Widerstände sind in der Elektrotechnik nicht wegzudenken, ein
Grundbaustein. Der elektrische Widerstand ist eine Eigenschaft aller
chemischen Elemente und Verbindungen, sie alle haben einen elektrischen
Widerstand einer bestimmten Größenordnung. Wenn irgendwo eine
Spannungsdifferenz vorhanden ist, möchte diese sich ausgleichen, das
geschieht in dem ein elektrischer Strom fließt. Der Potentialunterschied
an elektrischer Ladung kann sich ausgleichen, dieser Ausgleichsvorgang
geschieht in Form eines elektrischen Stroms. Ein elektrischer Widerstand
ist die physikalische Eigenschaft der Materialien diesen Strom zu
bedämpfen. Ohne elektrischen Widerstand würde ein riesiger elektrischer
Strom fließen, da immer ein Widerstand in irgendeiner Form vorhanden ist,
wird der elektrische Strom bedämpft. Je höher der elektrische
Widerstand ist, desto geringer Ladungsträger Fluß.
Ein einfaches vergleichendes Beispiel ist ein Gartenschlauch. Die Menge
des durchfließenden Wassers ist vergleichbar mit dem elektrischen Strom.
Der anliegende Wasserdruck am Schlauch ist vergleichbar mit der
elektrischen Spannung. Je höher der Druck, desto höher die mögliche
Wassermenge durch den Schlauch. Der Druck am Wasserschlauch kann ständig
anliegen, ohne daß auch Wasser durch den Schlauch fließt - Warum? Weil der
Sprüher am Schlauchende noch geschlossen ist, der ist ein hoher Widerstand
für das Wasser, daß sonst angetrieben durch den Druck sofort fließen
würde. Genauso kann ein hoher elektrischer Widerstand den Stromfluß in
einem Stromkreis unterbinden. Es existieren auch Werte dazwischen, z.B.
der Sprüher ist geöffnet und das Wasser fließt, knickt man den Schlauch an
einer Stelle leicht ein, fließt sofort weniger Wasser heraus. Die
eingeknickte Stelle ist ein Widerstand, der nur nicht so hoch ist wie der
geschlossene Spühkopf. Auch in der Elektrotechnik kann ein Widerstand
niedrig, hoch oder beliebige Werte dazwischen einnehmen.
Vom Verständnis ist es einfacher sich den Widerstand
über den Druck zu erklären:
Wassermenge = Wasserdruck
/ Widerstand je höher der Druck,
desto mehr Wasser, aber je höher der Widerstand, desto weniger Wasser
Strom = elektrische
Spannung / Widerstand je höher die
Spannung, desto mehr Strom, aber je höher der Widerstand, desto weniger
Strom
das mathematische Umstellen dazu ist nun einfach:
Widerstand = elektrische Spannung / Strom
als Gleichung: R=U/I hier stehen R für
Widerstand, U für Spannung in Volt und I für Strom in Ampere.
Diese Gleichung R=U/I nennt sich das ohmsche Gesetz, eine der wichtigsten
Regeln in der angewandten Elektrotechnik, mit ihr lassen sich Widerstände,
Ströme und Spannungen berechnen. Die Einheit des Widerstands wird in
Ohm angegeben und so ist nach der Gleichung 1
Ohm = 1 Volt/1Ampere.
Was sind nun Widerstände?
Alle Festkörper, Gase und Flüssigkeiten haben einen elektrischen
Widerstand. Einteilen lassen sich alle Materialien in zwei grobe
Kategorien: in elektrisch nichtleitend und elektrisch leitend. Natürlich
ist das genau genommen falsch nur zwei Kategorien zu erstellen, es
existieren noch Sonderzustände. Im allgemeinen sind z.B. Metalle
elektrisch leitend und z.B. Kunstoffen im allgemeinen elektrisch nicht
leitend. Die meisten Materialien sind entweder leitend oder nichtleitend,
Zwischenzustände sind weniger häufig. Das alles ist sowieso nur eine
Definitionsfrage wo das leiten anfängt und aufhört, sonst nichts.
Ein paar Beispiele für elektrisch leitende
Materialien:
Kupfer, Silber, Gold, Aluminium, Eisen, Platin, Bronze, Messing, Zinn,
Blei, Zink, Nickel, Graphit, Sälzsäure, Schwefelsäure, Salzlösungen mit
Wasser.
elektrisch nicht leitende Materialien:
PVC, Haushaltskunstoffe, trockenes Holz, chemisch reinstes Wasser, Teflon,
Epoxidharz, Kevlar, Papier, Steine, Glas, Lack, Glimmer, Öle.
Vorsicht verallgemeinern läßt sich nichts, es gibt immer
Sondermaterialien.
Widerstände
Industrielle Widerstände werden in den verschiedensten Größenordnungen
hergestellt, gebräuchlich von z.B. Milli Ohm bis Giga Ohm Werten. In
Zahlen ausgedrückt von 0,001 Ohm bin hin zu 1.000.000.000 Ohm. Die Milli
Ohm Widerstände nähern sich dem idealen Leiter an, die Giga Ohm Werte
nähern sich dem idealen Nichtleiter.
In der angewandten Elektrotechnik sind aber nicht nur die leitenden
Widerstände (z.B Drähte, Leitungen) und nichtleitenden Widerstände
(Isolatoren) von Interesse, sondern auch die vielen ganzen Zwischenwerte.
Es existieren nahezu alle benötigten Zwischenwerte. Sie haben die Aufgabe
z.B. Ströme innerhalb einer Schaltung auf definierte Werte zu begrenzen,
die der Anwendung dienlich sind. Ist ja irgendwo auch logisch, nur mit
Leiter arbeiten bedeuted praktisch Kurzschluß und alles passiert "auf
einmal" - nur mit Nichtleitern zu arbeiten bedeuted praktisch es passiert
"Nichts". Daher ist man auch an den Zwischenzuständen interessiert.
Ein paar Beispiele:
 |
 |
 |
Ein Elektroherd ist ein
schaltbarer Widerstand, der elektrischen Strom kontrolliert fließen
läßt. Die Höhe des Stromfluß stellt sich nach der Ohmschen Regel
ein. Der fließende Strom verursacht Wärme, die zum Kochen genutzt
wird. Je nach Schalterstellung ist der Stromfluß in den Platten
größer oder kleiner. Grobe Größenordnung ca. 200 Ohm bis 40 Ohm |
Der
Kronleuchter ist ein elektrischer Widerstand, der in seinen
Glühlampen den Strom in Wärme umwandelt, bei dieser Form des
Widerstands ensteht auch Licht, allerdings wird nur ein geringer
Prozentsatz der zugeführten Leistung auch als Licht abgestrahlt, das
meiste geht als Wärme in die Umgebung. Größenordnung hier ca. 220
Ohm |
Selbst ein Radio ist im
Prinzip ein elektrischer Widerstand, der elektromagnetische Wellen
in einem bekanntem Frequenzbereich erkennt, diese weiterverarbeitet
und das Signal als elektrischen Spannungsverlauf für die
Lautsprecher bereitstellt. Auch dabei enstehen unerwünschte
Wärmeverluste. Größenordnung hier ca. 400 bis 2000 Ohm |
 |
 |
 |
Eine Auswahl bedrahteter
Standard Widerstände. Von oben nach unten: ein Metalloxid,
Metallschicht, Metalloxid, Kohleschicht, Metalloxid, unbekant.
Zugegeben die rein äußerliche Unterscheidung ist nicht ganz so
einfach. Der Große kann mit ca. 2-3 Watt maximal belastet werden. |
Verschiedene Lastwiderstände für höhere Stromstärken. Es sind
aufgewickelte Metalldrähte aus Legierungen, die einen höheren
Widerstand als reine Metalle haben. Wenn sie nicht besonders
gewickelt sind, sind diese Widerstände oft recht induktiv. Sehr
belastbare Teile. |
Lastwiderstände mit
geringerer Serieninduktivität als gewöhnlich gewickelte
Drahtwiderstände. Sie sind dadurch geeigneter auch für etwas höhere
Frequenzen. Oben und links haben "Sense" Vierleiteranschlüsse. Diese
etwas teureren Widerstände haben gute Temperatureigenschaften. |
 |
 |
 |
Aus das ist ein
Widerstand, ein alter elektrischer Heizofen, ich schätze mal locker
über 50 Jahre alt. Heizt unheimlich schnell auf und gut. Mal von der
unendlichen Diskussion abgesehen Strom zum Heizen zu benutzen: der
Wirkungsgrad ist trotz des Alters genauso gut wie bei einem modernen
Elektroheizstrahler, überleg mal selber warum. Der Topf daneben ist
Tannenhonig, der sich damit gut heizen und verflüssigen läßt. |
Schon
wieder ein Widerstand, obwohl es eigentlich ein Akku ist? Ja, im
Prinzip ist es ein
Innenwiderstand in Serienschaltung mit einer idealen
Spannungsquelle. Es ist immer eine Frage der Betrachtungsweise worin
man überall einen Widerstand sieht, in der Denkweise "um die Ecke"
denken zu können ist auch eine Kunst in der Elektrotechnik. |
Orangen und Äpfel sind
auch Widerstände. Rechts und links einen blanken Draht
hineingestecken, mit der eingesteckten Fläche und dem Abstand läßt
sich grob der Wert einstellen. Bestimmt sind sie sicherlich für
einen recht kurzen Zeitraum ordentliche Widerstände innerhalb einer
Elektronikschaltung. Ich muß das mal ausprobieren, ich denke sie
sind auch für mehr als DC tauglich und dazu noch rauscharm.
Linearität? - keine Ahnung. Alterungsstabilität? - schlecht weiß
jeder, trocknen aus oder können weggegessen werden. |
Für den
fortgeschrittenen Leser: was soll beispielsweise der Akku
verdeutlichen? Der Sprung vom Akku zu einem Verstärker ist gar nicht
mal so weit, ein Akku oder eine Batterie ist eine nichteinstellbare
Gleichspannungsquelle mit sich veränderndem Innenwiderstand (wird
leer, läßt den Innenwiderstand ansteigen). Ein Audio Verstärker ist
eine einstellbare Wechselspannungsquelle in Serienschaltung mit
einem von vielen Parametern abhängigem Innenwiderstand. Sein
Innenwiderstand läßt sich zeigen, z.B. mit einer Änderung des
Belastungswiderstandes (Impedanz der Lautsprecher), mit der
eingestellten Amplitude (Läutstarke) und mit der Signalfrequenz
(welcher Ton des Musiksignals gerade anliegt). Es sind im
wesentlichen diese drei Parameter, die den Innenwiderstand des
Verstärkers gut aufzeigen können.. Genau genommen ist es besser zu
sagen, der Innenwiderstand hängt ab von internen Bauteileparametern
und der Schaltungstechnik, die drei (Lastimpedanz, Amplitude und
Frequenz) sind lediglich Mittel um die Konstantheit und Quantität
des dynamischen Innenwiderstands zu beurteilen und auch zu messen.
Ein dynamischer Dämpfungsfaktor läßt sich mit Kenntnis des
dynamischen Innenwiderstandes leicht berechnen. Es wäre daher
korrekt zu sagen: ein Audio Verstärker ist eine regelbare
Wechselspannungsspannungsquelle in Serienschaltung mit einem
dynamischen nichtlinearen Innenwiderstand. Das ist zwar etwas
kompliziert ausgedrückt aber vollkommen korrekt. |
 |
 |
 |
Verstellbare Widerstände
werden auch Potentiometer genannt. Die kleineren sind Trimmer oder
Trimmpotentiometer. Es gibt sie in unterschiedlichen Bauformen,
Belastbarkeit, Werten und Qualität. Im Prinzip sind die meisten
Knöpfe an Elektrogeräten an denen man stufenlos drehen kann
Potentiometer. |
Melf und
SMD-Chip Widerstände. (SMD = Surface Mount Devices, Oberflächen
montierte Bauteile). Die kleinste Bauform oben rechts sind die
Chipwiderstände und haben die Gehäusekurzbezeichnungen (v.r.n.l)
0402, 0603, 0805, 1206, untere Reihe die Melfwiderstände: Micromelf,
Minimelf und Melf. Viel Spaß beim Löten von 0402. |
Zwei Vertreter von
Spezialwiderständen, LDR ligth dependent resistors. In deutsch
lichtabhängige Widerstände oder oft auch Fotowiderstände genannt.
Mit zunehmender Lichtstärke sinkt deren Widerstandswert ab, sie sind
z.B. in Belichtungsmesser von manchen Kameras zu finden. Es
existieren noch ettliche hier nicht gezeigte andere
Spezialwiderstände, Abhängigkeit von Temperatur, Druck, Magnetfeld
usw. |
Widerstände sind Grundbausteine der Elektrotechnik genauso wie ein Stück
Draht, ist ja auch ein Widerstand. Erinnern sollte man sich aber immer
daran, daß die gesamte Umgebung einer Elektronik als Widerstand zu
betrachten ist, mal mehr, mal von geringerer elektrischer Bedeutung. Nimmt
man jetzt noch die Frequenz in die Betrachtung mit dazu, mutiert der
Widerstand in der Sprache der Elektrotechnik zu einer Impedanz. Impedanz
bedeuted hier, daß im eingeschwungenen Zustand bei sinusförmiger Anregung,
die Spannung am Widerstand und der Strom im Widerstand nicht mehr
phasengleich sind wie bei Gleichspannung (DC). In anderen Worten: die
kapazitiven oder induktiven Anteile eines Widerstandes treten in
Erscheinung.
Ein Beispiel:
-
zu sagen ein Widerstand habe 4 Ohm
bei DC ist korrekt, man meint damit den Gleichspannungswiderstand und
macht damit keine Aussage über die Frequenzeigenschaften.
-
zu sagen ein Widerstand habe einen
Realteil von z.B. 1 Ohm bei 10345 Hertz ist korrekt.
-
zu sagen ein Widerstand habe einen
kapazitiven Imaginärteil von z.B. 1 Ohm bei 10345 Hertz ist auch korrekt.
-
zu sagen die Impedanz sei 1.414 Ohm
ist schon etwas mutiger, dazu fehlt eindeutig die Angabe der Frequenz. Die
Impedanz ist der Betrag von Real und Imaginärteil bei mathematisch
komplexer Betrachtung. Richtig wäre es zu sagen die Impedanz beträgt 1.414
Ohm bei 10345 Hertz, sie sagt aber nichts ob der kapazitive, induktive
oder reale Anteil dominiert.
-
die parasitären kapazitiven und
induktiven Effekte, die jeder Widerstand hat sind insbesondere für
höherfrequente Signale von Bedeutung.
Mit
Widerständen kann man sich sehr lange beschäftigen ohne ein Ende zu
finden. Es sind in der Elektrotechnik oft zu unrecht minderbeachtete
Bauelemente, das haben sie nicht verdient und sollten in der Auswahl
genauso beachtet werden wie beispielsweise Halbleiter, IC's und
Transistoren, die Schaltung dankt's.
|