Widerstände

Der Drahtwiderstand: „Berichte über meinen Tod sind stark übertrieben“

| Autor / Redakteur: Phil Ebbert * / Thomas Kuther

Drahtwiderstände: oft totgesagt, sind sie auch heute in zahlreichen Anwendungen noch nicht zu ersetzen
Drahtwiderstände: oft totgesagt, sind sie auch heute in zahlreichen Anwendungen noch nicht zu ersetzen (Bild: Riedon)

Drahtwiderstände wurden zwar mittlerweile fast völlig von den äußerst kompakten und kostengünstigen Filmwiderständen verdrängt – aber in so manchen Applikationen sind und bleiben sie erste Wahl.

Wie bei jedem elektronischen Bauteil hat sich auch beim Widerstand die Fertigungstechnik im Laufe der Zeit verändert. Filmwiderstände tragen zu einem wesentlich Teil dazu bei, dass eine kosteneffiziente Massenfertigung immer kleinerer Widerstände möglich ist. Der traditionelle Drahtwiderstand bleibt aber weiterhin für bestimmte Anwendungen die beste Wahl – auch wenn die Zahl der Hersteller solcher Widerstände in den letzten Jahrzehnten immer geringer geworden ist. Und so kann man dem Drahtwiderstand das bekannte Zitat „Berichte über meinen Tod sind stark übertrieben“ von Mark Twain in den Mund legen.

Konstrunkionsbedingte Vorteile von Drahtwiderständen

Ein Grund für das Überleben des Drahtwiderstands ist, dass alle anderen Fertigungstechniken Nachteile haben. Der Einsatz leitfähiger Tinte für Kohleschicht- oder Dickfilmwiderstände bringt zwar sehr kostengünstige Bauteile hervor, die aber nur eine begrenzte Pulsbelastung zulassen. Die anfängliche Genauigkeit ist schlechter als 0,1% und die Langzeitstabilität ist mit 500 bis 1000 ppm/Jahr eher schwach. Der Widerstand ist temperaturabhängig; der Widerstands-Temperaturkoeffizient (TK) beträgt in etwa 50 bis 100 ppm/K. Hinzu kommt ein hohes Stromrauschen im Bereich von -18 bis -10 dB.

Widerstände aus Kohlepulver

Kohleschicht-Widerstände aus Kohlepulver und einem isolierenden Material (meist Keramik), das zusammen in Harz gebunden ist, zählen zu den ersten Widerstands-Typen. Die Menge an Kohlenstoff und Isolationsmaterial bestimmen dabei den gewünschten Widerstandswert. Exakte Werte sind nur schwierig zu erreichen, sodass meist nur eine Genauigkeit von ±5% erzielt wird, und auch die Temperaturstabilität mit einem TK von etwa 1000 ppm/K ist eher schlecht. Diese Widerstände verursachen auch ein hohes Stromrauschen (-12 bis +6 dB) und weisen eine schlechte Langzeitstabilität auf.

Metallfilm-Widerstände bieten bessere Eigenschaften

Metallfilm-Widerstände bieten bessere Eigenschaften: eine höhere Genauigkeit (ca. 0,01%), einen TK von 10 bis 200 ppm/K und eine Stabilität von 200 bis 600 ppm/Jahr. Aber diese Werte reichen immer noch nicht an die von Drahtwiderständen heran. Auch die Impulsbelastbarkeit ist wesentlich geringer.

Drahtwiderstände sind weiterhin in vielen Anwendungen erste Wahl

Durch die Einschränkungen anderer Technologien kommen Drahtwiderstände weiterhin in vielen Anwendungen zum Einsatz. Sie widerstehen hohen Impulsbelastungen und Transienten, können erhebliche Mengen an Energie aufnehmen (einige sogar bis 2,5 kW), und sie lassen sich mit hoher Genauigkeit herstellen. Einige Drahtwiderstände bieten eine anfängliche Genauigkeit von 0,005%. Ebenso wichtig ist, dass sie sehr zuverlässig sind (15 bis 50 ppm/Jahr) und ihre Genauigkeit im Laufe der Zeit erhalten bleibt, da die verwendeten Materialien sehr widerstandsfähig sind. Drahtwiderstände weisen mit -38 dB auch ein sehr geringes Stromrauschen auf.

Die grundlegende Struktur des Drahtwiderstands ist schon lange unverändert

Die grundlegende Struktur eines Drahtwiderstands ist seit vielen Jahren unverändert: Ein Widerstandsdraht ist um einen Kern oder eine Form gewickelt, die meist aus Keramik ist. Metall-Endkappen werden auf den Kern gepresst und der Widerstandsdraht an ihnen verschweißt. Die Anordnung wird dann verkapselt, um sie vor Feuchtigkeit und Beschädigung zu schützen.

Drahtkonstruktion ermöglicht einfach anzupassende Bausteine

Die Drahtkonstruktion ermöglicht auch Bausteine, die einfach anzupassen sind. Entwickler können damit ihre Anforderungen genau erfüllen, selbst wenn die benötigten Stückzahlen nur in die Hunderte anstatt in die Zehntausende gehen. Und obwohl die Technologie vertraut ist, hat sie sich dennoch weiterentwickelt. Fortschritte in der Werkstoffkunde ermöglichen heute Bausteine mit einem genau steuerbaren Verhalten bei verschiedenen Temperaturbereichen und einem TK bis hinab auf 1 ppm/K.

Länge, Querschnitt und Drahtmaterial bestimmen den Widerstandswert

Der Widerstandswert wird festgelegt durch die Länge, den Querschnitt und das widerstandsbestimmende Material des Drahtes. Bezüglich der Materialwahl weist ein Kupferdraht mit kleinem Durchmesser und 30 m Länge einen Widerstand von wenigen Ohm auf. Ein höherer Widerstand lässt sich mit einer Nickel-Chrom-Legierung erzielen, wobei ein solcher Draht mit kleinem Durchmesser und 30 cm Länge einen Widerstand von einigen Tausend Ohm bietet.

Bild 1: Die einfache Anpassungsmöglichkeit ist einer der Hauptvorteile von Drahtwiderständen, hier gezeigt an Beispielen von Riedon
Bild 1: Die einfache Anpassungsmöglichkeit ist einer der Hauptvorteile von Drahtwiderständen, hier gezeigt an Beispielen von Riedon (Bild: Riedon)

Breite Auswahl an Metall-Legierungen und Drahtgrößen

Hersteller von Drahtwiderständen bieten eine Auswahl an Metall-Legierungen und Größen. Die Fertigungsprozesse bieten dabei zahlreiche Varianten. Ist ein hochpräziser Widerstand erforderlich, kann z.B. ein längerer Draht verwendet werden. Damit lässt sich der Widerstandswert genau einstellen, indem wenige Zentimeter (oder sogar nur Millimeter) Draht abgeschnitten werden.

Das Material beeinflusst die Temperaturcharakteristik des Widerstands

Die Materialwahl ist ein wichtiger Faktor, der die Temperaturcharakteristik des Widerstands beeinflusst. Eine „Niedrig-TK“-RO-800-Legierung weist z.B. einen TK von 5 bis 10 ppm/K auf. Im Vergleich dazu weisen reines Nickel einen TK von 6700 ppm/K und Kupfer 3900 ppm/K auf.

Meist ist ein niedriger Temperaturkoeffizient erwünscht

Über das Material kann der Hersteller den Widerstand mit den gewünschten Eigenschaften maßschneidern. Generell ist ein niedriger TK wünschenswert. In einigen Anwendungen, z.B. bei der Temperaturmessung und in Kompensationsanwendungen, kann jedoch das Gegenteil der Fall sein, da das Ziel dieser Widerstände dann ist, auf Temperaturänderungen zu reagieren.

Drahtwiderstände verkraften auch extreme Temperaturen

Drahtgewickelte Bauteile werden oft deshalb gewählt, da sie selbst bei extremen Temperaturen zuverlässig arbeiten. Axial-Widerstände wie Riedons UT-Serie arbeiten z.B. im Bereich von –55 bis 275 °C und sogar bei noch höheren Temperaturen ohne Leistungsverringerung. Damit eignen sich solche Komponenten u.a. für die Luft- und Raumfahrttechnik sowie in Löschanlagen.

Belastbarkeit und Verlustleistung hängewn vom Aufbau ab

Die Belastbarkeit und Verlustleistung gehen einher mit dem Aufbau dieser Bausteine. Generell gilt: ein Widerstand mit einer größeren Masse kann mehr Leistung aufnehmen und abführen und somit insgesamt mehr Energie verarbeiten, was eine weitere Stärke von Drahtwiderständen ist.

Bild 2: Der grundlegende Aufbau eines Drahtwiderstands hat sich im Laufe der Zeit kaum verändert
Bild 2: Der grundlegende Aufbau eines Drahtwiderstands hat sich im Laufe der Zeit kaum verändert (Bild: Riedon)

Drahtwiderstände sind extrem impulsbelastbar

Eine häufige Verwendung von Drahtwiderständen findet sich rund um Impulsbelastungen. Geräte wie Defibrillatoren müssen eine große Menge an Energie in kurzer Zeit abgeben, was die elektrischen Bauteile unter eine hohe Belastung stellt. Um diese Bauteile vor einem Ausfall zu schützen, wird meist ein Widerstand mit in das Design integriert, der die Energie eines Millisekunden dauernden Stromstoßes absorbieren kann. In einer anderen Anwendung schützen Drahtwiderstände eine Messeinrichtung in einem halbleiterbasierten Stromzähler. Hier absorbiert der Widerstand den hohen Strom der generiert wird, wen ein Metalloxid-(MOC-)Varistor aufgrund einer Überspannung im Netz klemmt.

Solche Überspannungen können verschiedene Gründe haben: Blitzeinschlag, induktive Lasten (Motoren), Kondensatorbatterien, Schaltanlagen oder das Ein-/Ausschalten von Heizungen, Klima- und Lüftungsanlagen. In solchen Anwendungen finden sich dann z.B. die vorher genannten Drahtwiderstände der UT-Serie. Sie widerstehen einer Energie von über 1000 Joule. Ihre Widerstandswerte reichen von 0,02 Ω bis 260 kΩ; die Genauigkeit reicht hinab bis ±0,01% und der Temperaturkoeffizient hinab bis ±20 ppm/K.

Die Impulsbelastung ist oft schwierig zu beurteilen

Das richtige Handling der Impulsbelastung in einer Anwendung zu bestimmen, ist nicht immer eine einfache Aufgabe. Einschaltströme müssen dabei anders behandelt werden als die Transientenunterdrückung. In einem Datenblatt lassen sich daher unmöglich alle Informationen unterbringen, um hier die richtige Wahl zu treffen. Für Impulse mit bis zu 5 s Dauer gibt der Industriestandard eine Widerstandsfähigkeit der 5-fachen Nennleistung vor. Ein 5-W-Widerstand muss demnach 5 s bis zu 25 W (125 Joule) handhaben, unabhängig von der Gehäusegröße oder des Widerstandswerts.

Für kürzere Impulse bestimmt das Gewicht des Drahtes den Joule-Wert, der dann vom Widerstandswert, Gehäusetyp, der Größe und der Tatsache abhängt, ob es sich um einen Axial- oder SMD-Baustein handelt. Die Wiederholungsrate und die Impulsform (Rechteck, Dreieck oder unregelmäßig) müssen dabei ebenfalls berücksichtigt werden.

Strommessanwendungen haben andere Anforderungen

Bild 3: Die Impulsform, Wiederholungsrate und Dauer sind zu beachten, um die Energiebelastung richtig einschätzen zu können
Bild 3: Die Impulsform, Wiederholungsrate und Dauer sind zu beachten, um die Energiebelastung richtig einschätzen zu können (Bild: Riedon)

Strommessanwendungen weisen andere Anforderungen auf: Die Überwachung der Batterielebensdauer in einem tragbaren Gerät erfordert ein kleines Gehäuse. Messungen in der Industrie oder in medizintechnischen Geräten erfordern hingegen eine hohe Genauigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen hohe Ströme.

Drahtwiderstände sind extrem genau

Drahtwiderstände bieten ihre Vorteile, wenn es auf Genauigkeit ankommt. Bauteile mit vier Anschlüssen sind z.B. in Widerstandswerten von 0,01 bis 1 kΩ mit einer Genauigkeit von 0,005% und einer Strombelastbarkeit bis zu 25 A erhältlich.

Bifilare Wicklung reduziert Eigeninduktivität

Der am häufigsten genannte Nachteil von Drahtwiderständen, insbesondere im Hinblick auf hohe Frequenzen, ist dessen Eigeninduktivität. Dies kann jedoch mit einer bifilaren Wicklung vermieden werden (Bild 4).

Bild 4: Eine nicht-induktive Wicklung ermöglicht Drahtwiderstände mit minimaler Eigeninduktivität
Bild 4: Eine nicht-induktive Wicklung ermöglicht Drahtwiderstände mit minimaler Eigeninduktivität (Bild: Riedon)

Dabei sind die Drahtwicklungen so angeordnet, dass zwei entgegengesetzte Magnetfelder entstehen (eine Wicklung im Uhrzeigersinn, die andere entgegengesetzt). Die Induktivität hebt sich damit auf. Eine gewisse Restinduktivität, die durch die Anschlüsse und Anschlussleitungen entsteht, bleibt bestehen. Im Vergleich zu einem Standardbaustein verringert sich die Induktivität dadurch um 90%.

Oft gibt es keine Alternative zum Drahtwiderstand

Von Joule-bewerteten Widerständen für die Energieabsorption bis zu miniaturisierten Varianten für die Temperaturmessung – Drahtwiderstände bieten in zahlreichen Anwendungen weiterhin erhebliche Vorteile gegenüber anderen Widerstandsarten.

* Phil Ebbert ist Vice President Engineering bei Riedon in Alhambra, Kalifornien, USA.

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Sehr geehrter Leser, die Angabe im Beitrag ist korrekt. Das genannte Beispiel ist auf der...  lesen
posted am 24.01.2019 um 16:58 von Thomas Kuther

Ein höherer Widerstand lässt sich mit einer Nickel-Chrom-Legierung erzielen, wobei ein solcher...  lesen
posted am 24.01.2019 um 10:58 von Unregistriert

Lieber Leser, die Formel stimmt im Grunde schon: Energie (E) = Leistung (P) x Zeit (t) = v^2 x...  lesen
posted am 23.01.2019 um 15:52 von Thomas Kuther

Ist die Formel im Bild 3 über Power (P) auch nicht falsch?? P= E/t und P=V^2/R, dann E...  lesen
posted am 12.04.2013 um 16:17 von Unregistriert

Eine Antwort der Firma Riedon: I have a reply from Riedon which acknowledged that the winding...  lesen
posted am 12.04.2013 um 15:25 von SLiebing


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