Widerstände in der Elektrotechnik – Arten, Kennzeichnung und Anwendungen
Widerstände gehören zu den wichtigsten Grundbauteilen in der Elektrotechnik und Elektronik. Sie setzen dem Stromfluss einen gezielten „Gegenstand“ entgegen. Dabei wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. So können Ströme begrenzt, Spannungen aufgeteilt und Bauteile geschützt werden.
Ohmsche Widerstände (Festwiderstände) besitzen einen festen Widerstandswert. Sie sind die stillen „Arbeiter“ in nahezu jeder Schaltung: vom Ladegerät bis zum Computer. Daneben gibt es veränderliche und sensorische Widerstände, deren Wert sich durch Drehen, Schieben oder durch äußere Einflüsse wie Licht, Temperatur oder Dehnung verändert.
Damit Widerstände weltweit einheitlich eingesetzt werden können, gibt es genormte Wertreihen (IEC-Reihen) und klare Kennzeichnungssysteme – etwa Farbringe oder alphanumerische Codes. Diese sorgen dafür, dass ein 4,7 kΩ-Widerstand in Europa, Amerika oder Asien überall denselben Wert hat.
Für die Praxis sind einige Kenndaten besonders wichtig: der Nennwiderstand, die Toleranz und die Nennleistung. Sie entscheiden darüber, ob ein Widerstand in einer bestimmten Schaltung richtig arbeitet oder im ungünstigsten Fall überhitzt und zerstört wird.
Neben den klassischen Festwiderständen gibt es einstellbare Widerstände (Potentiometer, Trimmer) sowie physikalisch veränderliche Widerstände wie LDR, NTC, PTC, VDR oder Dehnungsmessstreifen. Sie bilden die Grundlage für viele Mess-, Schutz- und Regelaufgaben in der Elektrotechnik.
Grundlagen des elektrischen Widerstands
Ein Widerstand ist ein Bauteil, das den Stromfluss gezielt bremst. Fließt Strom durch ihn, stoßen sich Elektronen und Atome im Material gegenseitig an. Diese „Reibung“ wandelt einen Teil der elektrischen Energie in Wärme um. Genau das nutzt man aus, um Ströme einzustellen oder zu begrenzen.
Der Widerstandswert wird in Ohm (Ω) angegeben. Ein kleiner Widerstandswert lässt bei gegebener Spannung viel Strom fließen, ein großer Widerstandswert lässt nur wenig Strom zu. Wie stark ein Widerstand „bremst“, hängt von Material, Länge und Querschnitt des Widerstandsdrahtes bzw. des Widerstandskörpers ab.
Ohmsche Widerstände verhalten sich ideal nach dem Ohmschen Gesetz: Verdoppelt man die Spannung an einem Widerstand, verdoppelt sich auch der Strom. In der Praxis gibt es aber auch nichtlineare Widerstände, deren Widerstand sich mit Spannung, Temperatur oder anderen Einflüssen ändert (z. B. NTC, PTC, VDR).
Widerstände werden in praktisch allen elektronischen Geräten eingesetzt: in Computern, Mobiltelefonen, Verstärkern, Netzteilen, Sensoren, Autos, Industrieanlagen und vielem mehr. Selbst Leitungen besitzen einen ohmschen Widerstand, der bei der Planung von Stromkreisen berücksichtigt werden muss.
In diesem Beitrag unterscheiden wir zwischen Festwiderständen mit fixem Wert, einstellbaren Widerständen (Potentiometer, Trimmer) und physikalisch veränderlichen Widerständen, die auf Licht, Temperatur, Spannung oder mechanische Dehnung reagieren.
Ohmsches Gesetz: U = R · I U: Spannung in Volt (V), R: Widerstand in Ohm (Ω), I: Strom in Ampere (A). Ein größerer Widerstand R führt bei gleicher Spannung U zu einem kleineren Strom I.
Verlustleistung im Widerstand: P = U · I = I² · R = U² / R P: Leistung in Watt (W). Diese Leistung wird im Widerstand in Wärme umgesetzt. Sie darf die Nennleistung des Bauteils nicht überschreiten.
In Schaltplänen werden Widerstände meist mit dem Buchstaben R durchnummeriert (R1, R2, …). In Stücklisten (BOM) sind zu jedem Widerstand der Nennwert, die Toleranz und die Nennleistung angegeben, damit beim Bestücken der Leiterplatte die richtigen Bauteile verwendet werden können.
Ein überlasteter Widerstand wird heiß, kann verfärben, durchbrennen oder im Extremfall umliegende Bauteile entzünden. Deshalb muss die Verlustleistung P immer kleiner oder gleich der zulässigen Nennleistung des Widerstands sein – inklusive Sicherheitsreserve.
Ein Widerstand von 470 Ω wird an 24 V Gleichspannung betrieben. Berechne den Strom und die im Widerstand umgesetzte Leistung.
I = U / R = 24 V / 470 Ω ≈ 0,051 A = 51 mA P = U · I ≈ 24 V · 0,051 A ≈ 1,22 W → Es sollte ein Widerstand mit mindestens 2 W Nennleistung verwendet werden, besser mit Reserve (z. B. 2 W oder 3 W).
Festwiderstände und wichtige Kenndaten
Festwiderstände (ohmsche Widerstände) besitzen einen festen, nicht veränderbaren Widerstandswert. Sie bestehen typischerweise aus einem Widerstandskörper (z. B. Kohle- oder Metallschicht) mit Anschlussdrähten. Im Schaltplan werden sie einfach als R eingezeichnet, in der Praxis liegen sie meist als kleine zylindrische Bauteile oder SMD-Chips vor.
Es gibt verschiedene Bauarten, z. B. Kohleschichtwiderstände, Metallschichtwiderstände, Drahtwiderstände oder SMD-Widerstände. Die Wahl hängt von der geforderten Leistung, der Genauigkeit, den Frequenzeigenschaften und der Baugröße ab. Für Standard-Schul- und Bastelschaltungen werden häufig Metallschichtwiderstände mit 0,25 W oder 0,6 W eingesetzt.
Beim Einkauf oder bei der Auswahl musst du vor allem drei Daten kennen: Nennwiderstand, Toleranz und Nennleistung. Diese Werte stehen entweder direkt auf dem Bauteil (als Farbcode oder Aufdruck) oder im Datenblatt.
Die Nennleistung (z. B. 0,25 W, 0,6 W, 1 W, 2 W) gibt an, wie viel Verlustleistung der Widerstand im Dauerbetrieb verträgt, ohne beschädigt zu werden. Die Toleranz beschreibt, wie stark der tatsächliche Wert vom Aufdruck abweichen darf (z. B. ±1 %, ±5 %, ±10 %).
Der Nennwiderstand gibt den gewünschten Widerstandswert an, z. B. 1 kΩ, 4,7 kΩ oder 10 kΩ. Dieser Wert bestimmt, wie stark der Strom in der Schaltung begrenzt wird. Für präzise Anwendungen (z. B. Messschaltungen) werden Widerstände mit kleiner Toleranz (1 % oder besser) verwendet, für einfache Anwendungen reichen 5 % meist aus.
Nennleistung prüfen: P = U · I = I² · R Beispiel: Bei 12 V an 1 kΩ fließt I = 12 mA. P ≈ 0,144 W → ein Widerstand mit 0,25 W Nennleistung ist ausreichend.
Toleranzbereich: Rmin = Rnom · (1 − Toleranz), Rmax = Rnom · (1 + Toleranz) Beispiel: 10 kΩ ±5 % → 9,5 kΩ bis 10,5 kΩ sind zulässig.
Drahtwiderstände können deutlich höhere Leistungen vertragen (z. B. 5 W, 10 W oder mehr) und werden in Leistungs- und Lastschaltungen eingesetzt. Sie sind oft größer und besitzen Kühlkörper oder Keramikkörper zur besseren Wärmeabgabe.
Wenn ein Widerstand dauerhaft über seiner Nennleistung betrieben wird, kann er überhitzen und im schlimmsten Fall platzen oder brennen. Widerstände sollten immer mit Reserve dimensioniert werden (Faustregel: mindestens 30–50 % Sicherheitsabstand zur berechneten Verlustleistung).
Du benötigst einen Widerstand mit 3,3 kΩ in einer Schaltung, die maximal 0,05 A durch den Widerstand fließen lässt. Welche Mindestleistung muss der Widerstand haben?
P = I² · R = (0,05 A)² · 3300 Ω = 0,0025 · 3300 ≈ 8,25 W → Ein üblicher 0,25-W-Widerstand wäre völlig überlastet. Es wird ein Leistungswiderstand mit mindestens 10 W benötigt, besser mit Reserve darüber. In der Praxis würde man hier oft ein anderes Schaltungskonzept oder einen größeren Widerstand wählen, um die Verlustleistung zu reduzieren.
IEC-Reihen und Widerstandswert-Auswahl
Damit Widerstandswerte weltweit genormt sind, wurden von der IEC sogenannte E-Reihen definiert. Sie legen fest, welche Widerstandswerte als Standard angeboten werden. Dadurch kann die Industrie Bauteile in großen Stückzahlen fertigen und du findest in Katalogen immer dieselben Werte.
Die gebräuchlichsten Reihen sind E3, E6, E12, E24 und E96. Die Zahl gibt an, wie viele unterschiedliche Werte pro Dekade (z. B. zwischen 10 Ω und 100 Ω) in der Reihe enthalten sind. E3 enthält 3 Werte pro Dekade, E12 hat 12 Werte pro Dekade, E96 sogar 96.
Je feiner die Reihe, desto genauer kannst du einen gewünschten Wert treffen, aber desto größer ist auch die Auswahl. Für viele Anwendungen reicht E12 (z. B. 1,0 kΩ, 1,2 kΩ, 1,5 kΩ, 1,8 kΩ, 2,2 kΩ, …). Für präzise Anwendungen mit enger Toleranz werden E24 oder E96 verwendet.
Wenn ein berechneter Widerstandswert nicht exakt in einer E-Reihe vorkommt, wählt man den nächstgelegenen Standardwert. Anschließend prüft man, ob die Schaltung mit diesem Wert noch korrekt funktioniert. Oft lässt sich ein leicht abweichender Wert problemlos verwenden.
Die IEC-Reihen sind direkt mit den üblichen Toleranzklassen verknüpft. Grobe Toleranzen (z. B. ±20 %) verwenden grobe Reihen wie E6, präzisere Toleranzen (z. B. ±1 %) nutzen feinere Reihen wie E96. So passen Widerstandswerte und Fertigungsgenauigkeit sinnvoll zusammen.
E-Reihen-Prinzip: Innerhalb einer Dekade (z. B. 10 Ω bis 100 Ω) sind die Werte so gewählt, dass sie sich etwa geometrisch verteilen. Beispiel E12-Dekade: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82 Ω (jeweils mit Faktor 10 hoch n fortgesetzt).
Wertwahl in der Praxis: Berechneter Wert → nächster E-Reihen-Wert → Funktion der Schaltung prüfen → ggf. anpassen.
In Datenbüchern findest du Tabellen mit allen Werten der E-Reihen. In vielen Simulationsprogrammen (z. B. LTSpice) oder Bauteilbibliotheken kannst du direkt Standardwerte auswählen, ohne sie auswendig kennen zu müssen – wichtig ist, das Prinzip zu verstehen.
Die falsche Wahl eines Widerstandswerts ist meist kein direktes Sicherheitsproblem, kann aber Schutzschaltungen oder Begrenzungsfunktionen wirkungslos machen. Beispiel: Ein zu kleiner Widerstand in einem Vorwiderstand für eine LED kann zu Überstrom, Überhitzung und Ausfall der LED führen.
Ein berechneter Widerstandswert beträgt 4,9 kΩ. Welchen Standardwert aus der E12-Reihe wählst du und wie begründest du die Auswahl?
In der E12-Reihe gibt es z. B. die Werte 4,7 kΩ und 5,6 kΩ. 4,9 kΩ liegt näher an 4,7 kΩ, daher wählt man meist 4,7 kΩ. Anschließend überprüft man, ob die leicht geringere Begrenzung (etwas höherer Strom) für die Schaltung noch zulässig ist. Falls der Strom kritisch ist, könnte auch ein höherer Wert wie 5,6 kΩ gewählt werden, um den Strom stärker zu begrenzen.
Widerstandskennzeichnung: Farbringe und alphanumerische Codes
Damit man den Wert eines Widerstands erkennen kann, ohne ihn messen zu müssen, werden Farbringe oder alphanumerische Codes verwendet. Besonders bei bedrahteten Bauteilen sind Farbringe verbreitet, bei SMD-Bauteilen meist Kurzaufdrucke aus Zahlen und Buchstaben.
Bei der Ring-Kennzeichnung stehen die ersten Ringe für die Ziffern des Widerstandswerts, ein weiterer Ring für den Multiplikator (Zehnerpotenz) und ein zusätzlicher Ring für die Toleranz. Bei 6 Ringen gibt es noch einen Ring für den Temperaturkoeffizienten.
Beispiele: • 3 Ringe: 1. Ziffer – 2. Ziffer – Multiplikator (Toleranz meist 20 % ohne extra Ring) • 4 Ringe: 2 Ziffern – Multiplikator – Toleranz • 5 Ringe: 3 Ziffern – Multiplikator – Toleranz • 6 Ringe: 3 Ziffern – Multiplikator – Toleranz – Temperaturkoeffizient
Bei der alphanumerischen Kennzeichnung wird der Dezimalpunkt durch einen Buchstaben ersetzt: „R“ für Ohm-Bereich, „K“ für Kiloohm, „M“ für Megaohm. Beispiele: 3R3 = 3,3 Ω, R33 = 0,33 Ω, 4K9 = 4,9 kΩ = 4900 Ω, 1M2 = 1,2 MΩ = 1.200.000 Ω.
Diese Codes sind praktisch, weil sie auch auf sehr kleinen Bauteilen Platz finden und sich eindeutig interpretieren lassen. Wichtig ist, die Bedeutung der Buchstaben (R, K, M) und deren Position (vor oder zwischen Ziffern) zu kennen.
Alphanumerischer Code: • R = Ohm, Dezimalzeichen im Ω-Bereich (z. B. 2R2 = 2,2 Ω) • K = Kiloohm (× 1000), Dezimalzeichen im kΩ-Bereich (z. B. 4K7 = 4,7 kΩ) • M = Megaohm (× 1.000.000), Dezimalzeichen im MΩ-Bereich (z. B. 1M0 = 1,0 MΩ).
Umrechnung Beispiel: 4K9 = 4,9 kΩ = 4,9 · 1000 Ω = 4900 Ω 1M2 = 1,2 MΩ = 1,2 · 1.000.000 Ω = 1.200.000 Ω.
Bei SMD-Widerständen mit rein numerischem Code (z. B. „472“) steht die letzte Ziffer für den Multiplikator: 47 · 10² = 4700 Ω. Bei sehr kleinen Baugrößen werden manchmal abgekürzte Codes verwendet, weshalb im Zweifel ein Blick ins Datenblatt sinnvoll ist.
Falsch abgelesene Widerstände können zu überhöhten Strömen führen. Beispiel: Verwechslung von 4K7 (4,7 kΩ) mit 47 Ω. Dadurch fließt ein deutlich höherer Strom, der Bauteile überlasten oder zerstören kann. Im Zweifel immer messen oder Farbcode/Code doppelt prüfen.
Ein Widerstand trägt die Aufschrift „3R3“, ein anderer „1M2“. Gib die Werte in Ohm an.
3R3 bedeutet 3,3 Ω (R als Dezimalzeichen im Ohm-Bereich). 1M2 bedeutet 1,2 MΩ = 1,2 · 1.000.000 Ω = 1.200.000 Ω.
Einstellbare Widerstände und Potentiometer
Einstellbare Widerstände erlauben es, den Widerstandswert nachträglich zu verändern. Das ist wichtig, wenn man eine Schaltung fein abgleichen oder eine Größe variabel einstellen möchte, z. B. Lautstärke, Helligkeit oder eine Sollgröße in einer Steuerung.
Einfache einstellbare Widerstände sind Trimmer. Sie werden meist mit einem Schraubendreher eingestellt und bleiben danach in dieser Position. Sie dienen zum Abgleich bei Inbetriebnahme oder Service, werden aber im normalen Betrieb nicht ständig verstellt.
Potentiometer (Potis) sind veränderliche Widerstände mit Dreh- oder Schieberegler. Sie besitzen in der Regel drei Anschlüsse: zwei an den Enden der Widerstandsbahn und einen Schleifer. Abhängig von der Schaltungsart können sie als regelbarer Spannungsteiler oder als veränderlicher Serienwiderstand eingesetzt werden.
Es gibt verschiedene Bauformen: Drehpotentiometer (Knopf drehen), Schiebepotentiometer (Schieber bewegen) und Trimmpotentiometer. In Audioanwendungen werden Potis z. B. für Lautstärke oder Klangregelung verwendet, in der Automatisierungstechnik für Sollwertvorgaben oder manuelle Verstellungen.
Bei der Auswahl eines Potis spielen neben dem Widerstandswert auch die Kennlinie (linear, logarithmisch), die mechanische Bauform, die maximale Spannung und die Belastbarkeit eine Rolle. Außerdem muss das Poti zur mechanischen Umgebung (Frontplatte, Bedienknopf) passen.
Spannungsteiler mit Potentiometer: Uout = Uin · Runten / (Roben + Runten) Der Schleifer teilt die Widerstandsbahn in einen oberen und einen unteren Teil. Mit seiner Stellung änderst du das Verhältnis der beiden Teilwiderstände – und damit die Ausgangsspannung.
Einstellbereich: Ein 10-kΩ-Potentiometer kann in der Regel von nahezu 0 Ω bis nahe 10 kΩ zwischen Schleifer und einem Ende eingestellt werden (plus Toleranzen).
Logarithmische Potis werden häufig für Lautstärkeregler verwendet, weil das menschliche Gehör Pegeländerungen näherungsweise logarithmisch wahrnimmt. Dadurch wirkt die Änderung „gleichmäßig“, wenn der Knopf gedreht wird.
Einstellbare Widerstände sind oft nicht für hohe Leistungen ausgelegt. Ein Potentiometer darf nicht wie ein Leistungswiderstand verwendet werden. Wird es zu stark belastet, kann die Widerstandsbahn einbrennen und das Poti ausfallen – im schlimmsten Fall im ungünstigsten Einstellwert.
Ein 10-kΩ-Potentiometer wird als Spannungsteiler an 10 V betrieben. Der Schleifer steht genau in der Mitte. Wie groß ist der Widerstand zwischen Schleifer und Masse und welche Spannung liegt am Schleifer an (ideal angenommen)?
In der Mittelstellung werden die 10 kΩ ideal in zwei gleiche Teile geteilt: Roben = 5 kΩ, Runten = 5 kΩ. Uout = Uin · Runten / (Roben + Runten) = 10 V · 5 kΩ / (5 kΩ + 5 kΩ) = 10 V · 0,5 = 5 V. Der Widerstand zwischen Schleifer und Masse beträgt 5 kΩ.
Veränderliche Widerstände als Sensoren: LDR, NTC/PTC, VDR, DMS, MDR
Neben einstellbaren Widerständen gibt es eine ganze Familie von Widerständen, deren Wert sich durch äußere Einflüsse ändert. Sie werden als Sensoren eingesetzt, weil sie physikalische Größen wie Licht, Temperatur, Spannung oder mechanische Dehnung in eine Widerstandsänderung umsetzen.
Ein LDR (Light Dependent Resistor) ist ein lichtabhängiger Widerstand. Je heller das Licht, desto kleiner wird sein Widerstand. LDRs werden z. B. in Dämmerungsschaltern, Helligkeitssensoren oder einfachen Lichtmessern eingesetzt.
NTC- und PTC-Widerstände sind temperaturabhängige Widerstände. NTC (Negative Temperature Coefficient, „Heißleiter“) haben bei steigender Temperatur einen kleineren Widerstand. PTC (Positive Temperature Coefficient, „Kaltleiter“) haben bei steigender Temperatur einen größeren Widerstand. NTCs werden z. B. als Temperaturfühler oder Einschaltstrombegrenzer eingesetzt, PTCs u. a. als Überstrom- oder Überhitzungsschutz.
Ein VDR (Varistor) ist ein spannungsabhängiger Widerstand, der bei normalen Betriebsspannungen einen hohen Widerstand hat und bei Überspannungen plötzlich leitfähiger wird. Er dient als Überspannungsschutz, z. B. in Netzteilen oder an Netz-Eingängen von Geräten.
Dehnungsmessstreifen (DMS) verändern ihren Widerstand, wenn sie mechanisch gedehnt oder gestaucht werden. Sie werden auf Bauteile aufgeklebt und messen mechanische Spannungen, Kräfte oder Verformungen. Ein MDR (magnetfeldabhängiger Widerstand), z. B. eine Feldplatte, ändert seinen Widerstand in Abhängigkeit von einem Magnetfeld und wird z. B. in Weg- und Drehzahlsensoren eingesetzt.
Grundprinzip aller Sensor-Widerstände: Physikalische Größe (T, Licht, Spannung, Dehnung, Magnetfeld) → Änderung des Widerstands R → Änderung von Strom oder Spannung in der Messschaltung.
DMS-Kennzahl (vereinfacht): k = (ΔR / R) / ε k: k-Faktor (Empfindlichkeit), ΔR: Widerstandsänderung, R: Nennwiderstand, ε: Dehnung. Je größer k, desto empfindlicher reagiert der DMS auf Dehnung.
Viele moderne Sensoren enthalten Widerstandselemente in Brückenschaltungen (z. B. Wheatstone-Brücke). Dadurch lassen sich sehr kleine Widerstandsänderungen präzise in Spannungsänderungen umsetzen und verstärken. Beispiele sind Drucksensoren, Kraftaufnehmer oder hochpräzise Temperatursensoren.
Varistoren (VDR) werden oft direkt an Netzspannungen eingesetzt. Sie nehmen bei Überspannungen Energie auf und können bei dauerhaften oder sehr starken Überspannungen überlasten. Deshalb müssen sie richtig dimensioniert, abgesichert und im Zweifel nach starken Überspannungsereignissen (z. B. Blitznähe) überprüft oder ausgetauscht werden.
Nenne zu den folgenden Widerstandstypen jeweils die physikalische Einflussgröße: LDR, NTC, PTC, VDR, Dehnungsmessstreifen.
LDR: reagiert auf Licht (Helligkeit). NTC: reagiert auf Temperatur, Widerstand sinkt bei steigender Temperatur. PTC: reagiert auf Temperatur, Widerstand steigt bei steigender Temperatur. VDR: reagiert auf Spannung (Überspannungsschutz). Dehnungsmessstreifen: reagiert auf mechanische Dehnung/Verformung des Bauteils.
Aufgaben zu Widerständen und Widerstandsarten
Hinweis: Pro Aufgabe können eine oder mehrere Antworten korrekt sein.