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Drahtwiderstände
Widerstände für hohe Nennleistungen
Ratgeber Drahtwiderstände
Inhalt
Was ist ein Drahtwiderstand?
Drahtwiderstände gehören zu den elektrisch passiven Bauelementen, die den Stromfluss in einem elektrischen Stromkreis begrenzen. Von besonderer Bedeutung ist, wie der Name schon sagt, der verwendete Metalldraht, der als Widerstandsmaterial dient. Er ist entscheidend für die Qualität sowie die Funktion und bestimmt mit den drei Faktoren
- Material des Drahtes
- Länge des Drahtes
- Querschnitt des Drahtes
maßgeblich den Widerstandswert.
Die spezifischen Materialeigenschaften sowie die Länge und der Querschnitt des Drahtes bestimmen, wie stark der elektrische Stromfluss beeinflusst wird. Materialien mit einem hohen Widerstand führen zu einer geringen Stromstärke. Die Stromstärke selbst entsteht durch die Bewegung der elektrischen Ladungsträger, d. h. der Elektronen im Leiter, wenn an den Enden eine Spannung angelegt wird. Das elektrische Feld, das durch die Spannung entlang des Leiters erzeugt wird, führt zu einer Beschleunigung der negativ geladenen Elektronen. Der elektrische Widerstand entsteht nun durch Stöße im Material, die dazu führen, dass die Elektronen im Leiter Energie verlieren: Ein Teil der kinetischen Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Die Elektronen bewegen sich langsamer, wodurch der Strom sinkt.
Lange Drähte erzeugen einen höheren Widerstand als relativ kurze. Erhöht man jedoch den Querschnitt des Leiters, so sinkt der Widerstand. Daraus lassen sich drei Prämissen ableiten: Der elektrische Widerstand eines drahtgewickelten Widerstandselements ist
a) direkt proportional zum spezifischen Widerstand des Metalldrahtes
b) direkt proportional zur Länge des Metalldrahtes
c) umgekehrt proportional zum Querschnitt des Metalldrahtes
Im Allgemeinen kann ein Widerstand mit einer größeren Masse mehr Energie pro Zeiteinheit aufnehmen und abgeben und ist daher für höhere Betriebsleistungen geeignet, was eine wesentliche Stärke von Drahtwiderständen ist.
Aufbau, Komponenten und Drahtlegierungen
Ein Drahtwiderstand besteht aus einem Widerstandselement mit Trägerkern und Metalldraht, elektrischen Anschlüssen und einer Ummantelung.
Das Widerstandselement besteht aus einem Metalldraht, der um einen Trägerkern aus nicht leitendem Material gewickelt ist. Die meisten Drahtwiderstände haben einen Keramikkern, aber auch Kunststoff oder Glas werden verwendet. Das Drahtmaterial besteht aus bestimmten Legierungen wie z. B. Nickel-Chrom, Kupfer-Nickel-Mangan oder Eisen-Chrom. Die elektrischen Anschlüsse bestehen überwiegend aus verzinntem Kupfer und sind für axiale oder radiale Anwendungen ausgelegt. Das Widerstandselement ist mit Keramik oder Epoxid beschichtet und dient dem physikalisch-mechanischen Schutz, der Isolation sowie der Wärmeableitung. Für höchste Wärmeverlustleistungen und hohe Leistungsaufnahmen werden z.B. Widerstandselemente in Aluminiumgehäusen mit Lamellen eingesetzt. Die Gehäuseoberfläche wird zur Isolation zusätzlich eloxiert.
Wicklungsarten
Drahtwiderstände haben konstruktionsbedingt (gewickeltes Bauteil) eine gewisse Kapazität und Induktivität. Dadurch haben sie im Vergleich zu anderen Widerstandstypen relativ schlechte Hochfrequenzeigenschaften. Bei Gleichstromanwendungen sind die parasitären Kapazitäten und die Selbstinduktion weniger problematisch als bei Wechselstromanwendungen. Um diese Effekte generell zu reduzieren, gibt es verschiedene Wicklungstypen:
- Bifilar Wicklung
- Ayrton-Perry Wicklung
Je nach Anforderung der Applikation wird die entsprechende Wicklung verwendet.
Produktion und Qualitätsmerkmale von Drahtwiderständen
Damit die Widerstandsdrähte optimale Eigenschaften aufweisen, werden sie vor dem Wickeln in Klimaschränken und durch Langzeitlagerung künstlich vorgealtert. Das Wickeln von Präzisionsdrahtwiderständen mit dünnen und feinsten Drähten ist nach wie vor eine Kunst, die nicht immer von Wickelautomaten übernommen werden kann. Die Drähte sind so fein und die Spulen oft so klein, dass sie zum Teil nur von geschickten Händen unter dem Mikroskop bearbeitet werden können. Beim Wickeln ist darauf zu achten, dass die mechanische Spannung des Drahtes für eine feste Wicklung ausreicht, der Draht aber nicht reißt und genügend Raum für die thermische Ausdehnung im Einsatz bleibt. Bereits beim Wickelvorgang ist zu berücksichtigen, dass sich der Widerstand während des anschließenden Alterungsprozesses ändert. Diesem Effekt wird dadurch Rechnung getragen, dass etwas mehr oder weniger Widerstandsdraht verwendet wird, als sich aus der Berechnung der Drahtlänge ergibt.
Je nach Anwendung werden für das Widerstandselement geeignete Wicklungsarten verwendet, um den Effekt der Induktivität zu reduzieren. Diese Arbeitsschritte sind aufwendiger und müssen mehrfach durch Wechsel der Wickelrichtung unterbrochen werden. Bei Messwiderständen spricht man von induktivitätsarmer Mehrkammerwicklung mit mehrfacher Wicklungsumkehr.
Das Alterungsverfahren besteht in erster Linie aus einer zyklischen Wiederholung von niedrigen und hohen Temperaturen in einem Klimaschrank unter spezifizierter Belastung, um die geforderte Endstabilität zu erreichen. Dieses Verfahren ist notwendig, da die Drähte durch das Wickeln gespannt und durch den thermischen Alterungsprozess wieder entspannt werden. Hochgenaue Messwiderstände werden anschließend noch mit einer Impulsüberlast belastet, um eine weitere Erhöhung der Stabilität zu erreichen. Anschließend werden alle Widerstände geprüft und auf die geforderten Werte abgeglichen.
Applikationen
Die Anforderungen an Drahtwiderstände sind je nach Anwendung sehr unterschiedlich. Präzisionsdrahtwiderstände werden typischerweise in Präzisions-AF-Dämpfern, Messbrücken und Kalibriergeräten eingesetzt. Für die Überwachung der Batterielebensdauer in mobilen Handheld-Anwendungen ist neben den elektrischen Eigenschaften der Widerstände die Baugröße von besonderer Bedeutung. In der Medizintechnik wird meist eine hohe Genauigkeit gefordert, während für industrielle Anwendungen vor allem die Eignung für hohe Ströme von Interesse ist.
Drahtwiderstände werden vor allem als Überspannungsschutz eingesetzt. Überall dort, wo kurzzeitig hohe Ströme aufgenommen werden müssen, um andere Bauteile vor Überlastung zu schützen, sei es beim Ein- und Ausschalten großer Verbraucher oder auch bei Blitzeinschlägen. Sie eignen sich daher besonders für Anwendungen mit hohen Impulsbelastungen. Ein Beispiel ist der Einsatz in Defibrillatoren. Diese geben in kurzer Zeit eine hohe Energiemenge ab, die von Drahtwiderständen für diese Impulsdauer problemlos aufgenommen werden kann.
Drahtwiderstände haben hervorragende Eigenschaften für hohe Nennleistungen, widerstehen hohen Impulsbelastungen sowie Transienten und können große Energiemengen aufnehmen. Nahezu jeder Widerstandswert, jede Genauigkeit und Zuverlässigkeit sind im Rahmen der technischen Möglichkeiten realisierbar. Aufgrund der verwendeten Materialien sind sie sehr robust und weisen ein sehr geringes Stromrauschen auf.
Mit diesen Eigenschaften erfüllen sie die Anforderungen an Präzisions- und Leistungswiderstände. Letztere sind mit einer Belastbarkeit bis zu mehreren hundert Watt und Temperaturen bis 350 °C erhältlich. Die konstruktiven Merkmale ermöglichen eine exakte Einstellung des Widerstandswertes. Dies bietet beste Voraussetzungen für kundenspezifische Anpassungen auch bei relativ kleinen Stückzahlen.
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