Ein PCB-Widerstand ist ein passiver PCB-Komponente Die den Stromfluss im Schaltkreis steuern oder begrenzen können. Von fest bis variabel, von oberflächenmontiert bis bedrahtet und von linear bis nichtlinear – Leiterplattenwiderstände gibt es in verschiedenen Ausführungen, um den unterschiedlichen Anforderungen der Schaltung gerecht zu werden. Dieser Blogbeitrag beschreibt verschiedene PCB-Widerstandstypen und die entscheidenden Faktoren bei der Auswahl des idealen Widerstands. Mit diesem Wissen fällt es leicht, eine fundierte Entscheidung wie ein Profi zu treffen.
Verschiedene Arten von PCB-Widerständen
Abhängig davon, ob der Widerstandswert einstellbar ist, vom Strom-Spannungs-Verhältnis und von der Montageart, werden PCB-Widerstände in drei Typen eingeteilt: feste und variable Widerstände, lineare und nichtlineare Widerstände sowie SMD- und Durchsteckwiderstände.
Behoben und variable Widerstände
- Behoben Widerstände
Der Widerstand eines Festwiderstands ist konstant. Festwiderstände können aus Materialien wie Metall, Kohlenstoff, Keramik usw. bestehen und sind in vielen Ausführungen erhältlich. Die fünf gängigen Festwiderstände werden im Folgenden ausführlich erläutert.
- Kohleschichtwiderstände
Kohleschichtwiderstände aus Keramikpulver und Kohlenstoffpartikeln sind die ältesten Widerstände. Sie sind kostengünstig und haben eine Nennleistung von 1/4 bis 2 Watt, weisen aber aufgrund des Temperatureffekts eine geringe Toleranz von ±10 % auf. Kohleschichtwiderstände sind zwar kommerziell stabil, verursachen aber Störungen und weisen Probleme mit dem Spannungskoeffizienten auf. Diese PCB-Widerstände werden für allgemeine Anwendungen eingesetzt, bei denen Genauigkeit keine entscheidende Rolle spielt.
- Drahtgewickelte Widerstände
Drahtgewickelte Widerstände werden durch Wickeln von Widerstandsdraht (Manganin oder Nichrom) um einen isolierenden Stab oder Kern aus Keramik, Glas oder Kunststoff hergestellt. Diese PCB-Widerstände eignen sich für Hochleistungsanwendungen, können bis zu 100 Watt oder mehr verarbeiten und haben typischerweise eine handelsübliche Toleranz von etwa ±5 %. Drahtgewickelte Widerstände haben jedoch einen hohen Induktivitätseffekt und eignen sich daher nicht gut für Hochfrequenzschaltungen.
- Schmelzwiderstände
Schmelzwiderstände sind unter normalen Bedingungen dasselbe wie Standard-Festwiderstände. Sie verfügen jedoch über eine integrierte Schmelzsicherung, die bei zu hohem Strom schmilzt und den Stromkreis vor Überlastung schützt. Sie werden in Stromversorgungs- und Verteilungskreisen eingesetzt und können durch manuelles Auswechseln des Sicherungsdrahtes zurückgesetzt werden.
- Metallfilmwiderstände
Ein dünner Film aus Zinnoxid oder Nickel-Chrom wird auf einem Keramiksubstrat abgeschieden, um Metallschichtwiderstände zu erzeugen, die für verbesserte Stabilität und Genauigkeit sorgen. Hohe Toleranz (±1 %) und Temperaturstabilität sind die Hauptmerkmale dieser PCB-Widerstände, und die Nennleistungen reichen von 1/10 bis 1 Watt. Sie halten höheren Spitzenspannungen stand und haben einen geringeren Spannungskoeffizienten.
- Metalloxidfilmwiderstände
Metalloxidschichtwiderstände verwenden anstelle einer Metallschicht ein Metalloxidmaterial wie Zinnoxid. Sie sind mit Toleranzen von bis zu ±0.5 % sehr genau und bleiben über Zeit und Temperatur hinweg sehr stabil. Diese PCB-Widerstände bieten dank ihrer geringen thermischen EMK Rauschunterdrückung und eignen sich gut für Hochfrequenzanwendungen bis zu GHz. Metalloxidschichtwiderstände sind zudem sehr zuverlässig und impulsbeständig. Aufgrund dieser Eigenschaften werden sie häufig in hochpräzisen Prüfgeräten eingesetzt.
- Variable Widerstände
Variable Widerstände, die den Widerstandswert verändern können, werden häufig zur Regelung der Spannungs- und Stromstärke im Schaltkreis verwendet. Es gibt zwei Haupttypen: Potentiometer und Rheostate.
- Potentiometer
Potentiometer haben drei Anschlüsse. Die Position eines Anschlusses (Schleifkontakt) wird durch Drehen des Knopfes eingestellt. Durch Drehen des Knopfes bewegt sich der Schleifkontakt relativ zum festen Draht, wodurch sich das Widerstands-Spannungs-Teilungsverhältnis ändert und so eine Spannungs- oder Signalanpassung ermöglicht wird. Diese PCB-Widerstände werden häufig zur Lautstärkeregelung in Audiosystemen eingesetzt, da sie die Lautstärke stufenlos von niedrig auf hoch oder umgekehrt regeln und auch bestimmte Schaltungsparameter einstellen können.
- Rheostate
Variable Widerstände haben nur zwei Anschlüsse, von denen einer mit der Stromquelle des Schaltkreises und der andere mit der Masse verbunden ist. Im Gegensatz zum Funktionsprinzip von Potentiometern befinden sich im Inneren keine Drähte, und der durch sie fließende Strom wird durch Verstellen der Gleitkontakte gesteuert.
Linear als auch Nichtlineare Widerstände
- Lineare Widerstände
Wenn sich die angelegte Spannung ändert, ändern lineare Widerstände ihren Stromwert exakt linear proportional. Diese Widerstände folgen stets dem Ohmschen Gesetz und können fest oder variabel sein.
- Nichtlineare Widerstände
Nichtlineare Widerstände folgen nicht dem Ohmschen Gesetz, und der Strom variiert nichtlinear proportional zur angelegten Spannung. Dieser PCB-Widerstandstyp kann auch variable oder feste Widerstände sein. Nachfolgend sind einige häufig verwendete nichtlineare Widerstände aufgeführt.
- Thermistoren
Thermistoren können zur Erkennung kleiner Temperaturänderungen eingesetzt werden. Der Widerstand ändert sich mit der Temperatur, was zu einer Stromänderung führt. Dieser PCB-Widerstand wird häufig in Fahrzeugen, Akkus, Thermometern und Unterhaltungselektronik eingesetzt.
- Varistoren
Varistoren bestehen typischerweise aus Halbleitermaterialien, und ihr Widerstand variiert mit der angelegten Spannung. Sie können hohe transiente Spannungen effektiv unterdrücken. Da Varistoren bei niedrigen Spannungen einen hohen Widerstand aufweisen, sinkt ihr Widerstand oberhalb einer bestimmten Spannung deutlich. Diese Eigenschaft macht sie ideal für den Einsatz als Überspannungsschutz, um Schäden an empfindlichen elektronischen Geräten zu verhindern.
- Lichtabhängige Widerstände
Lichtabhängige Widerstände werden auch Fotowiderstände genannt. Ihr Widerstandswert hängt von der Intensität des einfallenden Lichts ab. Im Dunkeln ist der Widerstandswert am höchsten, mit zunehmender Lichtmenge sinkt er. Sie bestehen aus Halbleitermaterialien wie Cadmiumsulfid oder Cadmiumselenid.
SMD Widerstände und Durchgangslochwiderstände
PCB-Widerstände werden je nach Montagemethode in SMD- und THT-Widerstände unterteilt. Im Folgenden sind gängige Typen von Leiterplattenwiderständen in jeder Kategorie aufgeführt.
- Durchgangslochwiderstände
- axial RWiderstände
Die Anschlüsse axialer Widerstände verlaufen von beiden Enden des Widerstands und sind in einer geraden Linie angeordnet. Dieser PCB-Widerstand ist einfach aufgebaut, günstig und eignet sich für großzügige Layouts.
- Radial RWiderstände
Die Anschlüsse der Radialwiderstände werden in einem gemeinsamen Doppelreihenmuster von derselben Seite abgeführt. Dies benötigt weniger Platz auf der Platine und eignet sich gut für kompakte und hochdichte Layouts.
- Dual-Inline PPaket (DIP) RWiderstand NNetzwerke
Das Through-Line-Gehäuse-Widerstandsnetzwerk enthält mehrere Widerstände in einem Gehäuse mit Dual-In-Line-Gehäuse. Es ist kompakt und eignet sich gut für Schaltungsdesigns, die mehrere Widerstände erfordern, wie z. B. IC-Konfigurationen.
- SMD-Widerstände
- Chip RWiderstände
Chip-Widerstände sind kleine rechteckige Widerstände, die direkt auf die Leiterplatte gelötet werden. Sie sind kostengünstig und klein und werden häufig im Schaltungsdesign mit hoher Dichte eingesetzt.
- Netzwerk RWiderstände
SMD-Widerstandsnetzwerke sind identisch mit DIP-Netzwerken, jedoch oberflächenmontierbar. Sie enthalten mehrere Widerstände in einem Gehäuse und eignen sich besonders gut für Schaltungen, die mehr als einen Widerstand benötigen, da sie Platz sparen und die Installation vereinfachen.
Wie wählt man die Ideal PCB Widerstand?
Bei der Auswahl eines PCB-Widerstands sollten diese sieben Faktoren berücksichtigt werden. Lassen Sie uns diese Faktoren einzeln untersuchen.
Widerstandswert
Analysieren Sie zunächst den Schaltungsentwurf oder das Schema und ermitteln Sie anschließend mit dem Ohmschen Gesetz den für die Schaltung benötigten Widerstandswert. Der Widerstandswert gibt die Strommenge an, die durch einen bestimmten Abschnitt der Schaltung fließen darf, und hilft bei der Bestimmung des Spannungspegels.
Leistungsbewertung
Die Verlustleistung des Leiterplattenwiderstands lässt sich mit der Formel P = V²/R oder P = I²R berechnen. Um Überhitzung zu vermeiden und die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, empfiehlt es sich, den Leiterplattenwiderstand doppelt so leistungsstark zu machen wie die berechnete Leistung. Bei Anwendungen in schlecht belüfteten oder heißen Bereichen ist eine höhere Leistung erforderlich. Leistungsstärkere Widerstände sind in der Regel größer, und der verfügbare Platz für die Leiterplatte muss berücksichtigt werden.
Toleranz
Die Toleranz ist die maximal zulässige Differenz zwischen dem Nennwert und dem Betriebswert eines Widerstands und wird üblicherweise in Prozent angegeben. Bei einer Toleranz von 5 % kann der tatsächliche Widerstand um 5 % höher oder niedriger sein. Bei hochpräzisen Schaltungen kann die Toleranz ±5 % oder höher betragen, und im durchschnittlichen Einsatz kann je nach Preis eine Toleranz von ±1 % oder ±5 % erforderlich sein.
Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient gibt an, wie sich der Widerstand mit der Temperatur ändert. Die Wahl eines Widerstands mit einem geeigneten Temperaturkoeffizienten sorgt dafür, dass der Widerstandswert über den gesamten Betriebstemperaturbereich stabil bleibt und somit den Schaltungsbetrieb nicht beeinträchtigt. Ein niedriger Temperaturkoeffizient zeigt eine geringe Änderung des Widerstandswerts mit der Temperatur an und eignet sich am besten für hochpräzise Schaltungen, bei denen Stabilität von höchster Bedeutung ist. Widerstände mit niedrigem Temperaturkoeffizienten sind jedoch teuer, und Kosten und Leistung müssen abgewogen werden.
Spannungswert
Die Nennspannung gibt die maximale Spannung an, die ein Widerstand aushalten kann. Sie ist ein Maß für die Strommenge, die der Widerstand ohne Beschädigung führen kann. Sie muss größer sein als die maximale Spannung am Widerstand, mit einem gewissen Sicherheitsspielraum, um eine Überlastung zu vermeiden.
Größe
Bewerten Sie den verfügbaren Platz auf der Platine. Kleine Widerstände eignen sich für kompakte Designs, haben aber eine geringere Belastbarkeit. Große Widerstände können mehr Leistung verarbeiten und leiten die Wärme effizienter ab. Berücksichtigen Sie außerdem die Montagemethode der Leiterplatte, insbesondere das manuelle Löten, das bei größeren Widerständen einfacher zu handhaben ist.
Lärm
Widerstände erzeugen im Betrieb Rauschen, das mit zunehmender Frequenz zunimmt. In empfindlichen Schaltungen sollten rauscharme Widerstände gewählt werden.
Hauptanwendungen von Leiterplattenwiderständen
PCB-Widerstände spielen in Leiterplatten viele wichtige Rollen. Im Folgenden sind ihre Hauptanwendungen aufgeführt.
Strombegrenzung
Wenn ein PCB-Widerstand in Reihe mit einer LED, einem integrierten Schaltkreis (IC) oder einer anderen elektronischen Präzisionskomponente geschaltet wird, besteht seine Funktion darin, den Strom zu begrenzen, der durch diese Komponenten fließt, mit dem Ziel, zu verhindern, dass sie durch übermäßigen Strom beschädigt werden.
Spannungsabteilung
Spannungsteiler sind einfache und praktische Schaltungen, deren Funktionsprinzip auf zwei oder mehr in Reihe geschalteten Widerständen an einer Spannungsquelle basiert. Mit dieser Anordnung kann aus einer höheren Versorgungsspannung eine niedrigere geregelte Ausgangsspannung erzeugt werden. Diese Schaltung wird häufig in der Entwicklung von Stromversorgungen, Vorspannungsnetzwerken für Transistorverstärker, ADC-Schnittstellen usw. eingesetzt.
Nach oben / unten ziehen
Pull-up- und Pull-down-Widerstände werden zwischen dem Logikausgang des integrierten Schaltkreises und der positiven oder negativen Stromschiene (Masse) angeschlossen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, sicherzustellen, dass ein bekannter Logikspannungspegel aufrechterhalten wird, wenn sich der IC-Ausgang in einem hochohmigen Zustand befindet. Dieses Design bietet einen eindeutigen Standardzustand für die Schaltung, verhindert effektiv das Auftreten von Logikfehlern und Fehlauslösungen und ist eine Schlüsselkomponente für den zuverlässigen Betrieb verschiedener digitaler Logikschaltungen.
Biasing-Netzwerke
In Transistorverstärkern und analogen integrierten Schaltkreisen (Operationsverstärkern) werden Widerstände verwendet, um die richtige Gleichstromvorspannung (DC) oder den richtigen Strompegel bereitzustellen und so sicherzustellen, dass sie in ihrem linearen Betriebsbereich ordnungsgemäß funktionieren.
Rückkopplungsschaltungen
Widerstände spielen eine Schlüsselrolle in den Rückkopplungsschleifen von Operationsverstärkern (Op-Amp), Digital-Analog-Wandler (DAC), Analog-Digital-Wandler (ADC) usw. Sie werden verwendet, um Verstärkung, Stabilität, Frequenzgang und Ausgangsimpedanz anzupassen, um sicherzustellen, dass die Schaltung wie vorgesehen funktioniert.
Zusammenfassung
Die Wahl des richtigen PCB-Widerstands kann Leistung, Zuverlässigkeit und sogar Kosten einer Leiterplatte optimieren. Bei der Auswahl ist es wichtig, die sieben wichtigsten PCB-Widerstandsparameter zu berücksichtigen. Diese können dann an die tatsächlichen Anforderungen der Schaltung angepasst werden, um eine fundierte Entscheidung zu treffen. Kontaktieren Sie das Expertenteam von UnityPCB für professionelle Beratung und Lösungen, falls Sie während des Auswahlprozesses Zweifel haben.
