Schichtwiderstand - Stuettler.org

Widerstände
V1.0
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Widerstände
1. Typen
2. Widerstandsreihen und Toleranzen
3. Eigenschaften
4. Nichtlineare Widerstände
1. Typen
1.1. Schichtwiderstand
Aufbau
Kohleschichtwiderstände
Bei Schichtwiderständen wird auf zylindrischem Keramik oder Hartglas eine dünne Schicht Kohle, Metall oder
Metalloxid aufgesprüht oder aufgedampft(im Vakuum). Der Abgleich erfolgt durch Einschleifen/Lasern einer
Wendelung ( nicht bei HF-Widerständen über mehreren 100 MHz).
Metallfilmwiderstände
Die Widerstände haben eine geringe Toleranz, kleine Alterung, kleine Temperaturkoeffizienten, kleines
Rauschen
Kohlegemischwiderstände
Gute HF-Eigenschaften bieten Kohlegemischwiderstände ( sind eine Variante bei der ein Kohlegemisch in ein
Glasröhrchen gefüllt wird ) und die ähnlichen Massewiderstände in SMD-Bauform. Alterung : 1%/5Jahre;
großer negativer Temperaturkoeffizient
Dickschichtwiderstand
Mit Siebdrucktechnologie wird eine Metallpaste auf Keramik aufgebracht und eingebrannt. Mehrere
Widerstände in einem Single-Inline ( SIP) oder Dual-Inline-Package (DIP) sind erhältlich.
1.2. Drahtwiderstand
Drahtwiderstände bestehen aus einem temperaturbeständigem Keramik- oder Kunststoffkörper, auf dem ein
Draht einer Metallegierung aufgewickelt ist.
Eigenschaften : hohe Belastbarkeit und Verlustleistung, Einsatz im NF-Bereich, kleinerer Wertebereich, durch
die Drahtwicklungen entsteht eine bei höheren Frequenzen störende Induktivität.
1.3. Stellwiderstände
Verstellbare Widerstände sind mit einem Schleifer versehen der eine Kohlebahn oder eine Metallwendel
abtastet.
Stellwiderstände kleiner Leistung sind sogenannte Trimmpotentiometer, Potentiometer, Mehrgang und
Wendelpotentiometer ( bis 10 Umdrehungen ), Stereopotentiometer ( 2 mechanisch gekoppelte Potentiometer ),
Leitplastikpotentiometer, logarithmische und negativ logarithmische Potentiometer erhältlich.
R
ng.lg
pos.lg

spa
1/7
Widerstände
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2. Widerstandsreihen und Toleranzen
Die Staffelung erfolgt wie z.B. auch bei den Kondensatoren nach den sogenannten E-Reihen. Die
Widerstandsreihe E12 weist 12 Werte pro Dekade auf. Die Werte liegen 101/12 auseinander. Die Toleranz der
E12-Reihe liegt bei +-10%. Damit berühren sich die Toleranzgrenzen angrenzender Widerstände. Die
Kennzeichnung erfolgt mit Farbringen oder Ziffernangaben ( z.B.SMD ).
Kohleschichtwid.E6-E24
Metallschichtwid. E48-E192
Farbe
Silber
Gold
Schwarz
Braun
Rot
Orange
Gelb
Grün
Blau
Violett
grau
weiß
1.Ziffer
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2.Ziffer 3.Ziffer Multiplikator
10-2
10-1
0
0
100
1
1
101
2
2
102
3
3
103
4
4
104
5
5
105
6
6
106
7
7
107
8
8
108
9
9
109
Toleranz
+-10%
+-5%
+-20%
+-1%
+-2%
Temp-Koeff
+-250x10-6/K
+-100x10-6/K
+-50x10-6/K
+-25x10-6/K
+-20x10-6/K
+-0.5% +-10x10-6/K
+-0.25% +-5x10-6/K
+-0.1% +-1x10-6/K
+-250x10-6/K
Konstruktionsvorschrift,.. von Widerstandsreihen :
Reihe
Faktor
Toleranz
Typ
E6
101/6
+-20%
Ko/Me
E12
101/12
+-10%
Ko/Me
E24
101/24
+-5%
Ko/Me
E48
101/48
+-2%
Meta
E96
101/96
+-1%
Meta
E192
101/192
+-0.5%
Meta
E6,E24 –Reihen:
E6 E12 E24
100 100 100
110
120 120
130
150 150 150
160
180 180
200
220 220 220
240
270 270
300
330 330 330
360
390 390
430
470 470 470
510
560 560
620
680 680 680
750
820 820
910
Toleranzbereiche (grau):
0
100
150
220
330
470
E6
spa
E12
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3. Eigenschaften
3.1 Übersicht
Widerstandsart
Metall
44061
Edelmetall
Metalloxid
44063
Draht
44196,44197
Wertebereich
Kohle
44051,44052
44053,44055
1-10M
1-2M
m-
1-2M
0.1-1M
Toleranzbereich
1%-10%
0.1%-5%
0.2%-5%
0.01%-20%
Max Innentemp.
125
175
155
200
Sehr hoch
Temp-K.
10-6/°C
-300
+-100
+300
exakt
definiert
+-300
-30 bis +150
Belastbarkeit
0.1-2W
0.1-1W
0.1-1W
1-100W
Pulslastfaktor
100
15
30
100
DIN
Thermospannung klein
Ausfallsrate/h
5
klein
10-10
10-8
10-8
praktisch höher
praktisch höher
praktisch höher
Langzeitkonst.
Rauschen
Nichtlinearität
Feuchteunempf
Gering
gering
Sehr unempf.
Gering
gering
Gering
Gering
Unempf.
3.2 Erläuterungen
Belastbarkeit
Die Belastbarkeit ist für eine Umgebungstemperatur von 25/40 oder
70°C angegeben. Höhere Temperaturen werden mit Deratingkurven
erfasst. Die oben tabellierte Maximaltemperatur liefert dabei den Punkt
P=0.
Die Impulsbelastbarkeit : Ppuls = Pgleichstrom / prozentualen
Einschaltdauer mit obigen tabellierten Absolutgrenzen.
Die Spannungsbelastbarkeit kann bei hochohmigen Widerständen mehr
als die Strombelastbarkeit ein Problem darstellen.
Temperaturkoeffizienten
Die Temperaturabhängigkeit ist bei Metallschichtwiderständen klein.
Kohleschichtwiderständen weisen einen großen negativen
Temperaturkoeffizienten von ca. –3*10-4/°C ( 10k ) bis ca.
–10*10-4/°C ( 1M ) auf. Er nimmt also mit größer werdendem
Widerstand stark zu.
P
0
T
40

102
spa
Tmax
104
106
R
3/7
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Frequenzabhängigkeit
Ab 100MHz werden die parasitären Bauteilkomponenten des Widerstandes wirksam.
Ersatzschaltung
R<100 :
C vernachlässigbar
R>1k:
L vernachlässigbar
f>10MHz : Skinneffekte
Rauschen
Das thermische Rauschen entsteht aufgrund der ungeordneten thermischen Bewegung der Elektronen. Die
Rauschspannung ist proportional der T und R. Das thermische Rauschen ist ein weißes Rauschen und wird
durch die parasitären Bauteilkomponenten farbig. Das Stromrauschen entsteht aufgrund der Behinderung des
Elektronenflusses. Dieses Rauschen nimmt mit 1/ f ab. Die Rauschspannung liegt bei 1V/V ( Kohleschicht )
bzw 0.1V/V ( Metallschicht ) und steigt mit zunehmendem Widerstandswert.
Alterung
Die Alterung wird für 1000h, 5000h oder 10000h Belastung angegeben. Die Alterung ist bei hoher Belastung
und bei Widerständen mit hohen Widerstandswerten hoch. Auch die Umgebungstemperatur und Feuchte sind
maßgeblich. Metallschichtwiderstände altern wesentlich weniger als Kohleschichtwiderstände. Weil die
Alterung in den ersten 1000 Betriebsstunden am stärksten ist, kann eine Voralterung im ( unter Belastung im
Klimaschrank ) die kritische Phase der ersten 1000h abfangen. Die Alterung von elektronischen Bauteilen und
Schaltungen folgt oft der ‚Badewannenkurve’ :
R/R
1000h
t
4. Nichtlineare Widerstände
Bei nichtlinearen Kennlinien ist der Widerstand R=U/I nicht konstant. In jedem Punkt der Kennlinie kann aber
eine Tangente angelegt werden und durch Differentiation erhält man den differentiellen Widerstand :
r
U
I
I
... differentieller Widerstand
So kann wenn günstig in einem Arbeitspunkt AP
mit r als dem Widerstand gerechnet werden.
AP
∆I r= U/I
R=U/I
∆U
spa
U
4/7
Widerstände
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4.1 Fotowiderstand (LDR)
Ein Fotowiderstand ist ein Halbleiterwiderstand, der lichtabhängig ist. Er wird auch LDR (Light Dependent
Resistor) genannt. Sein Widerstandswert sinkt bei Lichteinfall. Durch das Licht(Photonen) werden im
Bauelement freien Ladungsträger erzeugt.
Aufbau
Bei einem LDR sind zwei Kupferkämme auf einer isolierten Unterlage angebracht. Dazwischen liegt eine dünne
Cadmiumsulfidschicht (CdS) in Form eines gewundenen Bandes.
Cadmiumsulfid ist ein Halbleitermaterial, bei dem die elektrische Leitfähigkeit von der einfallenden Lichtmenge
abhängt. Je mehr Licht auf das CdS fällt, desto größer ist die Paarbildung (Rekombination zwischen Löchern
und Elektronen), desto größer ist auch der elektrische Strom.
Weitere Halbleitermaterialien für Fotowiderstände sind z. B. CdSe, PbS, PbSe, CdTe, ZnO, Se, InSb, InAs,
Germanium(Ge) oder Silizium(Si). Diese Materialien weisen unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten auf.
Anwendung
Der Fotowiderstand befindet sich in Gleich- und Wechselstromkreisen im Einsatz.
Er wird als Beleuchtungsstärkemesser und Dämmerungsschalter verwendet.
Eigenschaften
Die Widerstandsänderung erstreckt sich über 6 Dekaden. LDR vertragen eine große Verlustleistung. Sie sind nur
für sehr langsame Lichtänderungen geeignet ( 50%-Einschaltzeit im 0.1s-Bereich )
Rlog
Formel :
R = kE-0.5
E.. Beleuchtungsstärke in lux
10
1
1
102
104
Elog
4.2 Heißleiter ( NTC)
Heißleiter sich Halbleiterwiderstände, die temperaturabhängig sind.
Sie leiten bei höheren Temperaturen besser als bei niedriger Temperatur. Sie haben einen stark negativen
Temperaturkoeffizienten TK. Deshalb werden sie auch NTC-Widerstände genannt. Die nichtlineare Kennlinie
kann durch Parallel- und Serienwiderstände linearisiert werden.
Als selbstbeheizte Bauelemente werden sie zur Anzugsverzögerung von Relais,.. eingesetzt. Als Sensoren
werden sie fremdbeheizt und nur mit einem kleinen Sensorstrom beaufschlagt.
NTC-Kennlinie
Anwendungen:







Linearisierung
R
R
Temperaturmessung
Arbeitspunkteinstellung
Anzugsverzögerung(in Reihe zum Relais)
Abfallverzögerung(parallel zum Relais)
Stromgesteuerter Widerstand
Pegelregelung
Strömungsgeschwindigkeitsmessung
T/K
Formel : R (T )  Ro e
1 1
B(  )
T To
300
350
T/K
400
Ro bei Raumtemperatur To=300K
spa
5/7
Widerstände
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4.3 Kaltleiter (PTC )
Kaltleiter sind Halbleiterwiderstände, die temperaturabhängig sind.
Bei dieser Art von Halbleiter erhält man durch die Gitteranordnung der Atome je ein freies Valenzelektron pro
Atom. Diese Elektronen sind leicht beweglich. An einer Stromquelle angeschlossen, bewegen sich die freien
Valenzelektronen zum Pluspol und bewirken die elektrische Leitfähigkeit.
Kaltleiter weisen im kalten Zustand einen kleinen Widerstand, also eine gute elektrische Leitfähigkeit auf –
daher auch ihr Name. Beim Erhitzen nimmt die Leitfähigkeit ab, der Widerstand wird größer(vgl.
Meßergebnisse). Die Widerstandsänderung ist wesentlich größer als bei NTCs. Weit unterhalb der
Curietemperatur weisen PTCs oft ein NTC – Verhalten auf.
Nahezu alle Metalle sind Kaltleiter, da sie bei niedrigeren Temperaturen besser leiten. Kaltleiter haben einen
sehr großen positiven Temperaturkoeffizienten und werden deshalb auch PTC-Widerstände genannt.
Anwendungen:



R
Flüssigkeitsniveaufühler
Temperaturregelung/Schalter für eine Heizung
Schutzreinrichtung gegen Ü-Temp. von Motoren,..
Formel : R (T )  Ro e
k (T T0 )
T/K
Tc
4.4 Varistor
Varistoren sind spannungsabhängige Widerstände mit symetrischer Strom/Spannungs-Kennlinie.
Von einer bestimmten Spannung an wird der Varistor niederohmig und verhindert dadurch einen weiteren
Spannungsanstieg.
Ein Varistor schneidet demnach Spannungen beider Polaritäten vom bestimmten Grenzwert an ganz scharf ab.
Er besteht aus SiC oder ZnO.
Anwendungen:
 Spannungsstabilisierung
 Absorption der Schaltenergie von Spulen
 Überspannungsschutz von Halbleiterschaltungen
 Zenerdiodenersatz
Formel :
U=k*I
I
R
U
U
k=100-1000; 0.2
4.5 Feldplatte, Hallgenerator
Die Feldplatte ist ein magnetisch steuerbarer Halbleiterwiderstand.
Sie bestehen aus dünnen Plättchen aus dem Halbleitermaterial Indium-Antimonid mit kammartig ineinander
greifenden Elektroden oder leitenden Nadeln.
Die Feldplatte ändert ihren Widerstandwert unter
Einwirkung eines Magnetfelds. Das äußere Feld
verdrängt die Strombahnen, dadurch erhöht sich der
Widerstand. Der Widerstandswert nimmt bei
steigender magnetischer Flußdichte B zu.
spa
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Beim Hallgenerator
entsteht durch die Verdrängung der Strombahnen
aufgrund eines äußeren Magnetfeldes an
Hilfselektroden eine Spannung die Hallspannung.
Verwendung : Magnetfeldmessung, Strommessung
Gleichstrommessung, galv. Trennung
Gyrator, Zirkulator
spa
Ub
UH
7/7