen oder an ganzen Schaltungen. Das nebenstehende Beispiel zeigt eine Schutzbeschaltung eines Gleichstrom-Magneten. Wenn der Gleichstrommagnet direkt an eine Gleichspannung angeschlossen wird, treten im Abschaltmoment sehr große Induktionsspannungen im KiloVolt-Bereich auf, die durch das Zusammenbrechen des Magnetfeldes entstehen. Dies kann dazu führen, dass z.B. am Schaltkontakt der Spule ein Kontaktbrand entsteht oder Isolationsschäden in der Spulenwicklung durch einen Spannungsüberschlag auftreten.


Um diese unangenehmen Nebeneffekte zu unterdrücken schaltet man einfach einen Varistor parallel zu der Spule. Er verhindert die durch das Abschalten auftretenden Spannungsspitzen (siehe Bild 1 vorhergehende Seite, Spannung-Zeit-Diagramm), indem er bei zu groß werdender Spannung niederohmig wird und die Spule damit kurzschließt. Das bedeutet, dass der Varistor die beim Abschalten der Spule entstehende Überspannung ganz scharf abschneidet (siehe Bild 2 rechts, Spannung-Zeit-Diagramm). Damit baut sich die Energie des Magnetfeldes über den Varistor ab und die Spule wird nicht zerstört.
Außerdem verhindert der Varistor, dass beim Abschalten der Strom sofort auf einen 0 Pegel fällt und somit eine hohe Spannung ermöglicht. Mit dem parallel geschalteten Varistor fällt im Ausschaltmoment der Strom nach einer e-Funktion (vgl. Bild 1 und 2, Strom-Zeit-Kennlinie).

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