Widerstände sind zusammen mit Induktoren und Kondensatoren die grundlegendsten Einheiten der Elektrotechnik. Die passiven Komponenten unterscheiden sich deutlich im Hinblick auf Gehäuse, Kosten, Größe und Material. Auch die Widerstandstoleranzen auf Grundlage von Wärme, Spannung und Frequenz weichen stark von einander ab. Zudem weisen unterschiedliche Arten von Widerstände verschiedene Streuinduktivitäts- und Kapazitätsniveaus auf, und der Ingenieur muss wissen, wann sich mit einer günstigeren Lösung Geld sparen lässt, und wann nicht.
Kohlewiderstände
Kohlemassewiderstände und Kohleschichtwiderstände weisen in der Regel das früher allgegenwärtige Design aus zylindrischer Form, axialen Drähten und Ringfarbcode für die Spezifikationen auf. Kohlemassewiderstände bestimmen Widerstandswerte anhand einer Mischung aus Keramikpuder und Kohle. Heute sind sie zwar immer noch sehr verbreitet, werden aber aufgrund ihrer relativ schlechten Toleranzen weniger verwendet und finden sich nun am häufigsten in Hochleistungsanwendungen.
Kohleschichtwiderstände besitzen eine Keramikbasis, auf die während des Herstellungsprozesses eine Kohleschicht aufgebracht wird. Der Widerstand der fertigen Komponente wird durch die Dicke der Kohleschicht bestimmt und durch das etwaige Herausschneiden von spiralförmigen Abschnitten der Schicht. Diese Widerstandsarten weisen häufig einen Kapazitätswert von bis zu 1,0 pF auf. Wenn die Widerstände wie beschrieben durch spiralenförmiges Herausschneiden geändert wurden, kann auch eine inhärente Induktanz von mehreren μH bestehen. Ein großer Vorteil von Kohleschichtwiderständen gegenüber den älteren Kohlemassewiderständen besteht darin, dass die Geräuschentwicklung aufgrund der Reinheit der Kohle deutlich geringer ist, was bei vielen Anwendungen ein kritischer Faktor sein kann.
Dick- und Dünnschichtwiderstände
Dickfilmwiderstände bestehen aus einem widerstandsfähigen Film einer Dicke von in der Regel einigen zehn Mikrometern, der auf eine Keramikbasis aufgebracht wurde. Sie sind günstig in der Herstellung und die heute am häufigsten verwendeten Komponentenwiderstände. Hersteller arbeiten weiterhin an der Zusammensetzung des Films.
Dünnfilmwiderstände besitzen ebenfalls eine Keramikbasis, das ist aber auch die einzige Ähnlichkeit. Das widerstandsfähige Element ist hier ein metallischer Film aus Nickelchrom, der mittels Vakuum auf die Basis aufgebracht wird. Der entstehende Film ist etwa 1.000 Mal dünner als bei Dickfilmwiderständen. Dünnfilmwiderstände sind teurer in der Herstellung als die Dickfilmvarianten, weisen jedoch geringe Streuinduktivität und Kapazität auf sowie hervorragende Temperaturkoeffizienten. Dickfilmwiderstände sind physisch stabiler und können auf die Verarbeitung von mehr Strom ausgelegt werden.
Dick- und Dünnfilmwiderstände sind in ähnlichen Gehäusen erhältlich. Zu den Optionen gehören Gehäuse für die Oberflächenmontage, SIP-Arrays, DIP-Arrays und Gehäuse mit radialen Drähten. Stromstarke Dickfilmwiderstände sind in robusten TO220-Gehäusen verfügbar oder mit integrierten Kühlkörpern zur Montage am Chassis.
Der über Arrow Electronics beziehbare Vishay VTF285BX ist ein Beispiel für eine Serie von Dünnfilmwiderstandsarrays mit SIP-Gehäuse. Designer können anhand eines Datenblatts ein dreipoliges Gerät mit zwei Widerständen in einem Gehäuse bestellen, das als Verhältnisteiler dienen soll. Es gibt verschiedene andere Optionen, darunter ein achtpoliges Gerät mit vier unabhängigen Widerständen.
Metalloxid- und Metallschichtwiderstände
Metalloxidwiderstände sind eine gute Wahl für Anwendungen, in denen sie hohen Temperaturen ausgesetzt sein können. Sie können mehr Strom als andere Widerstände ähnlicher Größe verarbeiten und sind äußerst beständig gegenüber Überspannungen und Überlastungen. Wie einige Kohlewiderstände sind sie jedoch relativ laut.
Metalloxidwiderstände entstehen durch die Ablagerung von Metalloxidschichten auf einer Keramikbasis. Sie werden häufig in Gehäusen ähnlich der Kohlemasse- und Kohleschichtwiderständen geliefert. Der endgültige Widerstand wird durch die Dicke der Beschichtung bestimmt und durch das Beschneiden, das durch einen der Länge nach ausgeführten spiralförmigen Schnitt vorgenommen wird. Wie erwartet weisen Metalloxidwiderstände daher eine relativ hohe Induktanz auf. Diese Widerstände können mit einer sehr engen Widerstandstoleranz angegeben werden.
Metallschichtwiderstände werden leicht mit Dünnfilmwiderständen verwechselt. Ein Unterschied besteht darin, dass der endgültige Widerstandswert eines Metallschichtwiderstands eher durch den spiralförmigen Schnitt als durch Ätzung bestimmt wird. Durch diese Methode lassen sich engere Widerstandstoleranzen erzielen. Temperaturkoeffizienten des Widerstands (Temperature Coefficients of Resistance, TCR) sind hervorragend, und diese Widerstände eignen sich ideal für den Einsatz an Orten, an denen die Geräuschentwicklung zu einem Problem werden kann. Sie werden jedoch leicht durch Überspannungen beschädigt.
Andere Widerstandsarten
Drahtwiderstände sorgen für Hochleistung und verfügen häufig über Kühlkörper, die ihre inhärente Toleranz gegenüber hoher Hitze verbessern. Die Widerstände dieser Geräte sind nur gering von der Temperatur abhängig. Der große Nachteil besteht neben den relativ hohen Kosten in der hohen Induktanz, die dadurch bedingt ist, dass sie aus Drahtspulen bestehen. Durch das Vor- und Zurückwinden der widerstandsfähigen Drähte über denselben Weg kann der Effekt etwas verbessert werden. Das funktioniert genau anders herum als die Bauweise einer Transformatorspule oder eines Elektromagnets.
Der Widerstandswert von Drahtwicklungen kann ungewöhnlich präzise festgelegt werden. Diese Geräte können so eingestellt werden, dass sie einige hundert Watt ableiten, und sie sind mit Widerständen von mehreren hunderttausend Ohm verfügbar.
Der D225K100K von OHMITE ist ein Beispiel für einen Drahtwiderstand. Laut dem Datenblatt kann dieses Modell als Spannungsteiler oder einstellbarer Widerstand verwendet werden.
Folienwiderstände sollen die besten TCRs aufweisen und die Genauigkeit der marktüblichen Widerstände. Diese geräuscharmen Komponenten besitzen zudem eine sehr geringe Kapazität und überhaupt keine Induktanz. Das Widerstandselement eines Folienwiderstands ist eine mehrere Mikrometer dicke Nickel- und Chromfolie auf einer nichtleitenden Basis. Sie werden mit einem Laser auf genau den benötigten Widerstand getrimmt. Diese Komponenten wiesen die beste Stabilität aller verfügbaren Widerstände auf. Anders als bei einigen Kohletypen ist der Widerstandswert auffallend stabil in Bezug auf die Spannung.
Die gängigsten Widerstände der Welt
Die meisten der heute verwendeten Widerstände existieren allerdings gar nicht als separate Komponenten, da sie sich innerhalb von ICs befinden. In einem IC werden Widerstände nicht als einzelne Komponenten hinzugefügt, sondern häufig wie Transistoren und Kondensatoren gefertigt. Wenn relativ wenig Ohm gewünscht sind, werden sie in der Regel in einer n-Region gefertigt, da diese einen geringeren Widerstand aufweist. Andersherum werden hochwertigere Widerstände in p-Regionen gefertigt, da diese einen höheren Widerstand aufweisen. In beiden Fällen wird der tatsächliche Wert des erstellten Widerstands durch die Auswirkungen auf die Diffusion, die Breite und Länge der Diffusion und die Menge der eingespeisten Verunreinigungen gesteuert.
Wahrscheinlich gibt es keinen anderen Platz auf der Erde, an dem Platz so eine wichtige Rolle spielt, wie in einem IC. Daher gibt es viele verschiedene Arten der Herstellung von Widerständen in ICs, wobei jede Methode für die spezifische Situation optimiert ist.