Widerstände
Da die Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand in jedem Stromkreis so regelmäßig ist, können wir jede Variable in einem Stromkreis zuverlässig steuern, indem wir einfach die anderen beiden kontrollieren. Die vielleicht am einfachsten zu steuernde Variable in einer Schaltung ist der Widerstand. Dies kann durch Ändern des Materials, der Größe und der Form seiner leitfähigen Komponenten erfolgen (erinnern Sie sich daran, wie der dünne Metallfaden einer Lampe einen höheren elektrischen Widerstand erzeugt als ein dicker Draht?).
Was ist ein Widerstand?
Spezielle Komponenten, die als Widerstände bezeichnet werden, werden ausdrücklich zu dem Zweck hergestellt, eine genaue Widerstandsgröße zum Einfügen in einen Stromkreis zu erzeugen. Sie bestehen normalerweise aus Metalldraht oder Kohlenstoff und sind so konstruiert, dass sie über einen weiten Bereich von Umgebungsbedingungen einen stabilen Widerstandswert beibehalten.
Im Gegensatz zu Lampen erzeugen sie kein Licht, aber sie erzeugen Wärme, da die elektrische Leistung von ihnen in einem Arbeitskreis abgegeben wird. Normalerweise besteht der Zweck eines Widerstands jedoch nicht darin, nutzbare Wärme zu erzeugen, sondern einfach einen genauen elektrischen Widerstand bereitzustellen.
Widerstandsschematische Symbole und Werte
Das gebräuchlichste Schaltplansymbol für einen Widerstand ist eine Zick-Zack-Linie:
Widerstandswerte in Ohm werden normalerweise als benachbarte Zahl angezeigt, und wenn mehrere Widerstände in einem Stromkreis vorhanden sind, werden sie mit einer eindeutigen Kennungsnummer wie R1 . gekennzeichnet , R2 , R3 , usw. Wie Sie sehen können, können Widerstandssymbole entweder horizontal oder vertikal angezeigt werden:
Echte Widerstände sehen nicht wie das Zick-Zack-Symbol aus. Stattdessen sehen sie aus wie kleine Röhren oder Zylinder, aus denen zwei Drähte zum Anschluss an einen Stromkreis herausragen. Hier ist eine Auswahl verschiedener Arten und Größen von Widerständen:
Ein alternatives schematisches Symbol für einen Widerstand sieht eher ihrem physischen Erscheinungsbild entsprechend aus wie ein kleines rechteckiges Kästchen:
Es kann auch gezeigt werden, dass Widerstände unterschiedliche statt feste Widerstände aufweisen. Dies kann zum Zweck der Beschreibung eines tatsächlichen physischen Geräts sein, das einen einstellbaren Widerstand bereitstellt, oder es könnte eine Komponente zeigen, die zufällig einen instabilen Widerstand hat:
Jedes Mal, wenn Sie ein Komponentensymbol mit einem diagonalen Pfeil sehen, hat diese Komponente eine Variable und keinen festen Wert. Dieser Symbol-Modifikator (der diagonale Pfeil) ist die übliche elektronische Symbolkonvention.
Variable Widerstände
Variable Widerstände müssen über einige physikalische Einstellmittel verfügen, entweder eine rotierende Welle oder einen Hebel, der bewegt werden kann, um den Betrag des elektrischen Widerstands zu variieren. Hier ist ein Foto, das einige Geräte zeigt, die als Potentiometer bezeichnet werden und als variable Widerstände verwendet werden können:
Nennleistung der Widerstände
Da Widerstände Wärmeenergie abgeben, wenn die durch sie fließenden elektrischen Ströme die „Reibung“ ihres Widerstands überwinden, werden Widerstände auch danach bewertet, wie viel Wärmeenergie sie ohne Überhitzung und Beschädigung ableiten können. Diese Leistung wird natürlich in der physikalischen Einheit „Watt“ angegeben. Die meisten Widerstände in kleinen elektronischen Geräten wie tragbaren Radios haben eine Nennleistung von 1/4 (0,25) Watt oder weniger.
Die Nennleistung jedes Widerstands ist ungefähr proportional zu seiner physikalischen Größe. Beachten Sie im ersten Widerstandsfoto, wie sich die Nennleistungen auf die Größe beziehen:Je größer der Widerstand, desto höher seine Verlustleistung. Beachten Sie auch, dass Widerstände (in Ohm) nichts mit der Größe zu tun haben! Obwohl es jetzt sinnlos erscheinen mag, ein Gerät zu haben, das nichts anderes tut, als elektrischem Strom zu widerstehen, sind Widerstände in Schaltkreisen äußerst nützliche Geräte.
Da sie einfach sind und in der Welt der Elektrizität und Elektronik so häufig verwendet werden, werden wir viel Zeit damit verbringen, Schaltungen zu analysieren, die nur aus Widerständen und Batterien bestehen.
Wie sind Widerstände nützlich?
Für eine praktische Veranschaulichung der Nützlichkeit von Widerständen sehen Sie sich das Foto unten an. Es ist das Bild einer gedruckten Leiterplatte oder PCB:eine Anordnung aus Sandwichschichten aus isolierender Phenolfaserplatte und leitfähigen Kupferstreifen, in die Komponenten eingesetzt und durch einen Niedertemperatur-Schweißprozess namens „Löten“ befestigt werden können.
Die verschiedenen Komponenten auf dieser Platine sind durch aufgedruckte Etiketten gekennzeichnet. Widerstände werden durch ein beliebiges Etikett gekennzeichnet, das mit dem Buchstaben „R“ beginnt.
Diese spezielle Platine ist ein Computerzubehör, das als „Modem“ bezeichnet wird und die digitale Informationsübertragung über Telefonleitungen ermöglicht. Es gibt mindestens ein Dutzend Widerstände (alle mit einer Verlustleistung von 1/4 Watt), die auf der Platine dieses Modems zu sehen sind. Jedes der schwarzen Rechtecke (genannt „integrierte Schaltungen“ oder „Chips“) enthält auch eine eigene Anordnung von Widerständen für ihre internen Funktionen.
Diese spezielle Platine ist die Unterseite einer PC-Festplatte, und auch hier sind die darauf gelöteten Widerstände mit Etiketten gekennzeichnet, die mit dem Buchstaben „R“ beginnen:
Auf dieser Platine befinden sich über hundert SMD-Widerstände, und diese Zählung beinhaltet natürlich nicht die Anzahl der Widerstände im Inneren der schwarzen „Chips“. Diese beiden Fotos sollten jeden davon überzeugen, dass Widerstände – Geräte, die „nur“ dem Stromfluss entgegenwirken – sehr wichtige Komponenten im Bereich der Elektronik sind!
„Laden“ in Schaltplänen
In Schaltplänen werden manchmal Widerstandssymbole verwendet, um jeden allgemeinen Gerätetyp in einer Schaltung zu veranschaulichen, der mit elektrischer Energie etwas Nützliches tut. Jedes nicht spezifische elektrische Gerät wird im Allgemeinen als Last bezeichnet. Wenn Sie also ein schematisches Diagramm sehen, das ein Widerstandssymbol mit der Bezeichnung „Last“ zeigt, insbesondere in einem Tutorial-Schaltplan, der ein Konzept erläutert, das nicht mit der tatsächlichen Verwendung von elektrischer Energie in Zusammenhang steht, kann dieses Symbol nur eine Art Abkürzung für etwas anderes sein, das praktischer ist als ein Widerstand.
Analyse von Widerstandsschaltungen
Um zusammenzufassen, was wir in dieser Lektion gelernt haben, analysieren wir den folgenden Kreislauf und bestimmen alles, was wir aus den gegebenen Informationen können:
Alles, was uns hier für den Anfang gegeben wurde, ist die Batteriespannung (10 Volt) und der Strom der Schaltung (2 Ampere). Wir kennen weder den Widerstandswert des Widerstands in Ohm noch die Verlustleistung in Watt. Wenn wir unsere Reihe von Gleichungen des Ohmschen Gesetzes überblicken, finden wir zwei Gleichungen, die uns Antworten aus bekannten Größen von Spannung und Strom liefern:
Durch Einsetzen der bekannten Größen Spannung (E) und Strom (I) in diese beiden Gleichungen können wir den Stromkreiswiderstand (R) und die Verlustleistung (P) bestimmen:
Für die Schaltungsbedingungen von 10 Volt und 2 Ampere muss der Widerstand des Widerstands 5 betragen. Wenn wir eine Schaltung entwickeln würden, die bei diesen Werten arbeitet, müssten wir einen Widerstand mit einer Mindestleistung von 20 Watt angeben, sonst würde er überhitzen und ausfallen.
Widerstandsmaterialien
Widerstände gibt es in einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien, jedes mit seinen eigenen Eigenschaften und spezifischen Einsatzgebieten. Die meisten Elektroingenieure verwenden die folgenden Typen:
Drahtgewickelte (WW) Widerstände
Drahtgewickelte Widerstände werden hergestellt, indem ein Widerstandsdraht spiralförmig um einen nichtleitenden Kern gewickelt wird. Sie werden typischerweise für Hochpräzisions- und Leistungsanwendungen hergestellt. Der Kern besteht normalerweise aus Keramik oder Glasfaser und der Widerstandsdraht besteht aus einer Nickel-Chrom-Legierung und sind nicht für Anwendungen mit Frequenzen über 50 kHz geeignet.
Geringes Rauschen und Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen sind Standardeigenschaften von drahtgewickelten Widerständen. Widerstandswerte sind von 0,1 bis 100 kΩ erhältlich, mit Genauigkeiten zwischen 0,1 % und 20 %.
Metallschichtwiderstände
Nichrom- oder Tantalnitrid wird typischerweise für Metallschichtwiderstände verwendet. Eine Kombination aus einem Keramikmaterial und einem Metall bildet typischerweise das Widerstandsmaterial. Der Widerstandswert wird geändert, indem ein spiralförmiges Muster in die Folie geschnitten wird, ähnlich wie bei einer Kohlenstofffolie mit einem Laser oder Schleifmittel. Metallschichtwiderstände sind normalerweise weniger temperaturstabil als drahtgewickelte Widerstände, verarbeiten aber höhere Frequenzen besser.
Metalloxidschichtwiderstände
Metalloxidwiderstände verwenden Metalloxide wie Zinnoxid, wodurch sie sich geringfügig von Metallschichtwiderständen unterscheiden. Diese Widerstände sind zuverlässig und stabil und arbeiten bei höheren Temperaturen als Metallschichtwiderstände. Aus diesem Grund werden Metalloxidschichtwiderstände in Anwendungen verwendet, die eine hohe Lebensdauer erfordern.
Folienwiderstände
Der in den 1960er Jahren entwickelte Folienwiderstand ist noch immer einer der genauesten und stabilsten Widerstandstypen, die man findet und für Anwendungen mit hohen Präzisionsanforderungen verwendet wird. Ein keramisches Substrat, auf das eine dünne massive Metallfolie aufgeklebt ist, bildet das Widerstandselement. Folienwiderstände haben einen sehr niedrigen Temperaturwiderstandskoeffizienten.
Kohlenstoffzusammensetzung (CCR)-Widerstände
Bis in die 1960er Jahre waren Widerstände aus Kohlenstoffzusammensetzung der Standard für die meisten Anwendungen. Sie sind zuverlässig, aber nicht sehr genau (ihre Toleranz kann nicht besser als etwa 5% sein). Für das Widerstandselement von CCR-Widerständen wird eine Mischung aus feinen Kohlenstoffpartikeln und nichtleitendem Keramikmaterial verwendet.
Die Masse wird zu einem Zylinder geformt und gebrannt. Die Abmessungen des Körpers und das Verhältnis von Kohlenstoff zu Keramik bestimmen den Widerstandswert. Mehr Kohlenstoff, der in dem Prozess verwendet wird, bedeutet einen geringeren Widerstand. CCR-Widerstände sind für bestimmte Anwendungen immer noch nützlich, da sie hohen Energieimpulsen standhalten. Eine gute Beispielanwendung wäre eine Stromversorgung.
Kohlenstoffschichtwiderstände
Kohleschichtwiderstände haben eine dünne Kohleschicht (mit einem spiralförmigen Schnitt in der Schicht, um den Widerstandspfad zu erhöhen) auf einem isolierenden zylindrischen Kern. Dies ermöglicht einen genaueren Widerstandswert und erhöht auch den Widerstandswert. Kohleschichtwiderstände sind viel genauer als Widerstände aus Kohlezusammensetzungen. Spezielle Kohleschichtwiderstände werden in Anwendungen verwendet, die eine hohe Pulsstabilität erfordern.
Key Performance Indicators (KPIs)
Die KPIs für jedes Widerstandsmaterial finden Sie unten:
RÜCKBLICK:
- Vorrichtungen, die als Widerstände bezeichnet werden, sind so gebaut, dass sie einen genauen Widerstandswert in elektrischen Schaltkreisen bereitstellen. Widerstände werden sowohl nach ihrem Widerstand (Ohm) als auch nach ihrer Fähigkeit, Wärmeenergie abzuleiten (Watt) bewertet.
- Widerstandsnennwerte können nicht aus der physikalischen Größe des/der fraglichen Widerstand(s) bestimmt werden, ungefähre Nennleistungen jedoch. Je größer der Widerstand ist, desto mehr Leistung kann er sicher ableiten, ohne Schaden zu nehmen.
- Jedes Gerät, das mit elektrischer Energie eine nützliche Aufgabe erfüllt, wird im Allgemeinen als Last bezeichnet. Manchmal werden Widerstandssymbole in Schaltplänen verwendet, um eine unspezifische Last anstelle eines tatsächlichen Widerstands zu bezeichnen.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Widerstandsarbeitsblatt
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