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Ratgeber
Für die meisten Menschen hat der Begriff „Widerstand“ einen eher negativ angehauchten Beigeschmack. Denn schließlich sollen geplante Projekte und Vorhaben am liebsten reibungslos, also ohne großen Widerstand, umgesetzt werden.
Aber auch in der Fahrzeugentwicklung oder Antriebstechnik sind Begriffe wie Luftwiderstand, Reibungswiderstand oder Rollwiderstand recht unbeliebte Größen. Diese müssen oftmals mit viel technischem Know-how so gering wie möglich gehalten werden.
Fragt man hingegen eine Fachkraft für Elektrotechnik nach dem Beliebtheitsgrad von Widerständen in einem Stromkreis, sieht das Bild ganz anders aus. Denn diese Leute lieben diese einfachen, aber recht zweckmäßigen Bauteile. Schließlich würde ohne Widerstände in der Elektronik fast nichts funktionieren. Warum das so ist, welche unterschiedlichen Widerstände es gibt und was es sonst noch für interessante Informationen zu diesem Thema gibt, erklären wir Ihnen gerne.
Wenn wir bei Conrad Electronic von einem Widerstand sprechen, dann meinen wir natürlich einen elektrischen Widerstand R aus der Elektrotechnik. Wobei „R“ das Formelzeichen für den elektrischen Widerstand ist. Wir reden also von einem Bauteil mit zwei Anschlüssen, das in elektronischen Schaltungen eingesetzt wird.
Um verstehen zu können, was ein elektrischer Widerstand R ist und was er bewirkt, ist es vorteilhaft, die Unterschiede zwischen Strom und Spannung genau zu kennen. Bei Bedarf können Sie die erforderlichen Informationen gerne in unserem Ratgeber Wechsel-, Dreh- und Gleichstrom nachlesen.
Die Hauptaufgabe eines elektrischen Widerstandes ist die Begrenzung des Stromes. Um diese Funktion besser verstehen zu können, wird in der Ausbildung ein elektrischer Widerstand oft auch mit einer Engstelle in einer Wasserleitung verglichen.
So wie die Engstelle im Rohr den Durchfluss des Wassers reduziert, verringert auch ein Widerstand den Strom innerhalb eines Stromkreises. Auch wenn das Vergleichsmodell nur unter bestimmten Voraussetzungen übertragbar ist, hilft es trotzdem zur allgemeinen Verständlichkeit.
Oft wird im Zusammenhang auch von einer Spannungsreduzierung durch Widerstände gesprochen. Die kann aber nur dann stattfinden, wenn auch wirklich Strom über den Widerstand fließt. Denn in diesem Fall baut sich über dem Widerstand eine elektrische Spannung auf. Wenn kein Strom fließt, findet auch kein Spannungsaufbau über den Widerstand statt.
1) Wasserpumpe | 2) Engstelle in Rohr | 3) Wasserturbine bzw. Verbraucher
Die Tatsache, dass sich über einen elektrischen Widerstand eine Spannung (Formelzeichen U) aufbaut, sobald Strom fließt, kann zur Definition des Widerstandswertes herangezogen werden.
Wenn über einen elektrischen Widerstand R ein elektrischer Strom (Formelzeichen I) von 1 A (Ampere) fließt und sich dabei über dem Widerstand eine elektrische Spannung U von 1 V (Volt) aufbaut, hat der Widerstand einen Wert von 1 Ω / Ohm.
Im Umkehrschluss bedeutet das: Wenn an einer Spannungsquelle mit 1 V ein elektrischer Widerstand mit einer Größe von 1 Ω angeschlossen wird, so ergibt das eine Stromstärke I von 1 Ampere. Wird die Spannung geringer, verringert sich auch der Strom im gleichen Maße.
Aus diesem Zusammenhang leitet sich dann auch das Ohmsche Gesetz zur Widerstandsberechnung (R = U : I) ab. Die Einheit Ohm wurde nach dem deutschen Physiker Georg Simon Ohm benannt.
Ein Ohmscher Widerstand weist demzufolge auch eine gerade Strom-Spannungs-Kennlinie auf.
Um die Funktion eines elektrischen Widerstandes bzw. eines ohmschen Widerstands anschaulich erklären zu können, eignet sich ein einfach aufgebautes 12 V-Netzteil mit Trafo (TR), Brückengleichrichter (BG) und Ladekondensator (K). Derartige Netzteile liefern meist Ströme von mehreren hundert Milliampere. Um die Funktion des Netzteils optisch anzeigen zu können, soll eine Leuchtdiode (LED) genutzt werden. Die vorgesehene 3 mm LED in der Farbe Grün hat eine zulässige Betriebsspannung von 2,3 Volt (V) und eine zulässige Stromstärke (Durchlassstrom) von 20 Milliampere (20 mA bzw. 0,02A). Da unser Netzteil jedoch eine Ausgangsspannung von 12 V liefert, kann die geplante LED nicht direkt an den Ausgang angeschlossen werden. Durch die hohe Spannung wäre die daraus resultierende Stromstärke viel zu hoch. Die LED würde sofort zerstört werden.
Darum wird einfach ein elektrischer Widerstand (R) in Serie vor die LED geschaltet. Fachleute bezeichnen diese Widerstände als Vorwiderstände. Der Trick dabei ist, dass die korrekte physikalische Größe des Vorwiderstandes exakt bestimmt werden muss.
Denn sobald der elektrische Strom über den Widerstand und die LED fließt, muss der Widerstand den Strom auf 20 mA begrenzen. Bei entsprechender Auslegung sollte sich über den Widerstand so viel Spannung aufbauen, dass die Betriebsspannung der LED von 2,3 V nicht überschritten wird.
Der Widerstand setzt die dabei aufgenommene elektrische Leistung (P) in Wärme um und gibt sie an die Umgebung ab. Die Bauform bzw. mechanische Größe des Widerstandes ist letztendlich davon abhängig, wie viel Leistung er in Wärme wandeln muss und welche Temperaturen dabei entstehen dürfen.
Wichtig!
Beim Anschluss einer LED muss unbedingt auf die korrekte Polung geachtet werden. Weiterführende Informationen können Sie unserem Ratgeber zum Thema LED entnehmen.
Im Prinzip haben wir sämtliche Informationen, um in unserem Praxisbeispiel mit dem Netzteil den korrekten elektrischen Vorwiderstand R zu berechnen. Da der Stromfluss bzw. die Stromstärke in einer Serienschaltung bei allen Bauteilen gleich ist, muss der Durchlassstrom von 20 mA auch über den Widerstand fließen. Damit die LED keine zu hohe Betriebsspannung erhält, sollte der elektrische Widerstand so ausgelegt sein, dass sich bei einer Stromstärke von 20 mA eine Spannung von 9,7 V (12 V – 2,3 V) über dem Widerstand aufbaut. Nach dem Ohmschen Gesetz beträgt der Widerstand dann 9,7 V : 0,02 A = 485 Ω.
Bezogen auf die Netzteil-Ausgangsspannung von 12 V, fällt die Spannung nach dem Widerstand um den Wert von 9,7 V ab. Deshalb sprechen Fachleute auch oft von einem Spannungsabfall, der sich bei Widerständen ausbildet.
Allerdings ist die Berechnung des Widerstandswertes in Ohm nur der erste Teil der Aufgabe. Damit der Widerstand im Stromkreis zuverlässig funktioniert, muss er so ausgelegt sein, dass er die Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme auf Dauer aushält. Die erforderliche Leistung (P) für den elektrischen Widerstand wird mit der Formel P = U x I berechnet. In unserem Fall beträgt die Leistung 9,7 V x 0,02 A = 0,194 VA bzw. 0,194 Watt (W).
Ein geeigneter Vorwiderstand für die LED wäre in diesem Fall ein Widerstand mit 487 Ω (aus der E48 Reihe), mit 510 Ω (aus der E24 Reihe) oder mit 560 Ω (aus der E12 Reihe) mit jeweils 0,25 W Leistung.
In unserem Ratgeber LED-Vorwiderstand berechnen finden Sie noch weitere interessante Informationen zu diesem Thema. Alles rund um Widerstandsgrößen, Widerstandsreihen und die Bedeutung der Farbringe können Sie in unserem Ratgeber zum Widerstands Farbcode nachlesen.
Wer an elektrische Widerstände denkt, hat vermutlich zunächst die Bilder von Kohleschichtwiderständen, Metallschichtwiderständen oder eventuell auch von dicken Leistungswiderständen im Kopf. Aber zur großen Gruppe der elektrischen Widerstände zählen noch weit mehr Exemplare, die mehr oder weniger oft eingesetzt werden. Grundsätzlich lassen sich Widerstände in drei große Gruppen einteilen:
Festwiderstände
Festwiderstände haben einen vom Hersteller vorgegebenen Wert, der nicht veränderbar ist. Sie werden auch als Ohm`sche Widerstände bezeichnet. Je nach Bedarf kann der Aufbau als Draht-, Schicht-, Folien- oder Massewiderstand erfolgen. Als Werkstoffe werden Kohle, Metall, Metallglasur, Metalloxid, Metallkeramik verwendet. Die Widerstände werden in bedrahteter Bauform, als SMD-Widerstände oder als Widerstandsnetzwerke angeboten.
Veränderbare Widerstände
Diese Widerstände werden auch als Potentiometer oder in der Kurzform einfach nur als Poti bezeichnet. Der klassische Einsatz eines Dreh-Potentiometers ist als Lautstärkeregler oder Klangregler in Soundsystemen. In Mischpulten werden gerne Schiebepotentiometer verbaut. Trimmpotentiometer dienen zum werkseitigen Abgleich von elektronischen Schaltungen und müssen in der Regel für den späteren Betrieb des Gerätes nicht mehr verstellt werden.
Spezialwiderstände
In der Elektronik und Technik werden nicht nur Festwiderstände und veränderbare Widerstände benötigt. Oftmals ist es erforderlich, dass eine elektronische Schaltung äußere Umstände erfassen und auswerten kann. Dafür gibt es mittlerweile eine ganze Reihe unterschiedlicher Widerstände, die für besondere Aufgaben entwickelt und gebaut wurden. Einige dieser ganz speziellen Widerstände wollen wir Ihnen gerne noch etwas genauer vorstellen:
Temperaturabhängige Widerstände
Bei diesen Widerständen können äußere Einflüsse oder auch eine durch den Stromfluss bedingte interne Temperatur des Spezialwiderstandes den Widerstandswert ändern. Klassische Vertreter sind PTC-Widerstände (Kaltleiter aus keramischen Werkstoffen), die bei steigender Temperatur den Widerstandswert erhöhen.
NTC-Widerstände (Heißleiter aus Halbleiterwerkstoffen) verringern den Widerstandswert mit steigender Temperatur. Aufgrund des feineren Ansprechverhaltens werden NTC-Widerstände für die exakte Messung von Temperaturen verwendet.
Lichtabhängige Widerstände
Ein Fotowiderstand oder Light Dependent Resistor (LDR) reagiert auf das einfallende Licht mit einer Änderung des Widerstandswertes.
Je mehr Licht auf den Widerstand fällt, desto geringer wird der Widerstandswert.
Fotowiderstände werden beispielsweise zur Helligkeitssteuerung von LED-Anzeigen, in Lichtschranken oder auch zur Brennerüberwachung in Heizungen verwendet.
Spannungsabhängige Widerstände
Spannungsabhängige Widerstände oder auch Varistoren sind in der Regel hochohmig.
Das bedeutet, ihr Widerstandswert ist im normalen Betrieb recht groß. Beim Überschreiten einer bei der Herstellung fest definierten Spannung wird der Varistor niederohmig und kann für den Bruchteil einer Sekunde sehr hohe Ströme verkraften.
Dadurch eignen sich Varistoren ideal als Ableiter für Überspannungen.
Kraftabhängige Widerstände
Kraftabhängige Widerstände oder auch Dehnmessstreifen verändern ihren Widerstandswert aufgrund einer Krafteinwirkung von außen.
Kraftabhängige Widerstände werden vorzugsweise in der Wiegetechnik verwendet.
Bei 3D-Druckern wird mit Hilfe von Dehnmessstreifen die korrekte Positionierung des Druckkopfes während des Druckvorgangs geregelt.
Was ist ein Schichtwiderstand?
Bei einem Schichtwiderstand wird auf einen nicht leitenden Keramikkern, der als Trägermaterial dient, eine Widerstandsschicht aufgebracht. Die Widerstandsschicht kann aus Kohle oder Metalloxid bestehen. Sie werden als Kohleschichtwiderstände oder Metallschichtwiderstände angeboten und sind weit verbreitet. Durch das Einbringen einer Wendel- oder Mäanderstruktur in die Widerstandsschicht werden trotz kleiner Bauformen hohe Widerstandswerte erreicht. Mit Hilfe von verschiedenen Abrasionstechniken wird die Widerstandsschicht dann soweit abgetragen, bis der gewünschte Widerstandswert erreicht ist. Anschließend wird der elektrische Widerstand mit einem Schutzlack versiegelt und mit den passenden Farbcoderingen versehen.
Wodurch unterscheiden sich Metallschicht und Kohleschichtwiderstände?
Kohleschichtwiderstände werden meist kostengünstiger angeboten, sind aber bezüglich des Widerstandswertes nicht so fein gestaffelt und haben auch eine geringere Leistung. Metallschichtwiderstände sind feiner gestaffelt, haben eine höhere Leistung, sind aber auch teurer. Zudem sind die Toleranzen bei Kohleschichtwiderständen deutlich höher als bei Metallschichtwiderständen.
Was ist ein Massewiderstand?
Im Gegensatz zu einem Drahtwiderstand oder Schichtwiderstand besteht bei einem Kohlemassewiderstand das Widerstandselement aus einem Graphit/Keramik-Volumenkörper. Kohlemassewiderstände wurden hauptsächlich in Röhrenradios und Röhrenfernsehern eingesetzt.
Was sind Widerstands-Netzwerke?
In einem Widerstandnetzwerk oder Widerstandsarray sind mehrere Widerstände in einem kompakten Bauteil kombiniert. Widerstandsnetzwerke werden in den unterschiedlichsten Ausfertigungen angeboten und eingesetzt, um beim Schaltungsaufbau Platz zu sparen.
Was ist ein Hochlastwiderstand?
Widerstände sind bauartbedingt für eine bestimmte Leistung ausgelegt. Es gibt sehr kleine Widerstände, bei denen die maximal zulässige Leistung lediglich 1/16 W beträgt. Hochlastwiderstände hingegen können eine Leistung von mehreren 100 W haben.
Was sind Messwiderstände?
Messwiderstände zeichnen sich durch eine hohe Präzision und eine geringe Toleranz im Widerstandswert aus. Sie werden in Messgeräten als Spannungsteiler oder Shunts eingesetzt, um exakte Messungen von Spannungen oder Strömen durchführen zu können.
Wofür wird Widerstandsdraht benötigt?
Widerstandsdraht besteht aus unterschiedlichen Metalllegierungen, die je nach gewünschten Widerstandswert Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Mangan, Aluminium oder Kupfer enthalten können. Dadurch wird ein bewusst höherer Widerstand des elektrischen Leiters erzeugt, damit dieser sich durch den Stromfluss stark erwärmt. Dabei sind Temperaturen von bis zu 1400 °C möglich. So können Widerstandsdrähte als Heizdrähte für die unterschiedlichsten Geräte genutzt werden. Man kann mit Widerstandsdraht aber auch individuelle elektrische Widerstände selber herstellen. Zu diesem Zweck wird bei einem Widerstandsdraht der Ohmsche Widerstand pro Meter (Ω/m) in den technischen Daten angegeben.
Was ist der spezifische Widerstand?
Der spezifische Widerstand ist eine von der Temperatur abhängige Materialkonstante. Für die Berechnung des Widerstandes einer elektrischen Leitung wird der spezifische Widerstand des Leitungsmaterials in Ω x mm² pro Meter angegeben. Wobei der spezifische Widerstand vom verwendeten Material der Leitung und von der Querschnittsfläche A abhängig ist. Die kohärente SI-Einheit lautet Ohmmeter (Ω x m). Der Kehrwert des spezifischen Widerstandes ist die Leitfähigkeit oder exakter ausgedrückt, die elektrische Leitfähigkeit.