Linearer Widerstand erklärt: Ein Leitfaden für Anfänger

Vielleicht haben Sie sich zu Beginn Ihrer Elektronik-Lernerfahrung auch gefragt: Was ist ein Widerstand? Vereinfacht ausgedrückt ist ein Widerstand ein elektronisches Bauteil, das den Stromfluss in einem Stromkreis behindert oder einschränkt. Widerstände gibt es überall. Sie Sie finden sich in Haushaltsgeräten, Smartphones, Industriemaschinen, Automobilelektronik und sogar in medizinischen Geräten. Sie sind die Kernkomponenten für grundlegende Aufgaben wie Spannungsregelung, Stromregelung oder Signalaufbereitung. Solange ein Gerät diese Funktion erfüllt, existiert es.

Es gibt viele Arten von Widerständen, und jeder Typ hat seine spezifische Anwendung. In Schaltplänen werden verschiedene Widerstände auch durch ihre entsprechenden Widerstandssymbole dargestellt. Im Allgemeinen lassen sich Widerstände in zwei Hauptkategorien einteilen: lineare Widerstände und nichtlineare Widerstände. Dieser Artikel konzentriert sich auf lineare Widerstände, einschließlich ihrer Definition, Hauptmerkmale, gängigen Typen und der Unterschiede zu nichtlinearen Widerständen. Lernen wir sie kennen.

Was ist ein linearer Widerstand?

Wie bereits erwähnt, sind lineare Widerstände einer der beiden Haupttypen von Widerständen. Innerhalb des normalen Betriebsbereichs eines linearen Widerstands folgen Strom und Spannung streng dem Ohmschen Gesetz V=I×R (wobei R eine Konstante ist). Er wird als „linearer“ Widerstand bezeichnet, da sein Widerstandswert R bei Spannungs- und Stromänderungen konstant bleibt. Seine Kennlinie ist eine Gerade, die durch den Ursprung verläuft, mit einer Steigung von 1/R, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

In praktischen Anwendungen bedeutet „linear“, dass der momentane (dynamische) Widerstand dV/dI des Geräts innerhalb des erwarteten Betriebsbereichs mit seinem Nennwiderstand übereinstimmt.

Intuitive Zahlenbeispiele (zwei gängige Widerstandswerte):

Eigenschaften linearer Widerstände

Die bemerkenswerten Eigenschaften linearer Widerstände machen sie in elektronischen Schaltungen äußerst zuverlässig. Im Folgenden sind einige wichtige Eigenschaften aufgeführt, die beim Entwurf häufig überprüft werden müssen:

1. Folgen Sie der Ohm-Kennlinie (lineares Vi-Verhalten)

Bedeutung: Die Spannung ist direkt proportional zum Strom. Die Kennlinie ist eine Gerade.

Auswirkungen: Vorhersagbares Spannungsteilungsverhältnis, Vorspannungsnetzwerk, Rückkopplungsdesign für Operationsverstärker.

2. Konstanter Widerstandswert

Bedeutung: Innerhalb des Arbeitsbereichs ist der Widerstand unabhängig von Spannung und Stromstärke.

Auswirkungen: Der Arbeitspunkt ist stabil und die Messung ist wiederholbar.

3. Widerstandswertgenauigkeit (Toleranz, ±0.1%, ±1%, ±5% usw.)

Bedeutung: Die zulässige Abweichung zwischen Sollwert und Istwert.

Auswirkungen: Die Genauigkeit der Spannungsteilung und der Verstärkerverstärkung. Für hochpräzise Schaltungen, Widerstände von ≤1% werden gewählt. Für normale Schaltungen sind 5% ausreichend.

4. Temperaturkoeffizient (TCR, ppm/°C)

Bedeutung: Der Grad, in dem der Widerstand mit der Temperatur schwankt. Metallschichtwiderstände sind typischerweise ±50 ppm/°C, Kohleschichtwiderstände ±200-500 ppm/°C, und Folienwiderstände können so niedrig sein wie ±5 ppm/°C.

Formel: ΔR = R₀ × TCR × ΔT

Auswirkungen: Präzisionsschaltungen erfordern Niedertemperatur-Driftwiderstände.

5. Nennleistung (Watt, W)

Bedeutung: Die maximale Leistung, die ein Widerstand dauerhaft aufnehmen kann.

Einblick in das:  P=I²R = V²/R

Auswirkung: Überlastung kann zur Erwärmung oder sogar Beschädigung des Widerstands führen. Im Allgemeinen wird ein Spielraum von zwei Mal gewählt.

6. Nennspannung

Bedeutung: Die maximale Dauerspannung, die ein Widerstand aushalten kann.

Auswirkungen: Bei Hochfrequenz- oder Hochwiderstandsanwendungen ist die Nennspannung oft wichtiger als die Nennleistung.

7. Spannungskoeffizient

Bedeutung: Das Ausmaß, in dem der Widerstand mit der Spannung variiert.

Auswirkungen: Für hochpräzise Spannungsteilerschaltungen müssen Metallfilm-/Folienwiderstände mit extrem niedrigem VCR ausgewählt werden.

8. Ausfallarten und Zuverlässigkeit

Bedeutung: Übermäßige Leistung, Feuchtigkeit, Sulfatierung usw. können zum Ausfall von Widerständen führen.

Auswirkungen: In industriellen Umgebungen sollten Widerstände ausgewählt werden, die sulfidationsbeständig sind, einen Metalloxidfilm aufweisen oder gut verpackt sind.

Arten von linearen Widerständen

Lineare Widerstände lassen sich grob in zwei Hauptkategorien unterteilen: Festwiderstände und variable Widerstände. Beide Widerstandsarten folgen strikt dem Ohmschen Gesetz, d. h. ihre Widerstandswerte bleiben bei jeder Einstellung konstant. Ein Festwiderstand hat einen permanenten Widerstandswert. Variable Widerstände ermöglichen eine manuelle oder elektronische Einstellung des Widerstandswerts. Sehen wir uns nun genauer an, in welche Kategorien sich diese beiden Widerstandsarten unterteilen!

Feste lineare Widerstände

Variable lineare Widerstände

Vergleich zwischen linearen und nichtlinearen Widerständen

Zuvor haben wir bereits eine ausführliche Einführung in die relevanten Inhalte zum linearen Widerstand gegeben. Vereinfacht ausgedrückt folgen lineare Widerstände dem Ohmschen Gesetz, das besagt, dass die Spannung direkt proportional zur Stromstärke ist. Im Folgenden erklären wir die Unterschiede zwischen nichtlinearen und linearen Widerständen.

Zunächst einmal: Was ist ein nichtlinearer Widerstand? Im Gegensatz zu linearen Widerständen folgen nichtlineare Widerstände nicht strikt dem Ohmschen Gesetz. Ihre Widerstandswerte variieren je nach Spannung, Stromstärke oder Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Licht. Ihre VI-Kurven sind keine geraden Linien, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Typische nichtlineare Widerstände sind Thermistoren, Fotowiderstände (LDR), Varistoren, Dioden usw. Die Funktion dieser Komponenten besteht nicht nur darin, den Strom zu begrenzen, sondern sie bieten auch spezifische dynamische Reaktionen.

Zusammenfassend lässt sich der Unterschied zwischen linearen und nichtlinearen Widerständen in den folgenden Aspekten widerspiegeln:

1. Kennlinie

Linearer Widerstand: Spannung und Strom stehen in einer linearen Beziehung und die VI-Kurve ist eine gerade Linie.

Nichtlinearer Widerstand: Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ist nichtlinear und die VI-Kurve ist eine Kurve oder eine stückweise gerade Linie.

2. Widerstandswertstabilität

Lineare Widerstände: Der Widerstandswert bleibt konstant und ändert sich bei äußeren Bedingungen nicht wesentlich.

Nichtlineare Widerstände: Der Widerstandswert variiert je nach Spannung, Stromstärke oder Umgebung.

3. Anwendungsszenarien

Lineare Widerstände: Geeignet für den Einsatz in Schaltkreisen, die stabile Widerstandswerte erfordern, wie z. B. Strombegrenzung, Spannungsverteilung und Signalregelung.

Nichtlineare Widerstände: Wird häufig in Szenarien wie Überspannungsschutz, Temperaturerkennung und Lichtsensorik verwendet.

4. Widerstandssymbol

Beide werden in Schaltplänen durch das Widerstandssymbol dargestellt, aber nichtlineare Komponenten wie Dioden und Thermistoren haben normalerweise spezielle Symbole, um sie zu unterscheiden.

Bei der Auswahl verschiedener Widerstandstypen in praktischen Anwendungen müssen wir anhand der vom Schaltkreis geforderten Widerstandsfunktion bestimmen, welcher Widerstand verwendet werden soll. Wenn eine stabile und vorhersehbare Leistung erforderlich ist, sollte ein linearer Widerstand gewählt werden. Ein nichtlinearer Widerstand sollte verwendet werden, wenn auf Änderungen von Temperatur, Licht und Spannung reagiert werden muss. Hier ist eine zusammenfassende Vergleichstabelle.

Anwendungen von linearen Widerständen

Als grundlegendstes passives Bauelement im Elektronikdesign ist die Anwendung linearer Widerstände natürlich sehr umfangreich. Nachfolgend listen wir einige typische Anwendungsbeispiele auf:

1. Spannungsteilung in einem Stromkreis

Die häufigste Funktion eines linearen Widerstands ist die Spannungsteilung. Warum werden lineare Widerstände verwendet? Da ihr Widerstandswert konstant bleibt, lässt sich das Ausgangsverhältnis vorhersagen. Durch Reihenschaltung eines Paars oder einer Gruppe linearer Widerstände lässt sich die Eingangsspannung in kleinere und besser steuerbare Spannungen aufteilen.

Beispielsweise werden in analogen Schaltungen häufig lineare Widerstandsteiler verwendet, um das Sensorsignal zu reduzieren und es dann an den ADC (Analog-Digital-Wandler) zu senden.

2. Strombegrenzung in LED-Anwendungen

Beim Ansteuern einer LED kann ein zu hoher Strom die Diode leicht beschädigen. In diesem Fall kann ein in Reihe geschalteter linearer Widerstand als Strombegrenzer fungieren.

Beispielsweise ist der Schaltkreis einer LED-Anzeige immer in Reihe mit einem linearen Widerstand geschaltet. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt,

3. Lastausgleich in Stromversorgungen

In Stromversorgungsschaltungen werden häufig lineare Widerstände verwendet, um die Last zwischen mehreren Zweigen auszugleichen.

4. Signalaufbereitung in einem Verstärker

In Audio- und Kommunikationssystemen spielen lineare Widerstände eine Schlüsselrolle bei der Signalformung.

Fazit

Widerstände sind die Grundlage der Elektronik. Sie scheinen einfach, aber vom Widerstandssymbol auf dem Schaltplan bis zur tatsächlichen Wahl zwischen einem linearen Widerstand und einem nichtlinearen Widerstand jeder Designentscheidung im Kreislauf sind alle entscheidend.

Ein klares Verständnis der verschiedenen Widerstandstypen ist für uns von Vorteil, um stabile und anpassungsfähige Systeme zu entwickeln. Kurz gesagt: Die Beherrschung der Anwendung von Widerständen, ob linear oder nichtlinear, ist der Schlüssel zur Entwicklung zuverlässiger und effizienter elektronischer Produkte.

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