Elektrischer Widerstand: Was ist das und was macht er? (Beispiele enthalten)

Feld: Grundlagen der Elektrotechnik

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Was ist ein elektrischer Widerstand?

Ein Widerstand (auch bekannt als elektrischer Widerstand) wird definiert als ein zweipoliges passives elektrisches Element, das elektrischen Widerstand gegen den Stromfluss bietet. Der Widerstand ist ein Maß für die Gegenwehr des Stromflusses in einem Widerstand. Je größer der Widerstand eines Widerstands, desto größer ist die Barriere gegen den Stromfluss. Es gibt viele verschiedene Arten von Widerständen, wie zum Beispiel einen Thermistor.

In einem elektrischen und elektronischen Schaltkreis besteht die Hauptfunktion eines Widerstands darin, den Fluss von Elektronen, also den Strom, zu „verhindern“. Deshalb wird er auch „Widerstand“ genannt.

Widerstände sind passive elektrische Elemente. Das bedeutet, dass sie dem Schaltkreis keine Energie liefern können, sondern stattdessen Energie aufnehmen und diese in Form von Wärme abgeben, solange ein Strom durch sie fließt.

Verschiedene Widerstände werden in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen verwendet, um den Stromfluss zu begrenzen oder Spannungsabfälle zu erzeugen. Widerstände sind in vielen verschiedenen Widerstandswerten erhältlich, von Bruchteilen eines Ohms (Ω) bis hin zu Millionen von Ohms.

Laut dem Ohmschen Gesetz ist die Spannung (V) über einem Widerstand direkt proportional zum durch ihn fließenden Strom (I). Dabei ist der Widerstand R der Proportionalitätsfaktor.

Was macht ein Widerstand?

In einem elektrischen und elektronischen Schaltkreis werden Widerstände verwendet, um den Stromfluss zu begrenzen und zu regeln, Spannungen aufzuteilen, Signalebenen anzupassen, aktive Elemente zu vorspannen usw.

Zum Beispiel werden viele Widerstände in Serie geschaltet, um den durch die Lichtemittierende Diode (LED) fließenden Strom zu begrenzen. Weitere Beispiele werden unten diskutiert.

Vor Spannungsspitzen schützen

Ein Snubber-Schaltkreis besteht aus einer Reihenschaltung eines Widerstands und eines Kondensators, die parallel zum Thyristor geschaltet sind, um das schnelle Ansteigen der Spannung über dem Thyristor zu unterdrücken. Dies wird als Snubber-Schaltkreis bezeichnet, der den Thyristor vor hohen $\frac{dv}{dt}$ schützt.

Widerstände werden auch verwendet, um LED-Lampen vor Spannungsspitzen zu schützen. LED-Lampen sind empfindlich gegenüber hohen elektrischen Strömen und würden beschädigt, wenn kein Widerstand verwendet würde, um den Stromfluss durch die LED zu kontrollieren.

Erzeugung einer Spannungsabfall zur Bereitstellung der richtigen Spannung

Jedes Element in einem elektrischen Schaltkreis, wie eine Lampe oder ein Schalter, erfordert eine spezifische Spannung. Dafür werden Widerstände verwendet, um durch Erzeugung eines Spannungsabfalls die richtige Spannung bereitzustellen.

Was ist elektrischer Widerstand (in Widerstandseinheiten) gemessen?

Die SI-Einheit für einen Widerstand (der elektrische Widerstand wird in) Ohm gemessen und wird als Ω dargestellt. Die Einheit Ohm (Ω) ist nach dem großen deutschen Physiker und Mathematiker Georg Simon Ohm benannt.

Im SI-System entspricht ein Ohm einem Volt pro Ampere. Also,

$\begin{align*} 1\,\,Ohm = 1 \frac{Volt}{Ampere} \end{align*}$

Daher wird der Widerstand auch in Volt pro Ampere gemessen.

Widerstände werden in einem breiten Wertebereich hergestellt und spezifiziert. Daher werden die abgeleiteten Einheiten von Widerständen entsprechend ihren Werten wie Milliohm (1 mΩ = 10-3 Ω), Kiloohm (1 kΩ = 103 Ω) und Megaohm (1 MΩ = 106 Ω) usw. gebildet.

Schaltzeichen für elektrischen Widerstand

Es gibt zwei Haupt-Schaltzeichen für elektrische Widerstände. Das am häufigsten verwendete Symbol für einen Widerstand ist eine Zickzacklinie, die hauptsächlich in Nordamerika verwendet wird.

Das andere Schaltzeichen für einen Widerstand ist ein kleines Rechteck, das in Europa und Asien weit verbreitet ist und als internationales Widerstandssymbol bezeichnet wird.

Das Schaltzeichen für Widerstände ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Serielle und parallele Widerstände

Formel für seriell geschaltete Widerstände

Das folgende Schaltbild zeigt eine Anzahl von n Widerständen, die in Reihe geschaltet sind.

Wenn zwei oder mehr Widerstände in Reihe geschaltet sind, dann ist der äquivalente Widerstand der seriell geschalteten Widerstände gleich der Summe ihrer individuellen Widerstände.

Mathematisch ausgedrückt lautet dies

$\begin{align*} R_e_q_. = R_1 + R_2 + ........ + R_n \end{align*}$

$\begin{align*} R_e_q_. = \sum_{i=1}^{n} R_n \end{align*}$

Bei einer Reihenschaltung bleibt der Strom, der durch jeden einzelnen Widerstand fließt, konstant (d.h. der Strom durch jeden Widerstand ist gleich).

Beispiel

Wie im folgenden Schaltkreis dargestellt, sind drei Widerstände, 5 Ω, 10 Ω und 15 Ω, in Reihe verbunden. Bestimmen Sie den äquivalenten Widerstand der in Reihe geschalteten Widerstände.

Lösung:

Gegebene Daten: $R_1 = 5 \,\,\Omega, R_2 = 10 \,\,\Omega$ und $\,\,R_3 = 15 \,\,\Omega$

Gemäß Formel,

$\begin{align*} \begin{split} & R_e_q_. = R_1 + R_2 + ........ + R_n \\ & = 5 + 10 + 15 \\ & R_e_q_.= 30\,\,\Omega \end{split} \end{align*}$

Daher erhalten wir den äquivalenten Widerstand von in Reihe geschalteten Widerständen mit 30 Ω.

(Beachten Sie, dass das obige Schaltbild 25 Ω anzeigt. Dies ist ein Tippfehler, die korrekte Antwort beträgt 30 Ω)

Formel für parallelgeschaltete Widerstände

Das folgende Schaltbild zeigt eine Anzahl von n Widerständen, die parallel geschaltet sind.

Wenn zwei oder mehr Widerstände parallel geschaltet sind, dann entspricht der äquivalente Widerstand der parallelgeschalteten Widerstände dem Kehrwert der Summe der Kehrwerte der einzelnen Widerstände.

Mathematisch wird dies ausgedrückt durch

$\begin{align*} \frac{1}{R_e_q_.} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ........ + \frac{1}{R_n} \end{align*}$

$\begin{align*} R_e_q_. = \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{R_n} \end{align*}$

Bei einer Parallelschaltung bleibt die Spannung, die durch jeden einzelnen Widerstand fließt, konstant (d.h. die Spannung durch jeden Widerstand ist gleich).

Widerstandsschaltungen (Beispielanwendungen)

Strombegrenzender Widerstand für LEDs

Die Begrenzung des Stroms ist bei LEDs sehr wichtig. Wenn zu viel Strom durch eine LED fließt, wird sie beschädigt. Daher wird ein strombegrenzender Widerstand verwendet, um den in die LED fließenden Strom zu begrenzen oder zu reduzieren.

Strombegrenzende Widerstände werden in Serie mit einer LED geschaltet, um den durch die LED fließenden Strom auf einen sicheren Wert zu begrenzen. Zum Beispiel, wie im folgenden Bild gezeigt, ist der strombegrenzende Widerstand in Serie mit der LED geschaltet.

LED – Schaltung mit strombegrenzendem Widerstand

Berechnung des notwendigen Werts des strombegrenzenden Widerstands

Beim Berechnen des Werts eines strombegrenzenden Widerstands müssen wir drei Spezifikationen oder Charakteristika der LED kennen:

Vorwärtsspannung der LED (aus dem Datenblatt)
Maximaler Vorwärtsstrom der LED (aus dem Datenblatt)
VS = Versorgungsspannung

Die Vorwärtsspannung ist die Spannung, die erforderlich ist, um eine LED einzuschalten, und liegt in der Regel zwischen 1,7 V und 3,4 V, abhängig von der Farbe der LED. Der maximale Vorwärtsstrom ist der kontinuierliche Strom, der durch die LED fließt, und beträgt in der Regel etwa 20 mA für grundlegende LEDs.

Nun können wir den notwendigen Wert des Strombegrenzenden Widerstands mit der folgenden Gleichung berechnen,

$\begin{align*} R = \frac{V_S - V_F}{I_F} \end{align*}$

Wobei, $V_S$ = Spannungsversorgung

$V_F$ = Vorwärtsspannung

$I_F$ = maximaler Vorwärtsstrom

Schauen wir uns ein Beispiel an, wie man den notwendigen Wert des Strombegrenzenden Widerstands mit der obigen Formel berechnet.

Pull-up-Widerstände

Pull-up-Widerstände sind in elektronischen Logikschaltungen eingesetzte Widerstände, die sicherstellen, dass ein Signal einen bekannten Zustand hat.

Mit anderen Worten, Pull-up-Widerstände werden verwendet, um sicherzustellen, dass ein Draht bei fehlender Eingabebedingung auf eine hohe logische Ebene gezogen wird. Ein Pull-down-Widerstand funktioniert ähnlich wie Pull-up-Widerstände, zieht jedoch einen Draht auf eine niedrige logische Ebene.

Moderne ICs, Mikrocontroller und digitale Logikgatter haben viele Eingangs- und Ausgangspins, die korrekt eingestellt werden müssen. Daher werden Pull-up-Widerstände verwendet, um den Eingangspin des Mikrocontrollers oder des digitalen Logikgatters in einen bekannten Zustand zu verstellen.

Pull-up-Widerstände werden in Kombination mit Transistoren, Schaltern, Tasten usw. verwendet, die die physische Verbindung der nachfolgenden Komponenten zum Masse- oder VCC unterbrechen. Zum Beispiel ist das Pull-up-Widerstandsschaltbild unten dargestellt.

企业微信截图_17101346272890.png — Pull-up-Widerstandsschaltung

企业微信截图_17101346341956.png — Pull-up-Widerstandsschaltung

Wie gezeigt, fällt die Eingangsspannung (Vin) am Mikrocontroller oder Gatter auf Masse, wenn der Schalter geschlossen ist, und wird auf die Ebene der Eingangsspannung (Vin) gezogen, wenn der Schalter offen ist.

Daher kann der Pull-up-Widerstand den Eingangspin des Mikrocontrollers oder Gatters vorspannen, wenn der Schalter offen ist. Ohne Pull-up-Widerstand wären die Eingänge am Mikrocontroller oder Gatter schwebend, d. h. in einem Hochimpedanzzustand.

Ein typischer Wert für einen Pull-up-Widerstand beträgt 4,7 kΩ, kann aber je nach Anwendung variieren.

Spannungsabfall an einem Widerstand

Der Spannungsabfall an einem Widerstand ist nichts anderes als der Spannungswert über dem Widerstand. Der Spannungsabfall wird auch als IR-Abfall bezeichnet.

Wie wir wissen, ist ein Widerstand ein passives elektrisches Element, das elektrischen Widerstand gegen den Stromfluss bietet. Gemäß dem Ohmschen Gesetz erzeugt er einen Spannungsabfall, wenn der Strom durch den Widerstand fließt.

Mathematisch kann der Spannungsabfall über einen Widerstand wie folgt ausgedrückt werden,

$\begin{align*} V (Spannungsabfall) = I * R \end{align*}$

Vorzeichen für IR-Abfälle (Spannungsabfälle)

Um das Vorzeichen des Spannungsabfalls über einen Widerstand zu bestimmen, ist die Richtung des Stroms sehr wichtig.

Betrachten wir einen Widerstand mit dem Widerstandswert R, durch den der Strom (I) von Punkt A nach Punkt B fließt, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Daher liegt Punkt A auf einem höheren Potential als Punkt B. Wenn wir von A nach B reisen, ist V = I R negativ, d. h., -I R (das heißt, ein Potentialabfall). Ähnlich, wenn wir von Punkt B nach Punkt A reisen, ist V = I R positiv, d. h., +I R (das heißt, ein Potentialanstieg).

Es ist also klar, dass das Vorzeichen des Spannungsabfalls über einen Widerstand von der Richtung des Stroms durch diesen Widerstand abhängt.

Widerstands-Farbcodes

Widerstands-Farbcodes werden verwendet, um den Widerstandswert und den Prozentsatz der Toleranz eines Widerstands zu identifizieren. Die Farbcodes der Widerstände verwenden farbige Bänder zur Identifizierung.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, sind vier farbige Bänder auf dem Widerstand gedruckt. Drei der Bänder sind nebeneinander gedruckt, und das vierte Band ist leicht versetzt vom dritten Band gedruckt.

Die ersten beiden Bänder von links geben die bedeutenden Ziffern an, das dritte Band gibt den Dezimalmultiplikator an und das vierte Band gibt die Toleranz an.

5 band resistor code — Farbcodierung für 5-Band-Widerstände

Die folgende Tabelle zeigt bedeutende Ziffern, Dezimalmultiplikatoren und Toleranzen für verschiedene Farbcodierungen von Widerständen.

Wichtige Punkte:

Das Gold- und Silberband befindet sich immer rechts.
Der Widerstandswert wird immer von links nach rechts gelesen.
Falls es kein Toleranzband gibt, finden Sie die Seite mit einem Band in der Nähe eines Anschlusses und machen Sie daraus das erste Band.

Beispiel (Wie berechnet man den Widerstandswert?)

Wie im folgenden Bild zu sehen, hat ein kohleschwarz farbcodierter Widerstand das erste Ring in Grün, den zweiten in Blau, den dritten in Rot und den vierten in Gold. Finden Sie die Spezifikationen des Widerstands.

Lösung:

Gemäß der Tabelle der Farbcodierung von Widerständen,

Grün	Blau	Rot	Gold
5	6	102	${\pm 5}{\%}$

$\begin{align} R = 56 10^2 \Omega \SI{\pm 5}{\%} \,\, \end{align*}$

Daher beträgt der Widerstandswert $5600\,\,\Omega$ mit einer Toleranz von ${\pm 5}{\%}$ .

Der Widerstandswert liegt also zwischen

$5600 + 5 \% = 5600 + 280 = 5880 \,\,\Omega$

$5600 - 5 \% = 5600 - 280 = 5320 \,\,\Omega$

Der Widerstandswert liegt also zwischen $5880\,\,\Omega$ und $5320\,\,\Omega$ .

Zeichen- oder Buchstabenkodierung (RKM-Code)

Manchmal sind Widerstände so klein, dass eine Farbkodierung schwierig anwendbar ist. In solchen Fällen wird eine Zeichen- oder Buchstabenkodierung für die Spezifikationen von Widerständen verwendet. Sie wird auch als RKM-Code bezeichnet.

Die für die Kodierung von Widerständen verwendeten Zeichen sind R, K und M. Wenn ein Zeichen zwischen zwei Dezimalzahlen steht, fungiert es als Dezimalpunkt. Zum Beispiel steht das Zeichen R für Ohm, K für Kiloohm und M für Megaohm. Sehen wir uns Beispiele dafür an.

Widerstand	Buchstaben-Code
0,3 Ω	R3
0,47 Ω	R47
1 Ω	1R0
1 kΩ	1K
4,7 kΩ	4K7
22,3 MΩ	22M3
9,7 MΩ	9M7
2 MΩ	2M

Beispiel – Buchstaben- oder Zifferncode

Toleranz wird angegeben als

Zeichen	Toleranz
F	${\pm 1}{\%}$
G	${\pm 2}{\%}$
J	${\pm 5}{\%}$
K	${\pm 10}{\%}$
M	${\pm 20}{\%}$

Beispiel – Widerstand mit Buchstabenkennzeichnung:

Arten von Widerständen

Es gibt verschiedene Arten von Widerständen, jeder mit seinen eigenen einzigartigen Eigenschaften und spezifischen Anwendungsfällen.

Es gibt zwei grundlegende Arten von Widerständen: Festwiderstände und Verstellbare Widerstände. Beide Arten sind unten aufgelistet.

Festwiderstände

Festwiderstände sind die am häufigsten verwendete Art von Widerständen. Sie werden in elektronischen Schaltkreisen eingesetzt, um die richtigen Bedingungen in einem Schaltkreis zu justieren und zu regeln. Die Arten von Festwiderständen sind unten aufgelistet.

Kohlenstoff-Kompositions-Widerstände (Kohlenstoff-Widerstände)
Kohlenstoffhaufen-Widerstände
Kohlenstoff-Film-Widerstände
Thermistor (Thermischer Widerstand)
Drahtgewickelte Widerstände
Oberflächenmontierte Widerstände
Metall-Film-Widerstände
Metalloxid-Film-Widerstände
Dickfilm-Widerstände
Dünfilm-Widerstände
Folie-Widerstände
Gedruckte Kohlenstoff-Widerstände
Ammeter-Schunt-Widerstände (Strommess-Widerstände)
Gitter-Widerstände

Verstellbare Widerstände

Verstellbare Widerstände bestehen aus einem oder mehreren festen Widerstandselementen und einem Schieber. Diese bieten drei Verbindungen zum Element; zwei sind mit dem festen Widerstandselement verbunden, und die dritte ist der Schieber. Durch Verschieben des Schiebers an verschiedene Terminals können wir den Wert des Widerstands variieren.

Die Arten von verstellbaren Widerständen sind unten aufgelistet.

Einstellbare Widerstände
Potentiometer
Variable Widerstände (Rheostat)
Widerstandszehnerkasten (Widerstandsersatzkasten)
Varistoren (nichtlinearer Widerstand)
Lichtabhängiger Widerstand (LDR) oder Fotoresistor
Trimmer

Weitere spezielle Arten von Widerständen umfassen:

Wasserwiderstand (Wasser-Rheostat, Flüssigkeitsrheostat)
Ballastwiderstand
Phenolharzwiderstand
Cermet-Widerstände
Tantalwiderstände

Widerstandswerte (häufigste Widerstandswerte)

Widerstandswerte sind in verschiedene Serien von Standardwiderstandswerten organisiert. Im Jahr 1952 beschloss die Internationale Elektrotechnische Kommission, Standardwiderstandswerte und Toleranzen festzulegen, um die Kompatibilität zwischen Bauteilen zu erhöhen und die Fertigung von Widerständen zu erleichtern.

Diese Standardwerte werden als E-Serie der IEC 60063 bevorzugten Zahlenwerte bezeichnet. Diese E-Serien sind klassifiziert als E12, E24, E48, E96 und E192 mit 12, 24, 48, 96 und 192 verschiedenen Werten innerhalb jeder Dekade.

Die häufigsten Widerstandswerte sind unten aufgelistet. Es handelt sich um E3, E6, E12 und E24 Standardwiderstandswerte.

E3 Standardwiderstandsserie:

Die E3 Widerstandsserie umfasst die am häufigsten verwendeten Widerstandswerte in der Elektronikindustrie.

1.0

2.2

4.7

E6 Standardwiderstandsserie:

Die E3-Widerstandsserie wird ebenfalls am häufigsten verwendet und bietet eine breite Palette von gängigen Widerstandsgrößen.

1,0	1,5	2,2
3,3	4,7	6,8

E12-Widerstandsserie:

1.0	1.2	1.5
1.8	2.2	2.7
3.3	3.9	4.7
5.6	6.8	8.2

E24 Standardwiderstandsserie:

1.0	1.1	1.2
1.3	1.5	1.6
1.8	2.0	2.2
2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9
4.3	4.7	5.1
5.6	6.2	6.8
7.5	8.2	9.1

Die Toleranz von Widerständen wird in der Regel mit ${\pm 20}{\%}$ , ${\pm 10}{\%}$ , ${\pm 5}{\%}$ , ${\pm 2}{\%}$ und ${\pm 1}{\%}$ angegeben.

Woraus besteht ein Widerstand?

Je nach Anwendung werden verschiedene Materialien verwendet, um Widerstände herzustellen.

Widerstände werden aus Kohlenstoff oder Kupfer hergestellt, was den Stromfluss durch eine Schaltung erschwert.
Der häufigste und vielseitigste Widerstand ist der Kohlenstoffwiderstand, der sich am besten für elektronische Schaltungen mit geringer Leistung eignet.
Manganin- und Constantanlegierungen werden zur Herstellung von Standardwickelwiderständen verwendet, da sie eine hohe Spezifischen Widerstand und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweisen.
Manganinfolie und -draht werden zur Herstellung von Widerständen wie Ammeter-Shunts verwendet, da Manganin fast keine Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat.
Nickel-Kupfer-Mangan-Legierung wird zur Herstellung von Standardwiderständen, Drahtwiderständen, Präzisionsdrahtwiderständen usw. verwendet. Die Zusammensetzung dieser Legierung ist: Nickel = 4%; Kupfer = 84%; Mangan = 12%.

Welche sind die gängigen Anwendungen von Widerständen (Anwendungen von Widerständen)

Einige der Anwendungen von Widerständen umfassen:

Widerstände werden in Verstärkern, Oszillatoren, digitalen Multimetern, Modulatoren, Demodulatoren, Sendern usw. eingesetzt.
Lichtabhängige Widerstände werden in Einbruchalarmen, Flammenmeldern, fotografischen Geräten usw. verwendet.
Drahtwiderstände werden in Shunts mit Amperemetern verwendet, wo hohe Empfindlichkeit, ausbalancierte Stromsteuerung und genaue Messung erforderlich sind.

Quelle: Electrical4u.

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Widerstand	Buchstaben-Code
$3.5\,\,\Omega {\pm 5}{\%}$	3R5J
$4.7\,\,\Omega {\pm 10}{\%}$	4R7K
$9.7\,\,M\Omega {\pm 2}{\%}$	9M7G

1.0	1.1	1.2
1.3	1.5	1.6
1.8	2.0	2.2
2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9
4.3	4.7	5.1
5.6	6.2	6.8
7.5	8.2	9.1

1.0	1.1	1.2
1.3	1.5	1.6
1.8	2.0	2.2
2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9
4.3	4.7	5.1
5.6	6.2	6.8
7.5	8.2	9.1

1.0	1.1	1.2
1.3	1.5	1.6
1.8	2.0	2.2
2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9
4.3	4.7	5.1
5.6	6.2	6.8
7.5	8.2	9.1