Ratgeber
Kaum eine elektronische Schaltung kommt ohne sie aus. Widerstände gehören mit zu den klassischen Bauelementen, können aber deutlich mehr als nur Widerstand leisten. Mit ihnen lassen sich auch Ströme, Spannungen und sogar Temperaturen messen. Welche Voraussetzungen solche Messwiderstände erfüllen müssen und worauf es bei der Beschaffung ankommt, das erfahren Sie in diesem Ratgeber.
Ein Messwiderstand ist ein ohmsches Bauelement, das für Aufgaben in der Messtechnik besondere Anforderungen erfüllen muss.
Einfach ausgedrückt:
Messwiderstände sind deutlich genauer in ihren Werten als ihre „normalen“ Pendants. Sie dienen überwiegend der Strom-, Spannungs- und Temperaturmessung und werden beispielsweise häufig in Spannungsteilerschaltungen eingesetzt. Aufgrund ihres präzisen und stabilen Widerstandswerts lassen sich Ströme exakt messen, wenn die Spannung genau bekannt ist – und umgekehrt.
Je nach Anwendung stehen verschiedene Typen von Messwiderständen zur Verfügung. Dazu gehören spezielle Leistungswiderstände und Shunt-Widerstände, die für Anwendungen mit hohen Spannungen beziehungsweise Strömen infrage kommen.
Höherohmige Messwiderstände
Diese Bauelemente werden als Drahtwiderstand oder Schichtwiderstand in Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik hergestellt. Drahtgewickelte Typen besitzen eine Induktivität, die bei Wechselströmen mit steigender Frequenz den Widerstandswert zunehmend verfälscht. Durch zweiadrige – bifilare – Wicklung wird die Induktivität zwar stark verkleinert, das erhöht aber die Kapazität zwischen den Wicklungen und führt zu einem Scheinwiderstand, der mit zunehmender Frequenz abnimmt. Dennoch bieten drahtgewickelte Widerstände die beste Stabilität und die höchste Belastbarkeit, lassen sich aber nicht in allen Bauformen herstellen.
Schichtwiderstände, insbesondere Dünnschichtwiderstände, reagieren wiederum empfindlich auf Umwelteinflüsse. Sie sind allgemein weniger belastbar und konnten in der Vergangenheit nicht mit der erforderlichen Stabilität hergestellt werden. Insbesondere der Temperatur- und der Spannungskoeffizient sind bei hochwertigen Schichtwiderständen auch heute noch ein Hindernis. Schichtwiderstände können allerdings induktionsfrei sein, sie sind zudem für Spannungen in hohen Kilovoltbereichen geeignet.
Niederohmige Messwiderstände
Niederohmige Messwiderstände, auch Strommesswiderstände, Nebenschlusswiderstände oder Shunt genannt, werden aus metallischen Blechen oder Stäben hergestellt. Um Abweichung durch den natürlichen Widerstand der Kontaktstellen zu vermeiden, hat sich bei Strommesswiderstände mit niedrigen Ohm-Werten die Vierleitertechnik durchgesetzt: Der zu messende Strom fließt durch große, externe Stromanschlüsse. Der Spannungsabfall über diese Kontakte hat keinen Einfluss auf die gemessene Spannung, da das Spannungsmessgerät an den kleinen, internen Anschlüssen angeschlossen wird. Hier fließt nur ein geringer Strom für das Messgerät, die auch hier vorhandenen Übergangswiderstände verursachen aber lediglich einen vernachlässigbar kleinen Spannungsabfall.
Shunt-Widerstände
Bei hohen Strömen, in der Regel über 10 Ampere, erfolgt die Strommessung meist durch Messung der elektrischen Spannung an einem sogenannten Shunt. Diese sind oft für eine Spannung von 60 Millivolt oder 150 Millivolt ausgelegt. Die Stromstärke wird nach dem ohmschen Gesetz berechnet. Beispiel: Wenn der Spannungsabfall 55 Millivolt über einem Shunt von 0,500 Milliohm beträgt, liegt die die Stromstärke bei 110 Ampere.
Der Shunt wird für die Messung einfach in die Leitung des zu messenden Stroms eingebaut. Da auch hier über den Klemmen ein erheblicher Spannungsabfall unvorhersehbarer Größe vorkommt, wird die Messspannung – wie bei niederohmigen Messwiderständen üblich – über zwei zusätzliche Spannungsklemmen abgegriffen, die in einer Vierleiterschaltung zwischen den Stromklemmen liegen.
Das Spektrum der Messwiderstände und der Anwendungsbereiche ist so breit, dass eine einfache Aussage, welcher Widerstand wann geeignet ist, nicht pauschal beantwortet werden kann. Verallgemeinern lassen sich die technologischen Eigenschaften aber aufgrund der jeweiligen Bauform.
Messwiderstände mit Widerstandselementen aus Draht besitzen bauartbedingt eine Induktivität, die den Einsatz bei hohen Frequenzen begrenzt. Durch spezielle Wickelverfahren wird allerdings versucht, diesen Effekt bei den in der Anwendung relevanten Frequenzen deutlich zu reduzieren. Drahtwiderstände bieten die beste Möglichkeit, einen exakten Widerstandswert mit sehr guten Toleranzen zu erreichen.
Dieser Vorteil ist daher besonders dann von Nutzen, wenn ein spezieller Wert des Gesamtwiderstandes erreicht werden muss, der nicht als Standardprodukt verfügbar ist. Sollte dies nicht nötig sein, so sind Metallfolien- und Metallschichtwiderstände heute meist die bessere Wahl, da sie diese Frequenzeffekte nicht aufweisen. Allerdings ist zum einen der Arbeitstemperaturbereich im Vergleich zu Drahtelementen eingeschränkt, zum anderen sind nicht alle Widerstände für höhere Leistungsaufnahmen geeignet.
Wenn eine Stromstärke mit kurzen Anstiegszeiten oder hohen Frequenzen gemessen werden soll, sind spezielle Bauformen mit geringer parasitärer Induktivität zu empfehlen. Axial gewickelte Widerstände sind daher weniger geeignet. Besser sind doppelt gewickelte Widerstände oder spezielle Bauformen, wie beispielsweise der Koaxialshunt, der aus zwei ineinander gesteckten Rohren besteht, die gegenläufig vom Strom durchflossen werden. Weitere niederinduktive Bauformen sind der Möbius-Widerstand oder wellenförmige Widerstandsfolien.
Was ist das besondere an Platin-Messwiderständen?
Platin-Messwiderstände wie der Pt100 sind gängige Temperatursensoren, eingesetzt vor allem in der Mess- und Regeltechnik als Teil eines Widerstandsthermometers. Die Zahl 100 bezeichnet den Widerstandswert von 100 Ohm.
Von allen industriellen Temperaturmessungen werden etwa 70 Prozent mit einem Pt100 durchgeführt, hauptsächlich wegen des großen Messbereichs von minus 200 bis plus 850 Grad Celsius, des nahezu linearen Verhaltens, der langen Lebensdauer, der Genauigkeit und des einfachen Anschlusses.
Gibt es Messwiderstände auch in der SMD-Bauform?
Messwiderstände mit gängigen Werten werden sowohl mit axialen oder radialen Anschlussdrähten als auch in der SMD-Bauform für die Oberflächenmontage angeboten.
Welche Toleranzwerte sind bei Messwiderständen üblich?
Präzisionswiderstände in Metallschicht-Bauweise sind hinsichtlich ihres Widerstandswerte erheblich genauer als normale Widerstände. Ihre Toleranz beträgt lediglich 0,1 oder 0,5 Prozent, erkennbar am violetten beziehungsweisen grünen fünften Ring in der aufgedruckten Farbcodierung. Zum Vergleich: Die Toleranz normaler Widerstände liegt zwischen einem und zehn Prozent.