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aus der Roederstein Broschüre von 1966 - ein Artikel von Gerhard Arenhold

Genau wie bei anderen Bauelementen ist es für den Anwender von Widerständen sehr wichtig zu entscheiden, welchen der zahlreichen Widerstandstypen er für seinen Anwendungsfall einsetzen kann.

Das ist von besonderer Bedeutung, wenn die Bauelemente in kritischen Teilen eines Schaltkreises eingesetzt werden, wie z. B. in Spannungsteilern, Gleichstromverstärkern, Rechennetzwerken, Filtern usw. Die Vor- und Nachteile, das Verhalten der Widerstände bei den verschiedenen Umgebungsbedingungen, ihre Konstruktion und die Wirkungsweise müssen hinreichend bekannt sein.

Neben den geometrischen und elektrischen Größen eines Widerstandes, wie Abmessungen, Widerstandswert, -toleranz und Belastbarkeit, machen spezielle Anforderungen an Stabilität, Temperaturkoeffizient, Eigengeräusch, Hochfrequenzeigenschaften, Feuchtebeständigkeit usw. bereits eine Auswahl aus der Vielzahl von Widerstandsarten erforderlich.

Alle Festwiderstände, die in elektrischen und elektronischen Geräten Verwendung finden, können in drei Grundarten eingegliedert werden:

Massewiderstände - Schichtwiderstände - Drahtwiderstände.

Diese Arten unterscheiden sich im wesentlichen in den Abmessungen, den Preisen, den Widerstandsbereichen, der Belastbarkeit aber auch in Charakteristiken wie den Temperaturkoeffizienten, der Lebensdauer usw.

Die folgenden Eigenschaften der drei Grundarten von Widerständen sind Vergleichsmerkmale und nicht absolut zu betrachten. Alle Anforderungen bei einem Anwendungsfall müssen hinsichtlich der Vor- und Nachteile der einzelnen Typen berücksichtigt werden:

Klein - billig - bei richtiger Anwendung gute Zuverlässigkeit - mäßige zeitliche Konstanz - relativ hohes Eigengeräusch - beträchtlich hoher Spannungsund Temperaturkoeffizient - relativ gute Hochfrequenzeigenschaften.

Hohe zeitliche Konstanz - kleiner Spannungs- und Temperaturkoeffizient -gute Hochfrequenzeigenschaften - teurer im Vergleich zu Massewiderständen
- kleinere mechanische Stabilität als Massewiderstände - Ersatz für Präzisionsdrahtwiderstände, wenn Wechselstromeigenschaften von Bedeutung sind - kleine Induktivität und Kapazität.

Sehr hohe zeitliche Konstanz - vernachlässigbarer Spannungskoeffizient -schlechte Hochfrequenzeigenschaften - vernachlässigbares Eigengeräusch -größere Abmessungen im Vergleich zu Masse- oder Schichtwiderständen gleicher Belastbarkeit.

Bevor die einzelnen Widerstandsarten genauer besprochen werden, sollen nachfolgend einige typische Diagramme die wesentlichsten Unterschiede der verschiedenen Typen demonstrieren:

Bild 1
Bild 2
Bild 3
Bild 4

Die nun folgenden Abschnitte sollen in gedrängter Form einen Überblick über die einzelnen Widerstandsarten geben:

Es gibt zwei verschiedene Ausführungen von Massewiderständen, den „Pellet-Type" und den „Filament-Type" (Schichtgemisch-Widerstand).

Der Pellet-Type besteht aus einer nahezu homogenen Mischung von Widerstandsmaterial und organischem Bindemittel. Sie wird zu einem zylindrischen Körper geformt, in dem die Anschlußdrähte eingebettet sind, und mit einer Kunststoffumhüllung versehen. Formung und Umhüllung erfolgt meist in einem Preßvorgang.

Der Schichtgemischwiderstand besteht aus einem kleinen Glasröhrchen, in welches die Anschlußdrähte z.B. eingeschmolzen sind. Das eigentliche Widerstandselement ist ein Kohlegemisch, das als dünner Film auf das Glasröhrchen aufgetragen wird. In einem anschließenden Arbeitsgang wird der Widerstand umpreßt.

Massewiderstände wurden in den USA entwickelt und werden dort auch heute noch in großen Stückzahlen hergestellt.

Die Nenntoleranzen dieser Widerstände liegen nicht unter 5%. Die verschiedensten Einflüsse, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Spannungskoeffizient, Alterung usw., verursachen eine Widerstandsänderung bis zu ±20%. Die Belastbarkeit liegt bei den üblichen Typen bei max. 2 Watt, der Spannungskoeffizient bei etwa -30 x 10"-6/V. Das Eigengeräusch ist größer als bei allen anderen Widerstandsarten. Der Temperaturkoeffizient ist in dem nebenstehendem Diagramm dargestellt.

Massewiderstände sind u. a. in MIL-R-11 und CCTU 04-01 genormt. Deutsche Normen über Massewiderstände existieren nicht.

Besonders in den letzten Jahren haben die Schichtwiderstände durch die sogenannten Dünn- und Dickschichten zahlreiche Varianten erhalten, so daß diese Ausführungsform heute zu dem umfangreichsten Gebiet der elektrischen Widerstände überhaupt gehört.

Sie zeichnen sich durch eine wesentlich höhere elektrische Stabilität als Massewiderstände aus und werden deshalb in sehr vielen Anwendungsfällen diesen vorgezogen. In vielen Schaltungen können sie als Präzisionswiderstände aufgrund ihrer ausgezeichneten Hochfrequenz-Eigenschaften den Präzisionsdrahtwiderstand ersetzen.

Schichtwiderstände werden im allgemeinen aufgrund ihrer verschiedenen Schichtarten in

• Kohleschicht-,
• Metallschicht- und
• Metalloxydschichtwiderstände sowie in
• Dickschichtwiderstände,

zu denen beispielsweise Metalglaze-Widerstände gehören, aufgeteilt.
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Grundsätzlich haben alle Schichtwiderstände gemeinsame Konstruktionsmerkmale. Sie bestehen aus einem Widerstandsmaterial, sei es Metall oder Kohle usw., das auf einem hochtemperaturbeständigen Träger wie Keramik, Glas etc. in kontinuierlichen Schichten aufgebracht wird. Die Form der Widerstandsträger ist dabei von untergeordneter Bedeutung.

Der Widerstandswert ist von der Schichtdicke abhängig und wird vornehmlich bei höheren Widerstandswerten durch Einschleifen einer mehr- oder weniger langen Wendel erziehlt. Die Anschlußdrähte sind entweder an Metallkappen befestigt, die über die Widerstandsschicht gepreßt sind, oder in die mit Bohrungen versehenen und metallisierten Stirnseiten des Widerstandsträgers eingelötet.

Diese Widerstände werden im allgemeinen mit einer oder mehreren Lackschichten umhüllt und für besondere Anforderungen mit einer Kunstharzschicht umgeben oder umpreßt. Für Spezialanwendungen ist der Einbau in Metall-, Glas- oder Keramikrohre vorgesehen.

Alle Arten von Schichtwiderständen zeichnen sich durch relativ niedrige Temperaturkoeffizienten und hohe zeitliche Konstanz gegenüber Massewiderständen aus. Die Spannungskoeffizienten sind sehr klein und die Frequenzabhängigkeit äußerst gering.

Die Herstellung der kristallinen, sogenannten Glanzkohleschicht erfolgt im pyrolytischen Verfahren, d. h. durch Zerlegung eines Kohlenwasserstoffes bei hoher Temperatur, wobei der Kohlenstoff auf einem meist zylindrischen Isolierkörper niedergeschlagen wird.

Die Schichten haften hervorragend auf dem Widerstandsträger und erreichen bei sorgfältiger Herstellung nahezu die Härte von Diamanten. Die Auswahl des Widerstandskörpers ist von entscheidender Bedeutung für die Qualität des Widerstandes selbst.

Die Oberfläche des Körpers muß völlig frei von Löchern, Rissen und anderen Unregelmäßigkeiten sein. Der ganze Widerstandsträger muß ein ausgezeichneter Isolator mit kleinen elektrischen Verlusten und hoher Beständigkeit gegen elektrolytische Effekte bei Anlegen von Gleichspannung sein.

Letzteres ist von besonderer Wichtigkeit, da vornehmlich bei höheren Temperaturen die Ionen-Leitfähigkeit Elektrolyse mit bleibender Änderung des Widerstandswertes zur Folge haben kann. Die Anforderungen an die Widerstandsträger machen es notwendig, ein alkalifreies Isoliermaterial zu verwenden, speziell bei hochohmigen Widerstandswerten, bei denen die Schicht außerordentlich dünn ist und die Eigenschaften der Keramik sich am meisten auf die Qualität des Widerstandes selbst auswirken können.

Der spezifische Widerstand von Kohleschichten ist u. a. von der Schichtdicke abhängig. Genau wie bei Massewiderständen gibt es bei Kohleschichtwiderständen reversible und irreversible Widerstandsänderungen. Die Änderung durch kurzzeitige Einwirkung von Temperatur, soweit die obere Grenztemperatur nicht überschritten wird, ist reversibel.

Bei lang dauernder Beanspruchung der Widerstände durch Temperatur, Feuchtigkeit usw. treten jedoch bleibende Widerstandsänderungen auf.

Sorgfältig hergestellte Kohleschichtwiderstände ändern ihren Widerstandswert bei üblicher Beanspruchung innerhalb eines Jahres, mit Ausnahme der hochohmigen Werte, kaum mehr als 2%. Bessere Stabilität kann noch durch Maßnahmen wie Herabsetzung der Belastung, Kühlung oder dichten Einbau erzielt werden.

Diese Widerstände können hoch belastet werden, wenn sie durch geeignete Umhüllungen vor Luft geschützt sind. Etwa ab +150°C beginnt die Schicht zu oxydieren und hat dann eine bleibende Widerstandsänderung zur Folge.

Im allgemeinen werden auch deshalb für Kohleschichtwiderstände max. Umgebungstemperaturen von +125°C zugelassen, in seltenen Fällen bis +150°C.

Die größten irreversiblen Änderungen bei Kohleschichtwiderständen werden durch langanhaltende Feuchteeinwirkungen hervorgerufen. Dauerbelastung und Feuchteprüfung genügen meist zur Beurteilung der Qualität eines Kohleschichtwiderstandes.

Widerstände dieser Art können mit einer Nenntoleranz bis herab zu ±0,3%
hergestellt werden. Die max. Belastbarkeit ist im allgemeinen bis zu einer Umgebungstemperatur von +70°C zulässig. Der Temperaturkoeffizient ist in allen Fällen negativ und vom Widerstandswert abhängig.

Kohleschichtwiderstände sind genormt in: DIN 41 400, DIN 41 424, DIN 41 425, DIN 44 052 (Entwurf), Mll-R-10 509, CCTU 04-03, CCTU 04-04, CCTU 04-06

Es gibt zahlreiche Methoden, Metallschichten auf Isolierkörpern zu erzeugen, die fast alle für die Herstellung von Schichtwiderständen verwendet werden. Im einzelnen sollen hier folgende Methoden näher beschrieben werden:

A) Einbrennverfahren (z. B. Dekorwiderstände)
Dekorwiderstände sind niederohmige Widerstände, die zum Beispiel durch Einbrennen von Pasten, die aus in organischen Lösungsmitteln fein verteilten Metallen (Ag, Au, Pt) bestehen, hergestellt werden. Das Einbrennen geschieht bei Temperaturen von über 500°C in oxydierender Atmosphäre. Die so aufgebauten Schichten sind verhältnismäßig dick.

B) Herstellung durch elekrolytisches Verfahren
Sind Isolierkörper bereits mit einer leichten Schicht überzogen, so ist die Herstellung niederohmiger Widerstände auch auf elektrolytischem Wege möglich. Für besondere Anwendung werden beispielsweise Kohleschichtwiderstände mit einem Nickelüberzug versehen.

C) Herstellung durch Kathodenzerstäubung
Eine weitere Methode zur Herstellung von Metallschichtwiderständen ist die Kathodenzerstäubung. Da die Zerstäubung speziell von Metallegierungen unterschiedlich verläuft, ist es jedoch schwierig, definierte Legierungsschichten reproduzierbar herzustellen.

D) Herstellung durch Aufdampfen im Hochvakuum
Die seit Jahren in steigendem Maße auf dem internationalen Markt erscheinenden Metallschichtwiderstände werden fast ausnahmslos mit Hilfe des Hochvakuum-Aufdampfverfahrens hergestellt. Der Aufdampfprozeß vollzieht sich in einem Vakuum, das besser als 10"-4 Torr sein soll. Die Verdampfung erfolgt aus dem Schmelzfluß oder auch durch Sublimation der zu verdampfenden Metalle.

Obwohl auch bei 10"-4 Torr keineswegs von „reinen Bedingungen" für den Schichtaufbau die Rede sein kann, sind doch die Verhältnisse gegenüber denjenigen der Kathodenzerstäubung wesentlich stabiler und reproduzierbarer. Andererseits sind es aber gerade die Abweichungen von der normalen Struktur des massiven Metalls, welche die besonderen Effekte, wie z. B. niedrige Temperaturkoeffizienten, ergeben.

Für die Herstellung dieser Widerstände selbst gibt es zwei verschiedene Verfahren. Die heute noch häufigste Art ist das Spindelverfahren, in dem rotierende Rohrkörper aus Isoliermaterial wie Glas und Porzellan in gleichmässiger Geschwindigkeit über die Bedampfungszone bewegt werden. Das andere Prinzip ist die Technologie einer Massenbedampfung, in der die Körper durch ständige Umwälzung in einem Korb allseitig bedampft werden.

E) Herstellung durch Reduktion
Diese Widerstände werden nach Art der Glasverspiegelung durch Reduktion einer alkalischen Silbernitratlösung mit einer Reduktionslösung hergestellt.

Die Zahl der Metalle, die sich nach dieser Methode aufbringen lassen, ist sehr begrenzt. Weitere Anwendung finden auch thermisch leicht spaltbare Metallverbindungen, z. B. Germaniumhydrid, Carbonyle oder auch Halogene.

Die entsprechenden Metallverbindungen werden entweder auf den heißen Widerstandskörper aufgesprüht, oder der heiße Körper wird in die Gasatmosphäre der Gasverbindung gebracht. Durch Reduktion wird der Körper mit der Metallschicht überzogen.

Für alle Metallschichtwiderstände gilt im wesentlichen dasselbe, wie es unter „Kohleschichtwiderstände" beschrieben wurde. Allerdings haben die verschiedenen Metallschichtarten zum Teil recht wesentliche Unterschiedsmerkmale, die nachfolgend aufgeführt sind:

Metallschichten, die im Aufdampfverfahren, bzw. durch Kathodenzerstäubung, hergestellt wurden, zeichnen sich besonders durch einen sehr kleinen Temperaturkoeffizienten sowie eine ausgezeichnete zeitliche Konstanz aus. Die max. Oberflächentemperaturen liegen bei +175° C, die max. Belastbarkeif bei einer Umgebungstemperatur von +125°C.

Im Gegensatz dazu können Metalloxydschichtwiderstände mit Temperaturen bis zu +250°C beaufschlagt werden, die zeitliche Konstanz ist jedoch nicht so gut, der Temperaturkoeffizient liegt bei etwa ±250 x 10"-6/grd.

Metallschichten aus reinen Metallen, wie sie im Dekor- oder auch im elektrolytischen Verfahren hergestellt werden, haben sehr hohe Temperaturkoeffizienten, im allgemeinen in der Größenordnung zwischen +3000 und +4000 x 10"-6/grd.
MetallschichSwiderstände sind genormt in: MIL-R-10 509 CCTU 04-03

Dickschichtwiderstände sind auch unter der Bezeichnung Cermet- und Metalglaze-Widerstände bekannt. Unter Verwendung eines Rakels wird eine Mischung speziell bearbeiteten Glases und Edelmetalls, wie Gold, Platin usw., welche als Suspension in einer Flüssigkeit verteilt ist, auf ein Substrat aufgetragen und bei einer Temperatur zwischen 800 und 1100°C eingebrannt.

Für alle Widerstandswerte ist die Schichtdicke etwa gleich. Die verschiedenen Werte werden außer durch die Form der Fläche durch die Metallart und den Anteil an Metall in der Suspension erzielt. Obwohl diese Widerstandsschichten schwarz aussehen, enthalten sie keine Kohlebestandteile.

Die Kontaktierung zwischen Widerstandselement und Anschlußdrähten erfolgt u. a. durch Einbrennmetalle.

Dickschichtwiderstände zeichnen sich besonders durch eine relativ hohe Belastbarkeit bei sehr kleinen Abmessungen aus. Aus diesem Grunde sind diese Schichten prädestiniert für mikroelektronische Schaltungen. Die Stabilität ist gut, der Temperaturkoeffizient liegt zwischen ±50 und ±250 x 10"-6/grd.
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Drahtwiderstände gehören zu den am längsten bekannten Widerstandsarten. Sie sind hervorragend in der zeitlichen Konstanz und zeichnen sich durch sehr kleine Temperaturkoeffizienten aus. Toleranzen bis zu ±0,01% sind
möglich. Die Hochlasttypen können max. Temperaturen bis zu +300°C ohne Schaden ertragen.

Nachteilig sind die Frequenzeigenschaften sowie die relativ großen Abmessungen, so daß sie bei kleineren Belastungen und weniger kritischen Fällen mehr und mehr von Schichtwiderständen, vornehmlich Metallschichtwiderständen, abgelöst werden.

Der Temperaturkoeffizient liegt im allgemeinen bei 30 x l0"-6/grd, kann aber bei Verwendung von Speziallegierungen bis nahezu Null vermindert werden. Wegen der Verwendung von teilweise sehr dünnen Widerstandsdraht mit einem Druchmesser von 0,02mm sind Drahtwiderstände bei Beanspruchung wie Vibration, Beschleunigung usw. anfällig.

Widerstandswerte über 1 MOhm werden im allgemeinen wegen der erforderlichen großen Dimensionen nicht angefertigt. Üblicherweise werden Drahtwiderstände auf Wickelkörper aus Keramik oder Kunststoff gewickelt.

Die häufigsten Wickelmethoden sind gegensinnige Scheibenwicklung, Chapron- oder Bifilarwicklung. Als Umhüllung wird meistens Kunststoff, in weniger kritischen Fällen Lack, gewählt, bei besonderen Anforderungen - z. B. bei Feuchtigkeit - werden die Widerstände eingekapselt.

Drahtwiderstände sind genormt in: DIN 41 410 MIL-R-26, MIL-R-93, CCTU 04-05, CCTU 04-07

Die nachfolgende Vergleichstabelle stellt die wichtigsten Eigenschaften nochmals in gedrängter Form zusammen und soll dem Anwender die Möglichkeit geben, eine gewisse Vorwahl zu treffen.

Bei dieser Tabelle sind einige Spalten aus Platzgründen glöscht.

1) bei Normalausführung, Hochlasttypen sind nicht berücksichtigt
2) für mittlere Widerstandswerte / TK-Werte x IQ-6/ grd
3) Angaben x 10-6/V
A allgemein
B professionell
C präz. Meß- und Regeltechnik
D Hochbelastbar bei kl. Abmessungen
Literaturhinweis:
Otto Zinke: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe.
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