Ratgeber
Widerstände finden in elektronischen Schaltungen für viele Zwecke Verwendung, unter anderem zur Strombegrenzung als Vorwiderstand, Strom-Spannungsumsetzung als Arbeitswiderstand oder Spannungsreduzierung als Spannungsteiler. Als Bauelemente lassen sich Widerstände in unterschiedlichen Bauformen realisieren: Die am häufigsten in der Elektronik zu findenden Ausführungen sind Kohleschicht- oder Metallschichtwiderstände als axial bedrahtete Bauelemente.
Ähnlich wie Kohleschichtwiderstände bestehen auch Metallschichtwiderstände aus einem kleinen zylinderförmigen Keramikkörper, auf den eine Metallschicht aufgebracht ist. Rechts und links befinden sich Metallkappen zur Kontaktierung, an denen jeweils ein axial ausgerichteter Anschlussdraht befestigt ist. Der Widerstandskörper ist mit einem Schutzlack überzogen, auf dem sich auch die ringförmige Farbcodierung befindet, die den Nennwert und die Toleranz angibt.
Der jeweilige Widerstandswert, angegeben in Ohm (Abkürzung „Ω“), kOhm (Abkürzung „kΩ“) usw. wird vom spezifischen Widerstand des aufgebrachten Metalls sowie dessen Schichtdicke bestimmt. Um größere Werte erreichen zu können, werden in die Metallschicht Kerben oder wendelförmige Rillen eingefräst.
Welche Eigenschaften haben Metallschichtwiderstände im Vergleich zu anderen Typen?
Die Widerstandswerte von Metallschichttypen zeichnen sich durch hohe Langzeitstabilität und geringe Temperaturabhängigkeit aus. Letztere liegt im Bereich von weniger durchschnittlich 50 ppm/K, während sie bei Kohleschichtwiderständen um den Faktor 10 höher und sogar negativ sein kann. So bedeutet beispielsweise 100 ppm/K (Parts per Million pro Kelvin), dass der bei Raumtemperatur geltende Nennwert bei einer Temperaturerhöhung um 100 Grad um 0,01 % zunimmt. Wie alle anderen Widerstandstypen erzeugen auch Metallschichtwiderstände eine geringe Rauschspannung, verursacht von unregelmäßigen Elektronenbewegungen im leitenden Material. Bei auf Kohlenstoff basierenden Widerstandstypen kann der Rauschpegel auf Grund anderer physikalischer Effekte allerdings deutlich höher sein. Metall reagiert außerdem unempfindlicher gegen große Belastung. Deshalb sind Metallschichtwiderstände bei gleicher Baugröße für größere elektrische Leistung geeignet als Kohleschichtwiderstände.
Wie werden Metallschichtwiderstände spezifiziert?
Die wichtigsten Eigenschaften und technischen Daten eines solchen Bauelementes, die in den Datenblättern angegeben werden, sind natürlich der Widerstands-Nennwert bei Raumtemperatur sowie dessen Toleranz, der Temperaturkoeffizient und die maximale elektrische Belastbarkeit. Auch eine maximal zulässige Spannung über dem Bauelement wird angegeben. Dabei ist zu beachten, dass bei Wechselspannungen der Spitzenwert deutlich höher ist als der Effektivwert. Für Anwendungen im Hochfrequenzbereich ist auch noch die parasitäre Induktivität des Bauelementes ein wichtiger Parameter. Die parasitäre Kapazität ist sehr gering und für die meisten Anwendungen nicht relevant.
Die häufigste Bauform ist der Typ 0207. Das sind axial bedrahtete zylinderförmige Bauelemente mit einer Länge von 6,3 mm und einem Durchmesser von 2,3 mm. Diese Ausführung ist für Leistungen zwischen 0,5 und 0,6 Watt geeignet. Die kleinere Bauform 0204 mit einer Länge von 3,4 mm und einem Durchmesser von 1,9 mm kann mit 0,25 W belastet werden. Diese Bauformen eigenen sich für die klassische THT-Bestückung („Through Hole Technology“) von Platinen im 0,1-Zoll-Raster sowie auch für die freie Verdrahtung.
Metallschichtwiderstände sind blau lackiert, und die Farbcodierung entspricht der Norm IEC 60757 (früher DIN 47002). Weil sich mit modernen Produktionsprozessen Metallschichtwiderstände mit sehr geringen Abweichungen zum jeweiligen Nennwert produzieren lassen, stehen diese praktisch in beliebigen Werten zur Verfügung. Mittlerweile sind Metallschichtwiderstände in der E96-Reihe mit einer maximalen Abweichung von +/-1 % der Standard. Die Werte sind in geometrischer Folge abgestuft und überlappen sich an ihren jeweiligen Toleranzgrenzen. Der standardmäßige Wertebereich liegt zwischen 0 Ω und 10 MΩ. Um die genauen Werte mit Farbcode angeben zu können, reichen die früher üblichen vier Ringe nicht aus. Deshalb werden auf Metallschichtwiderständen fünf Ringe aufgebracht, deren Bedeutung nach der Norm DIN IEC 62 festgelegt ist. Ein hilfreiches Werkzeug ist das „Vitrometer“, mit dem sich vier- und fünffache Farbringe auf den Widerstandskörper entschlüsseln lassen.
Metallschichtwiderstände sind eigentlich für alle Anwendungsbereiche in der Elektronik geeignet, weil es sich um besonders zuverlässige und langzeitstabile Bauelemente handelt. Die engen Toleranzen machen sie insbesondere für Schaltungen geeignet, bei denen es auf hohe Genauigkeit ankommt, z.B. analoge Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen. Das geringe Rauschen dieser Widerstände ist vorteilhaft bei Verstärkerschaltungen im Niederfrequenzbereich, so auch für HiFi-Anwendungen.
Obwohl Metallschichtwiderstände sehr robust sind, sollten im Betrieb die maximal zulässigen Werte für die anliegende Spannung sowie die umgesetzte Leistung kurzfristig und insbesondere langfristig nicht überschritten werden. Auch wenn ein solcher Widerstand bei kurzzeitiger Überlastung noch nicht zerstört oder beschädigt wurde, kann dieser seine Werte deutlich verändert haben und langfristig sogar ausfallen. Die längste Lebensdauer bei Einhaltung der Nennwerte erreicht ein Widerstand, wenn er im Betrieb dauerhaft nicht wärmer als 40 °C wird.
Andere Widerstandstypen, z. B. Kohleschichtwiderstände, lassen sich in der Regel problemlos mit Metallschichtwiderständen ersetzen. Umgekehrt ist das nicht in allen Fällen möglich, weil sich bestimmte Parameter nur von Metallschichttypen erfüllen lassen.
Metallschichtwiderstände sind in Einzelstückzahlen erhältlich. Für die Produktion werden die Widerstände in Großpackungen gegurtet geliefert, so dass sie sich auch von Bestückungsautomaten verarbeiten lassen. Für den Bedarf im Labor oder der Servicewerkstatt hat sich das Widerstands-Sortiment bewährt, bei dem in übersichtlicher Form die wichtigsten Werte für Experimente bzw. Reparaturen zur Verfügung stehen.
Wegen der geringen Abmessungen der Widerstandskörper sind die aufgedruckten Farbringe sehr klein und nicht immer gut ablesbar. Es empfiehlt sich deshalb, vor Einbau des Bauelementes mit einem Multimeter den tatsächlichen Widerstandswert zu überprüfen.