Bauelemente und ihre Bauarten - Ein Artikel für's Hifi-Wissen-Forum!

Hallo zusammen,

ich spiele mit dem Gedanken, eine kleine, unkomplizierte „Abhandlung“ über die verschiedenen Bauarten von elektrischen Bauelementen zu schreiben. So soll eine Entscheidungshilfe entstehen, wenn es darum geht für eine Schaltung, deren Bauplan man hat und die es nach zubauen gilt, das passende Bauelement auszuwählen, wobei ich mich vornehmlich an Anfänger im Bereich Elektronik richten möchte. Also keine unnötig komplizierten Formeln. Ich habe hier einfach mal, als Beispiel, ein wenig über Widerstände geschrieben. Wenn das auf Zustimmung stößt würde ich dann nach und nach erweitern und VDR, PTC/NTC sowie Bauformen von Kondis/ElKos, Spulenbeschreiben und vll. auch zu Halbleitern allgemein und zu Dioden und deren Untergruppen (PIN, Zener, Spitzen-, Tunnel-, Kapazitätsdioden usw.), Transistoren und FETs was sagen.
Verbesserungsvorschläge und/oder inhaltliche Diskussion oder solche, die die Formulierung betreffen, sind natürlich explizit erwünscht!


Also, hier mein Widerstands-Draft:

Einleitung

Ein jedes Material auf unserer Welt besteht bekanntlich aus Atomen, welche sich wiederum in einen Atomkern (bestehend aus Neutronen und Protonen) und eine Atomhülle, bestehend aus Elektronen, zusammensetzen. Diese Elektronen bzw die Steuerung und Nutzung ihrer Bewegung bilden die Grundlage für die gesamte Elektrik.
Diese Elektronen können sich in verschiedenen Materialien verschieden gut bewegen, denn zum einen variiert je nach Material die Zahl der Elektronen, welche nicht an ein Atom fest gebunden sind (freie Elektronen), und zum anderen variiert auch die Beweglichkeit der nicht-gebundenen Elektronen je nach Material.
Daraus kann man folgern, dass ein Leiter einem Stromfluss, also der Bewegung von Elektronen durch ihn hindurch, je nach Material verschieden gut gestattet. Oder negativ formuliert, dem Stromfluss einen verschieden großen Widerstand entgegensetzt.

Zusammengefasst bedeutet das:
Bei einem konkreten Stück Materie, zB einem Stück Draht, der als Leiter fungieren soll, hängt der Widerstand von dessen Länge, seiner Fläche orthogonal zur Stromrichtung (also der Fläche, die der Strom „Platz“ hat, den Leiter zu durchqueren, und dem spezifischen Widerstand des Materials ab. Ausserdem spielt noch die Temperatur mit hinein, dazu an geeigneter Stelle mehr.

Widerstände

Wenn wir nun also einen Widerstand als Bauelement kreieren wollen, müssen wir im Prinzip nur ein geeignetes Material auf eine bestimmte Dicke und Länge bringen, an den Enden kontaktieren und fertig ist unser Widerstand. Diese Prinzip wird auch bei allen Widerständen so angewandt, wenn auch die Umsetzung sehr unterschiedlich ausfallen kann.

Widerstandsrauschen

Beim Widerstandsrauschen ist zu unterscheiden zwischen dem Stromrauschen und dem thermischen Rauschen.

Stromrauschen entsteht immer dann, wenn ein Strom durch den Widerstand fließt. Dieses Rauschen bildet sich z.B. durch unsichere Kontaktgabe zwischen Anschlussdraht und dem Widerstand. Durch diese unsichere Kontaktierung schwankt der effektive Widerstandswert des Bauteils. Ein durch den Widerstand fließender Strom erzeugt nun also an dem "schwankenden" Widerstand einen ebenfalls schwandkenden Spannungsabfall, das Stromrauschen.
Dieses Rauschen ist wie gesagt bauart- und materialbedingt. Weiter ist es dem Strom proportional. Man kann dieses Rauschen also schaltungsmässig und vor allem durch die richtige Bauteilwahl (Metallfilm-Widerstand) beeinflussen.

Thermisches Rauschen entsteht weil in einem leitenden Material (widerstands- und temperaturabhängig) zufällig Elektronen durch ihre thermische Bewegung an den Anschlüssen ein- und austreten. Dieses Rauschen ist NICHT materialabhängig und kann deshalb nicht durch geschickte Wahl des Bauelements beeinflusst werden.
Beim Bau hochempfindlicher Verstärker (Mikrofone, MC-Systeme) ist auf dieses Rauschen zu achten und es kann durch entsprechende Schaltungsauslegung beeinflusst werden.

Deutsch und Englisch
An dieser Stelle möchte ich auf eine manchmal etwas hinderliche Eigenschaft der deutschen Sprache hinweisen: Bei „uns“ hat ein Widerstand (Bauelement) einen Widerstand (als Eigenschaft). Im Englischen ist das eindeutiger: Ein „resistor“ hat eine „resistance“. In deutschen Texten ist es also dem Kontext zu entnehmen, ob von dem Bauelement oder dessen Eigenschaft die Rede ist.
Mit diesem Hintergrundwissen schauen wir uns nun die verschiedenen Bauformen der Widerstände an:


Der Drahtwiderstand
Der Drahtwiderstand entspricht am ehesten der „straight forward“ -Umsetzung des oben beschriebenen Prinzips. Ein Draht aus einer speziellen Legierung (Mischung verschiedener Metalle) wird, um Platz zu sparen, auf einen Körper gewickelt und an den enden Kontaktiert. Da der Widerstand sich bei Gebrauch erwärmt, wird als Wickelkörper eine Keramik verwendet, denn Keramiken sind sehr temperaturbeständig.
Deshalb ist ein solcher Widerstand auch hoch belastbar, prinzipiell sind der Belastbarkeit erst da Grenzen gesetzt, wo der Widerstand beginnt sich selbst auszulöten. Auch eine kurzzeitige Überlastung macht den Widerstand nichts aus.
Ein gravierender Nachteil für den Einsatz im Hifi-Bereich ist die hohe parasitäre Reiheninduktivität dieser Widerstände, bedingt durch die Wickelung des Drahtes entsteht praktische eine Spule. Das bedeutet dass der Widerstand mit steigender Frequenz immer undurchlässiger für Ströme wird.
Ein solches Verhalten ist in vielen Anwendungen aber unerwünscht, man versucht ja, das ideale Bauelement, den reinen Widerstand, möglichst genau nachzubilden. Um diesen Nachteil der Drahtwiderstände zu mildern, gibt es die so genannte „Bifilarwicklung“: Der Widerstandsdraht wird in seiner Mitte gefaltet, und dann wird der gefaltete „Doppeldraht“ um den Keramikkörper gewickelt. Der Strom fließt nun durch die erste Hälfte des Drahtes durch die parasitäre Spule, und im zweiten Teil des Drahtes wieder durch eine parasitäre Spule, allerdings in genau umgekehrter Richtung, wodurch sich die beiden Spulen in ihrer Wirkung fast aufheben. Aber leider nur fast. Deshalb ist der Einsatz solcher „Induktivitätarmer Drahtwiderstände“ in der Industrie auch nur bis ca. 200 kHz sinnvoll.
Im Hifi-Bereich ist ein Einsatz solcher Widerstände aber je nach Anwendung auch im Tonfrequenz-Bereich nicht ideal, zumal hier ja nur selten eine Belastbarkeit im zig-Watt Bereich gefordert ist, es gibt also meist geeignetere Bauformen. Hinzu kommt, dass ein bifilar gewickelter Widerstand nicht mit so hohen Spannungen betrieben werden kann wie ein normal gewickelter, da beim Bifilaren die Widerstandsdrahtenden direkt nebeneinander liegen und so Überschläge schneller möglich sind.

Gängige Anschlüsse für Drahtwiderstände sind Lötfahnen, Schellen (bei großen Bauformen), Draht für Leiterplattenbestückung. Gängige Schutzschichten sind mit steigender Wertigkeit Lack (temperaturempfindlich), Zement(Temperaturresistent aber Feuchtedurchlässig), Glasur(Keramikähnlich, temperaturbeständig und guter Schutz gegen äussere Einflüsse wie Feuchte, Staub, Luft usw.). Alle Schutzbeschichtungen verrinngern die maximale Dauer- und Impulsbelastbarkeit, weil sie die Fähigkeit, Wärme an die Umgebung abzugeben, verringern!


Der Massewiderstand
Der Massewiderstand besteht, wie sein Name schon sagt, aus einer kontaktierten Widerstandsmasse, welche zB eine Mischung aus Kohle und einem Bindemittel sein kann. Diese Masse wird mit den Anschlußdrähten verpresst und durch ein Plastikgehäuse oder Lackierung isoliert und geschützt. Diese Widerstandsform ist gut Impulsbelastbar und zeigt auch ein gutes Verhalten im HF-Bereich. Nachteilig ist hier, dass man Massewiederstände Bauartbedingt nicht abgleichen kann (Siehe unten bei "Schichtwiderstände) und sie durch die Art der Kontaktierung ein großes Rauschen aufweisen. Massewiederstände werden im Hifi-Bereich nicht eingesetzt, sie sind eher für Motorsteuerungen und andere "grobe" Aufgaben geeignet.


Der Schichtwiderstand
Schichtwiderstände besitzen ebenfalls einen Kern aus einer Keramik. Auf diese wird nun eine durchgehende Schicht aus leitfähigem Material aufgebracht. Dieses Material ist meist Kohle oder ein Metall oder Metalloxid und wird durch Aufdampfen (im Vakuum), durch Elektrolyse oder durch Tauchen aufgebracht. ### abgleichen, verschiedene schliffe ###, toleranzen

####E-Reihen###

Der Schichtwiderstand
Schichtwiderstände besitzen ebenfalls einen Kern aus einer Keramik. Auf diese wird nun eine durchgehende Schicht aus leitfähigem Material aufgebracht. Dieses Material ist meist Kohle oder ein Metall oder Metalloxid. Es wird durch Aufdampfen (im Vakuum), durch Elektrolyse oder durch Tauchen aufgebracht.
Diese Fertigungsprozesse sind gut steuer- und regelbar, wodurch sich Schichtwiderstände mit geringen Toleranzen von wenigen Prozent fertigen lassen. Schichtwiderstände können durch einen nachfolgenden Prozess, das abgleichen, sogar mit einer Genauigkeit von 0,1% gefertigt werden. Dazu wird der Widerstand zunächst so gefertigt, dass sein Widerstandswert leicht unter dem angestrebten Wert liegt. Anschließend werden so lange, zB durch einen Laser, Teile der leitenden Schicht abgetragen, bis der Widerstand den gewünschten Wert erreicht hat.
Diese in die leitende Bahn gelaserte Furche läuft normalerweise Spiralförmig um den kreiszylindrischen Keramikkern. Man nennt dies Wendelschliff. Das hat den Nachteil, dass die Widerstandsbahn nun praktisch um die Keramik gewickelt ist (Wie beim Drahtwiderstand, s.o.), dadurch also eine ungewollte Induktivität geschaffen wird. Problematisch ist hier zusätzlich, dass man dem Widerstand nicht ansieht, wie stark er nachträglich abgeglichen wurde, die parasitäre Induktivität kann also bei Widerständen aus der selben Fertigung stark abweichen und ist nur mit großzügiger Fehlerabschätzung vorhersagbar.
Man hat aber auch für Schichtwiderstände einen Weg gefunden, diese ungewünschte Eigenschaft zu verringern. Dazu wird die leitende Schicht nicht Wendelförmig abgetragen, sondern so, dass die Übrig bleibende leitende Bahn sich mäanderförmig um die Keramik "schlängelt". Die nun auftretenden Induktivitäten kompensieren sich weitgehend, ähnlich wie bei der Bifilarwicklung von Drahtwiderständen. Dies nennt man Mäanderschliff.
Schichtwiderstände, besonders Metall- und Metalloxidschichtwiderstände sind sehr rauscharm.
Diese Rauscharmut in Kombination mit der Verfügbarkeit von Serien mit sehr geringer Toleranz und dem moderaten Preis machen Schichtwiderstände in vielen Hifi-Anwendungen zum Mittel der Wahl.

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1) Könnte das bei Gelegenheit ein Mod in den ersten Beitrag editieren? Ein entsprechender "Platzhalter" (ganz unten über ####E-Reihen###) existiert bereits, diesen bitte ersetzen!

2) Weiß jemand was über andere abgleichmethoden für Schicht-Rs, die keine Parasitär-Ls verursachen? Ätzen? Anderer schliff? Wäre über Input dankbar!

Liebe Grüße,
Benjamin, der jetzt erstmal ein aufmacht