Leistungswiderstände

Was ist ein Leistungswiderstand?
Leistungswiderstände zählen zu einer speziellen Klasse von elektrischen Widerständen. Elektrische Widerstände sind elektrisch passive Komponenten, die den Stromfluss durch eine elektrische Schaltung begrenzen. Das spezielle Hauptmerkmal von Leistungswiderständen ist die Eignung für den Einsatz bei hohen Leistungen, d.h. bei sehr hohen Belastungen und daraus resultierenden Temperaturen. Besonderer Beachtung bedarf die maximale Leistungsaufnahme der Bauteile durch Verlustleistung, welche durch Wärmeentwicklung im Betrieb entsteht.

Leistungsgrenzen - die Leistungsminderungskurve
Die elektrische Leistung wird durch Multiplikation von Strom und Spannung oder durch das Verhältnis der quadratischen Spannung zum Widerstandswert oder durch die Multiplikation des Quadrats des Stromes mit dem Widerstand gebildet:

P = I*U = I²*R = U²/R

Daher folgt die elektrische Leistung einer Quadratfunktion von Strom bzw. Spannung, d.h. eine Erhöhung von Strom oder Spannung um beispielsweise 20% führt zu einer Leistungserhöhung um 44%. Diese Gesetzmäßigkeit muss bei der Auswahl des Bauteils berücksichtigt werden. Darüber hinaus muss die thermische Weitergabe von Verlustwärme durch die hohe Leistungsaufnahme ermöglicht werden. Unterstützt wird die Wärmeableitung durch die verwendeten Materialien der Widerstandsgehäuse. Häufig sind es Aluminiumgehäuse mit zusätzlich wärmeableitenden Kühlrippen oder Gehäuse aus wärmeableitenden Keramiken. Zusätzlich finden entsprechend dimensionierte Kühlkörper, meist in Form von Aluminium-Platten Verwendung, auf die der Widerstand ggf. zusammen mit einer Wärmeleitpaste montiert wird. In den Datenblättern von Leistungswiderständen findet sich meist eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen maximal zulässiger Leistung und der Umgebungstemperatur darstellt, die Leistungsminderungskurve.

Gepulster Betrieb
Leistungswiderstände werden als Schutz der Elektronik eingesetzt, wenn kurzfristig hohe Ströme aufgenommen werden müssen, um andere Bauteile vor Überlast zu sichern. Dies kann z.B. beim Ein- und Ausschalten von großen Verbrauchern oder bei einem Blitzschlag passieren. Leistungswiderstände eignen sich gerade für diese Applikationen mit hohen Impulsbelastungen. Ein Beispiel ist der Einsatz in Defibrillatoren. Sie geben in kurzer Zeit eine hohe Menge an Energie ab, die von Leistungswiderständen, die für gepulsten Betrieb spezifiziert sind, ohne Probleme für diese Impulszeit aufgenommen werden kann. Bei geeigneten Modellen finden sich Angaben im Datenblatt zum gepulsten Betrieb. Je nach Werten für Widerstand, Pulswiederholrate und Betriebstemperatur ändern sich diese Werte, daher sind Grafiken dazu mit Vorsicht zu lesen.

Materialtechnologien von Leistungswiderständen
Als Technologien bei Leistungswiderständen sind besonders Metalldraht- oder Metallfilmtechnologie verbreitet. Die beiden Technologien unterscheiden sich grundlegend im Aufbau des Widerstandselements und in den verwendeten Materialien, sowie den daraus resultierenden Eigenschaften.

Drahtgewickelte Widerstände
Die Herstellung von Drahtwiderständen erfolgt durch das Wickeln eines Drahtes um einen Trägerkern. Präzisions-Drahtwiderstände zeichnen sich durch besonders hohe ESD-Festigkeit, geringem Rauschen, und einem niedrigen Temperaturkoeffizienten aus. Durch die Wicklung haben diese Bauteile allerdings nicht zu vernachlässigende Werte für Induktivität und Kapazität, was zu Problemen bei Hochfrequenzanwendungen führen kann. Es gibt verschiedene Methoden, diese Bauteile zu wickeln, was je nach Methode verschiedene Vor- und Nachteile hat. Drahtwiderstände erreichen allerdings eine bessere Langzeitstabilität und Temperaturstabilität als Metallfilmwiderstände und können durch Anpassung der Wicklung mit bestimmten kundenspezifischen Widerstandswerten geliefert werden.

Metallfilm- / Dünnschichtwiderstände
Metallfilmwiderstände haben einen Vorteil vor allem im Bereich bei Hochfrequenzanwendungen, denn sie haben sehr geringe Werte für Induktivität und Kapazität. Für die Produktion eines Metallfilm-Widerstands kommen zahlreiche Verfahren zum Einsatz. Auf einem Keramiksubstrat befindet sich eine dünne abgeschiedene Metallschicht (Dünnfilm). Diese Schicht hat einen hohen Widerstand auf einer geringen Fläche. Je nach Sollwert des Widerstands wird die Dicke der Schicht variiert. Grundsätzlich haben Dünnschichtwiderstände ein ausgeprägtes Alterungsverhalten, weil die dünne Schicht anfällig für Oxidation und Selbstätzung ist. Für Präzisionsbauteile wird die Schicht daher künstlich vorgealtert.

Kelvin-Anschluss – Vierleitermessung
Einige Modelle der Leistungswiderstände bieten neben den beiden Standardanschlüssen als Option zusätzliche Ausgänge, welche die 4-polige Kelvin-Messung ermöglichen. Wenn der Widerstandswert des Leistungswiderstands besonders klein ist, dann sind eventuell die Anschlusswiderstände (und/oder sonstige Widerstände in der Leitung) ähnlich gross wie der Leistungswiderstand selbst. Dann kann die abfallende Spannung am Leistungswiderstand, und damit auch die Leistung, die vom Leistungswiderstand selbst verbraucht wird, nicht mehr über den gesamten Spannungsabfall an den Zu- und Ableitungen direkt überwacht werden. Die zwei zusätzlichen Anschlüsse ermöglichen die direkte Messung des Spannungsabfalls am Widerstand über ein weiteres Messgerät. Dadurch ist der Strom berechenbar, weil der Widerstand bekannt ist und zusätzlich ist die Leistung am Leistungswiderstand berechenbar. Das System kann so während des Betriebs dann doch überwacht werden.