Der Widerstand – ein wichtiges Bauteil für die Elektrotechnik

Widerstände sind existenzielle Bauteile für die Elektronik. Sie sorgen dafür, unzulässig hohe Spannungen auf einen zulässigen Wert zu senken, damit elektronische Bauteile nicht zerstört werden. Damit dies klappt, müssen die jeweils passenden Widerstände ausgewählt und in die Schaltung eingebaut werden. Die Grundlage dafür legen recht einfache Berechnungen sowie die Kenntnis eines Farbcodes.

Elektrische Widerstände gibt es in verschiedenen Bauformen. Dazu zählen Festwiderstände, lichtempfindliche Widerstände, Potentiometer und Kalt- beziehungsweise Heißleiter. Sie dienen zur Strombegrenzung und zählen zu den passiven Bauteilen. Passiv deshalb, da sie keine Verstärkerwirkung haben und auch keine Steuerungsfunktion besitzen.

Widerstände haben die Aufgabe, den durch sie hindurchfließenden Elektronen den Durchfluss mehr oder weniger zu erschweren. Erreichbar wird dies beispielsweise im Fall von Kohlemassewiderständen durch die Wahl einer passenden Körnchengröße, deren Packungsdichte durch unterschiedlichen Druck beim Zusammenpressen entsprechend des gewünschten Widerstandswerts angepasst wird. Die Fertigungstoleranzen bei diesen Widerständen sind mit 10 bis 20 Prozent sehr hoch.

Hinzu kommt, dass die Übergänge von Körnchen zu Körnchen echte Problemstellen sind. Erwärmt sich der Widerstand durch die hindurchfließenden Elektronen, so dehnt er sich aus, was einen abreißenden und sofort neu gebildeten Kontakt zwischen den Körnchen zur Folge hat. Das Resultat ist ein starkes Rauschen derjenigen Schaltungen, in denen diese Widerstände eingebaut sind. Wegen ihrer vielen Nachteile werden solche Widerstände so gut wie nicht mehr produziert.

Weit besser sind Kohle- oder Metallschichtwiderstände, die einen homogenen Aufbau besitzen. Sie bestehen aus nichtleitendem Vollmaterial, auf dessen Oberfläche eine leitende Schicht aufgebracht wird. Hier kommt es zur Erzeugung eines bestimmten Widerstandwertes neben der Materialart zusätzlich noch auf die Materialform sowie die Länge des Materials an. Je dicker das Material, desto geringer der Widerstand für die Elektronen. Hingegen steigt der Widerstand, je länger das Material ist.

Da Kohleschichtwiderstände immer noch deutlich rauschen, ist ihre Verwendung stark zurückgegangen. In der Elektrotechnik werden überwiegend Metallschichtwiderstände verwendet, da diese deutlich weniger rauschen, einen wesentlich geringeren Temperaturgang besitzen und zudem eine höhere Temperaturbeständigkeit besitzen. Sie warten zudem mit einer hohen Genauigkeit von nur einem Prozent vom Nennwert auf. In der Industrie sind sogar Metallschichtwiderstände üblich, die nur mehr 0,5 oder gar 0,1 Prozent vom Nennwert abweichen. Auf diese Weise wird das Abgleichen von Schaltungen mit Potentiometern oft überflüssig.

Widerstandwerte werde an herkömmlichen Widerständen mittels eines Farbcodes kenntlich gemacht. Dieser kann drei, vier, fünf oder sechs Ringe umfassen. Der Aufbau ist stets von links nach rechts: Zahlenwert, Multiplikator, Toleranz, Temperatur-Koeffizient. Bei einer Farbcodierung mit sechs Ringen sind daher die ersten beiden Farben die Zahlenwerte, die vierte Farbe der Multiplikator, der fünfte Farbring die Toleranzangabe und der sechste Farbring repräsentiert den Temperaturkoeffizient.

Zur Ermittlung des Widerstands gibt es Widerstandsuhren, Programme, Internetlösungen oder selbst erstellte Excel-Listen. Wer ganz sicher gehen will, welchen Widerstand das von ihm ausgewählte Exemplar exakt besitzt, der muss den Widerstand mit einem Universalmessgerät ausmessen.

Wichtig ist dabei, dass der Widerstand während des Messvorgangs nicht zusammen mit den Messspitzen des Messgeräts zwischen Daumen und Zeigefinger festgeklemmt wird, da sonst der ermittelte Wert durch den Einfluss des Körpers völlig falsch ausfällt.

Richtig ist es, den Widerstand ohne Berührung mit einem Leiter zu messen.

Das unten stehende Bild 1 zeigt, dass ein 2,2 Megaohm-Widerstand durch den Einfluss von Zeigefinger und Daumen lediglich nur mehr als 1,3 Megaohm-Widerstand ausgegeben wird, was definitiv falsch ist, wie der aufgedruckte Farbcode sowie die korrekte Messung darlegen.

Theoretisch könnte die Industrie eine Unzahl an Festwiderständen mit unterschiedlichsten Werten produzieren, was jedoch völlig unwirtschaftlich wäre und zudem gar nicht nötig ist. Man hat sich daher die sogenannte E-Reihe einfallen lassen. Dies ist eine genormte Folge von Werten, die für Widerstände, aber auch für Kondensatoren oder Spulen verwendet wird. Durch die Nutzung dieser Reihen wird sichergestellt, dass Widerstände zu den meisten Elektronikschaltungen in Serie produziert werden können. Zudem ergibt sich der Vorteil einer überschaubaren Lagerhaltung von Festwiderständen.

In gewisser Weise erinnern die E-Reihen an das Passungssystem in der Metallbearbeitung. Dort wird durch dieses System verhindert, dass eine Unmenge an Grenzlehrdornen bereitgehalten werden muss, um unterschiedliche Passungen zu erzeugen. Die Zahl hinter dem Buchstaben ›E‹ gibt übrigens an, wie viele Widerstandswerte pro Dekade zur Verfügung stehen.

Angenommen, es wird ein 1,5 Ohm-Widerstand benötigt, so zeigt ein Blick auf die Ergebnistabelle, dass dieser Widerstand mühelos beschaffbar ist, da er ab der E12-Reihe aufgelistet ist. Allerdings ist zu beachten, welche Toleranz in der Schaltung vertretbar ist. Ein Widerstand, der nach Reihe E12 gefertigt ist, hat ein Toleranzfenster von zwanzig Prozent vom Nennwert, nämlich zehn Prozent nach oben und zehn Prozent nach unten. Ein nach Reihe E48 gefertigter Widerstand ist wesentlich präziser, da dieser lediglich eine Abweichung von je zwei Prozent nach oben und unten besitzt.

Manchmal sind jedoch keine passenden Widerstände zur Hand. Oft kann man diesen Mangel beseitigen, indem beispielsweise Trimmpotentiometer genutzt werden, die auf den nötigen Widerstandswert einstellbar sind. Ein Alternative wäre das Schalten mehrerer Widerstände in Reihe, um auf den passenden Gesamtwiderstand zu kommen.

Von einer Parallelschaltung wird gesprochen, wenn Bauteile nebeneinander angeordnet sind. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass alle Bauteile die gleiche Spannung erhalten.

Die Ursache ist physikalischer Natur: Bei steigender Temperatur werden mehr Elektronen aus ihren Kristallbindungen herausgerissen. Diese Eigenschaft wird technisch genutzt. Heißleiter findet man in Temperaturmessgeräten, dienen zur Temperaturstabilisierung von Schaltungen oder reduzieren den Einschaltstrom in Stromkreisen.

Während Heißleiter bei steigender Temperatur ihren Widerstand verringern, passiert dies bei Kaltleitern in umgekehrter Richtung. Diese haben bei fallender Temperatur einen umso geringeren Widerstand, je weiter die Temperatur zurückgeht. Umgekehrt gilt: Steigt die Temperatur, steigt auch der Widerstand des Kaltleiters. Nahezu alle Metalle sind Kaltleiter, da diese bei niedrigen Temperaturen eine bessere Leitfähigkeit besitzen.

Beide Varianten haben ihre jeweiligen Einsatzbereiche, der sie für jeweils unterschiedliche Aufgabenfelder, etwa als Temperatursensor, prädestiniert.

Eine Excel-Tabelle zum Berechnen des Widerstandswerts beziehungsweise des Widerstands in einer Reihen- oder einer Parallelschaltung ist im XLSX-Format per Klick auf nachfolgenden Button herunterladbar.