Was ist ein Widerstandsnetzwerk?
Der elektrische Widerstand in einer Schaltung gibt an, welche Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen elektrischen Leiter fließen zu lassen. Die Höhe des Widerstandes wird in der Maßeinheit Ohm angegeben. Als zweipoliges passives Bauteil in einem elektrischen Schaltkreis können Widerstandsnetzwerke entweder in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden. Dabei ist der erzeugte Widerstandswert in einer Reihenschaltung stets die Summe aller Widerstände in der Schaltung. Bei einer Parallelschaltung hingegen ist der Gesamtwiderstand stets kleiner als der größte Einzelwiderstand in der Schaltung.
Grundsätzlich haben alle Bauteile und alle Leiter einen elektrischen Widerstand. Das ist in der Physik des Stromflusses begründet: Elektronen werden beispielsweise in einem metallischen Leiter durch die Ionen des Metallgitters in ihrer Bewegung gehindert. Diese Einschränkung durch die Ionen wird durch den Widerstand bezeichnet. Eingebaute Widerstände hingegen nutzen diese Eigenschaften, um bewusst den elektrischen Strom zu begrenzen, ihn aufzuteilen oder ihn in eine Spannung umzuwandeln, um ihn zu messen. Außerdem tritt bei der Erzeugung des Widerstandes eine Wärmeentwicklung auf, die abhängig von Stromstärke und Größe des Widerstands ist. Auch diese Eigenschaft kann aktiv genutzt werden.
Die Bauteile, die als Widerstand in einem Stromkreis eingesetzt werden, verfügen vorzugsweise über einen relativ hohen Widerstand. Das heißt, die verwendete Legierung im Bauteil hindert durch positiv geladene Ionen die durchfließenden Elektronen möglichst stark in ihrer Bewegung. Dies ist beispielsweise bei Kohle, Konstantan oder Chromnickel der Fall.
Der spezifische Widerstand ist weiterhin von der Temperatur abhängig. Das ideale Material für einen Widerstand sollte eine von der Temperatur völlig unabhängige Toleranz bereitstellen. Der Wert, der die Veränderungen beschreibt, die durch Temperaturschwankungen ausgelöst werden, wird in Prozent angegeben. Dieser sollte demzufolge gegen null tendieren. Je höher dieser Prozentwert ist, desto größer sind die möglichen Veränderungen der Einheit Ohm, die durch Temperaturunterschiede ausgelöst werden. Ein Widerstandsnetzwerk bezeichnet einen Zusammenschluss aus mehreren Widerständen, die getrennt voneinander in einen Schaltkreis eingebaut werden können. Dabei gibt es mehrere Formen, die sich in ihrer Bauart und Verwendung unterscheiden. Für Widerstandsnetzwerke gilt im Allgemeinen, dass sie mehrere anschließbare Widerstände haben.
Hier ist ein Widerstandsnetzwerk abgebildet, dessen Anschlüsse isoliert voneinander sind. Der kammartige Aufbau ermöglicht mehrere Anschlüsse. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Single-in-Line Package. Es besteht aus einem Keramik-Gehäuse mit nur einer Kontaktstiftreihe. Dieses Bauteil kommt in einer Durchsteckmontage zum Einsatz. Die Bauelemente sind bedrahtet und werden durch Kontaktlöcher in der Leiterplatte mit der Leiterbahn durch Löten verbunden.
In dieser Abbildung ist eine andere Form von Widerstandsnetzwerk dargestellt. Es handelt sich hierbei um ein sogenanntes „Surface-Mounted Device“: ein Widerstandsnetzwerk, dass auf einer Oberfläche befestigt wird. Diese Widerstände werden auf Leiterplatten verlötet, ohne dass dafür vorgesehene Steckplätze wie bei einer Durchsteckmontage vorhanden sein müssen. Auch hier gilt, dass die einzelnen Widerstände voneinander isoliert sind und damit auch unabhängig voneinander genutzt werden können.
Was ist beim Kauf zu beachten?
Zunächst geht es um die Form: in welche Art von Schaltung wollen Sie die Widerstände einbauen? Handelt es sich um eine Durchsteckmontage, müssen Sie auf Widerstandsnetzwerke zurückgreifen, die aus einer Kontaktstiftreihe bestehen. Wenn Sie die Widerstandsnetzwerke auf einer Leiterplattenoberfläche verlöten wollen, greifen Sie auf ein „Surface-Mounted Device“ zurück. Darüber hinaus geht es um die Anzahl der Anschlüsse. Hier können Sie je nach Bedarf eine Auswahl treffen.
Weiterhin besitzen Widerstände bestimmte Eigenschaften, die es zu beachten gilt. Zum einen erzeugen sie ein Widerstandsrauschen, das zum Beispiel bei hochempfindlichen Spezialmessgeräten stören kann. Das Rauschen tritt unabhängig von der angelegten Spannungsquelle auf. Es entsteht durch extern zugeführte thermische Energie und verändert sich linear mit der Temperatur. Am absoluten Nullpunkt, also bei etwa -273 Grad Celsius ist das Widerstandsrauschen fast vollständig eliminiert, allerdings ist eine derart starke Kühlung im normalen Gebrauch viel zu aufwendig.
Zum anderen entsteht ein sogenanntes Stromrauschen, das – im Gegensatz zum Widerstandsrauschen – erst bei einer angelegten Spannung messbar wird. Der Strom, der durch den Widerstand fließt, ist nicht konstant. Während die Spannung gleich bleibt, bewegt sich der Strom um einen Mittelwert herum. Die Stärke dieses Rauschens, also die Höhe der Abweichung von diesem Mittelwert, ist abhängig vom verwendeten Material. Zudem kann es durch einen anderen Widerstand mit unterschiedlichem Widerstandsmaterial reduziert werden. Metallschichtwiderstände verursachen ein geringeres Rauschen als Kohleschichtwiderstände. Sie sind etwas teurer als die Kohleschichtvarianten, reduzieren allerdings die Gefahr von Toleranzproblemen.
Tipp: Wenn Sie an Mess- und Audioschaltungen arbeiten, verwenden Sie unbedingt Metallschichtwiderstände. Bei diesen Geräten ist höchstmögliche Präzision gefragt.
Ein weiterer Punkt ist die Hitzebeständigkeit des Bauteils. Widerstandsnetzwerke wandeln elektrische Energie in Wärme um, daher ist eine effektive Wärmeableitung unbedingt notwendig. Auch sollte die Maximaltemperatur des Widerstandes nicht überschritten werden. Anderenfalls kann das Bauteil großen Schaden nehmen. Achten Sie also immer darauf, den Wert der Belastbarkeit des Bauteils, der in Watt angegeben ist, nicht zu überschreiten. Weiterhin stellen die verschiedenen Bauteile unterschiedlich hohe Widerstände zur Verfügung. Diese sind immer in Ohm angegeben. Mithilfe der Höhe des Widerstandes können Sie weitere relevante Parameter wie zum Beispiel die Frequenz berechnen. Die empfehlenswerte Stärke des Widerstandes richtet sich je nach Anwendungsgebiet. Alle wichtigen Daten finden Sie in den Produktbeschreibungen.
Fazit
Widerstandsnetzwerke sind eine günstige Methode, um den elektrischen Strom in einer Schaltung zu begrenzen. Bei der Auswahl des richtigen Bauteils sollten Sie auf die Form, das Material und die Stärke des Widerstandes achten. Sorgen Sie dafür, dass das Bauteil in einer möglichst kühlen Umgebung seinen Platz findet und die bei Betrieb entstehende Wärme entweichen kann. Sparen Sie hier an der falschen Stelle, könnte der Widerstand zum Beispiel wegen Überhitzung seine Leistungsfähigkeit verlieren oder sogar schwer beschädigt werden.