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Leistungswiderstände
Mit Draht- oder Metallfilmtechnologie
Ratgeber Leistungswiderstände
Inhalt
Was ist ein Leistungswiderstand?
Leistungswiderstände gehören zu einer besonderen Klasse elektrischer Widerstände. Elektrische Widerstände sind elektrisch passive Bauelemente, die den Stromfluss in einem elektrischen Stromkreis begrenzen. Das besondere Hauptmerkmal von Leistungswiderständen ist ihre Eignung für den Einsatz bei hohen Leistungen, d. h. bei sehr hohen Belastungen und daraus resultierenden Temperaturen. Besonderes Augenmerk ist auf die maximale Leistungsaufnahme der Bauelemente durch die Verlustleistung zu richten, die durch die Wärmeentwicklung im Betrieb entsteht.
Leistungsgrenzen - die Leistungsminderungskurve
Die elektrische Leistung ergibt sich aus der Multiplikation von Strom und Spannung oder aus dem Verhältnis von Spannung im Quadrat zum Widerstand oder aus der Multiplikation von Strom im Quadrat zum Widerstand:
P = I*U = I²*R = U²/R
Daher ist die elektrische Leistung eine quadratische Funktion des Stroms oder der Spannung, d.h. eine Erhöhung des Stroms oder der Spannung um z.B. 20% führt zu einer Leistungssteigerung von 44%. Diese Gesetzmäßigkeit muss bei der Auswahl der Komponenten berücksichtigt werden. Weiterhin muss die thermische Abfuhr der Verlustwärme durch die hohe Leistungsaufnahme ermöglicht werden. Die Wärmeabfuhr wird durch die verwendeten Materialien der Widerstandsgehäuse unterstützt. Häufig sind dies Aluminiumgehäuse mit zusätzlich wärmeableitenden Kühlrippen oder Gehäuse aus wärmeableitender Keramik. Zusätzlich werden entsprechend dimensionierte Kühlkörper, meist in Form von Aluminiumplatten, verwendet, auf die der Widerstand ggf. zusammen mit einer Wärmeleitpaste montiert wird. In den Datenblättern von Leistungswiderständen findet sich in der Regel eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der maximal zulässigen Leistung und der Umgebungstemperatur darstellt, die Leistungsminderungskurve.
Gepulster Betrieb
Leistungswiderstände werden zum Schutz der Elektronik eingesetzt, wenn kurzzeitig hohe Ströme aufgenommen werden müssen, um andere Bauteile vor Überlastung zu schützen. Dies kann z.B. beim Ein- und Ausschalten großer Verbraucher oder bei Blitzeinschlägen der Fall sein. Leistungswiderstände eignen sich besonders für solche Anwendungen mit hohen Impulsbelastungen. Ein Beispiel ist der Einsatz in Defibrillatoren. Sie geben in kurzer Zeit eine hohe Energiemenge ab, die von für Impulsbetrieb spezifizierten Leistungswiderständen für diese Impulszeit problemlos aufgenommen werden kann. Bei geeigneten Modellen sind die Daten für den gepulsten Betrieb im Datenblatt angegeben. Diese Werte ändern sich je nach Widerstandswert, Pulswiederholrate und Betriebstemperatur.
Materialtechnologien von Leistungswiderständen
Die am weitesten verbreiteten Technologien für Leistungswiderstände sind die Metalldrahttechnologie und die Metallfilmtechnologie. Die beiden Technologien unterscheiden sich grundsätzlich im Aufbau des Widerstandselementes, in den verwendeten Materialien und den daraus resultierenden Eigenschaften.
Drahtgewickelte Widerstände
Bei der Herstellung von Drahtwiderständen wird ein Draht um einen Trägerkern gewickelt. Präzisionsdrahtwiderstände zeichnen sich durch eine besonders hohe ESD-Festigkeit, ein geringes Rauschen und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten aus. Bedingt durch die Wicklung haben diese Bauelemente jedoch nicht zu vernachlässigende Induktivitäts- und Kapazitätswerte, die bei Hochfrequenzanwendungen zu Problemen führen können. Es gibt verschiedene Wickelverfahren für diese Bauelemente, die je nach Verfahren unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Siehe hierzu unseren Leitfaden zu Drahtwiderständen. Drahtwiderstände erreichen jedoch eine vergleichsweise bessere Langzeit- und Temperaturstabilität als Metallfilmwiderstände und können durch Anpassung der Wicklung mit bestimmten kundenspezifischen Widerstandswerten geliefert werden.
Metallfilm- / Dünnschichtwiderstände
Metallfilmwiderstände sind vor allem für Hochfrequenzanwendungen von Vorteil, da sie sehr niedrige Induktivitäts- und Kapazitätswerte aufweisen. Zur Herstellung von Metallfilmwiderständen werden verschiedene Verfahren angewandt. Eine dünne Metallschicht (der Dünnfilm) wird auf ein keramisches Substrat aufgebracht. Diese Schicht weist auf einer vergleichsweise kleinen Fläche einen hohen Widerstand auf. Je nach gewünschtem Widerstandswert wird die Schichtdicke variiert. Grundsätzlich zeigen Dünnschichtwiderstände ein ausgeprägtes Alterungsverhalten, da die dünne Schicht anfällig für Oxidation und Selbstätzen ist. Für Präzisionsbauteile wird die Schicht daher künstlich vorgealtert.
Kelvin-Anschluss - Vierleitermessung
Einige Modelle von Leistungswiderständen bieten neben den beiden Standardanschlüssen optional zusätzliche Ausgänge, die eine 4-polige Kelvin-Messung ermöglichen. Wenn der Widerstandswert des Leistungswiderstandes besonders klein ist, können die Anschlusswiderstände (und/oder andere Widerstände in der Leitung) ähnlich groß sein wie der Leistungswiderstand selbst. In diesem Fall kann der Spannungsabfall am Leistungswiderstand und damit die vom Leistungswiderstand selbst aufgenommene Leistung nicht mehr direkt über den gesamten Spannungsabfall an den Zu- und Ableitungen überwacht werden.
Die beiden zusätzlichen Anschlüsse ermöglichen die direkte Messung des Spannungsabfalls am Widerstand über ein weiteres Messgerät. Damit ist der Strom berechenbar, da der Widerstand bekannt ist, und zusätzlich ist die Leistung am Leistungswiderstand berechenbar. Das System kann somit während des Betriebes überwacht werden.
Leistungswiderstände sind hochbelastbar und für hohe Temperaturbereiche ausgelegt. Sie widerstehen hohen Spannungen und Leistungen bei hoher Präzision mit engen Toleranzen. Je nach Widerstandselement weisen sie ein hervorragendes Impulsverhalten und geringes Stromrauschen bei hoher Zuverlässigkeit auf. Optimal gestaltete wärmeableitende Widerstandsgehäuse eröffnen zudem ein breites Anwendungsfeld.
Unser Portfolio deckt Leistungswerte für Präzisionsanwendungen ab. Nahezu jeder Widerstandswert ist im Rahmen der technischen Möglichkeiten realisierbar. Spezielle Verfahren ermöglichen z.B. die Herstellung von Widerständen mit kleinsten Induktivitäten und die Anpassung der Anschlüsse in Lage und Rastermaß an Ihre Anwendung.
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