Widerstand

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:

Elektroherd ist ein Widerstand Der Kronleuchter macht Licht Marantz 2215B Stereophonic Receiver

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

bedrahtete Metallschicht Widerstände

verschiedene Lastwiderstände

Präzisions Leistungswiderstände

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.

alter elektrischer Heizofen

Nickel Metall Hybrid Akku

Orangen und Äpfel

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

SMD Chip und Melf Widerstände

zwei lichtabhängige Widerstände

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.

 

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