Ratgeber
Der Metallschichtwiderstand ist der in der Elektronik wohl am häufigsten verwendete Widerstandstyp. Nicht zuletzt wegen seiner Zuverlässigkeit und dem geringen Toleranzwert.
In diesem Ratgeber informieren wir Sie über Funktion und Aufbau dieses Bauelements, gehen auf die Vor- und Nachteile ein und geben Tipps für die Beschaffung.
Der Begriff bezieht sich normalerweise auf die axial bedrahteten Komponenten, obwohl Dünnfilm-Chipwiderstände für die Oberflächenmontage die gleiche Technologie verwenden. Hinsichtlich seiner Leistung bietet er im Vergleich mit anderen Widerstandstypen in der Regel eine bessere Stabilität, Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Zudem ist das von ihm erzeugte Rauschen geringer.
Widerstände auf der Basis einer Metallschicht findet sich sehr häufig in industriellen Geräten. Sie helfen bei der Regulierung des Stromflusses und verhindern Hitzeschäden. Eingesetzt werden sie häufig auch in Haushaltsgeräten. Hier tragen sie zum Schutz von Motoren und anderen Komponenten der Maschinen bei. Weitere Einsatzgebiete sind Geräte der Unterhaltungselektronik, beispielsweise Mobiltelefone, Laptops und Fernsehgeräte. Auch hier regulieren sie den Stromfluss und wirken einer Überhitzung bei längerem Gebrauch mit hoher Leistung entgegen.
Er begrenzt in einer Schaltung den durch ihn fließenden Strom. Hergestellt wird er durch Vakuumabscheidung einer Metallschicht auf einem zylindrischen Stab aus hochreiner Keramik. Je dicker die aufgebrachte Metallschicht ist, desto stabiler – aber auch niedriger – ist der Widerstandswert. Allerdings haben auch andere Faktoren wie der spezifische Widerstand des verwendeten Materials und die Breite des spiralförmigen Schnitts, der später im Prozess vorgenommen wird, einen großen Einfluss.
Üblicherweise werden Schichtdicken zwischen 50 und 250 Nanometer verwendet, da Materialdicken in diesem Bereich tendenziell eine höhere Langzeitstabilität aufweisen. Das abgeschiedene Metall ist normalerweise Nickel-Chrom, aber auch andere Legierungen wie Gold mit Platin oder Tantalnitrid lassen sich für spezielle Anwendungen verwenden.
Sobald die Schicht aufgebracht ist, erfolgt die Montage der Endkappen aus Metall. Sie stellen den Kontakt mit der Widerstandsschicht her und enthalten die axialen Anschlüsse. In der nächsten Phase der Herstellung wird der Widerstand auf den gewünschten Wert getrimmt, normalerweise durch den Einsatz von Lasern, die eine Spirale in den Metallschicht schneiden.
Die Genauigkeit des Lasertrimmens ist für die Toleranz entscheidend, also die Differenz zwischen dem Soll- und dem tatsächlich gemessenen Wert. Im Allgemeinen erhältlich sind Toleranzen von 0,1 Prozent bis 10 Prozent. 1 Prozent und 5 Prozent sind die am weitesten verbreiteten Werte. Metallschichtwiderstände weisen außerdem einen guten, in der Regel positiven Temperaturkoeffizienten von durchschnitt 50 ppm/K (Parts per Million pro Kelvin) auf.
Der letzte Schritt bei der Herstellung ist das Aufbringen der Schutzschicht und der Markierungen. Die Schutzschicht ist blau und besteht in der Regel aus einem Harz, das in mehreren Schichten einzeln aufgetragen wird. Zum Schluss werden die farbigen Markierungsringe hinzugefügt, um den Wert des Metallschichtwiderstands und andere relevante Eigenschaften anzugeben. Vier der Markierungsringe stehen für den Widerstandswert, der fünfte für die Toleranz.
Der jeweilige Widerstandswert, angegeben in Ohm – Abkürzung Ω beziehungsweise kOhm oder kΩ – wird vom spezifischen Widerstand des aufgebrachten Metalls sowie dessen Schichtdicke bestimmt.
Oberflächenmontierte Widerstände verwenden dieselbe Basistechnologie, aber sie basieren auf einer anderen Form des Herstellungsprozesses angesichts des unterschiedlichen mechanischen Aufbaus.
Wie nahezu jedes diskrete elektronische Bauelement besitzen auch Metallschichtwiderstände vor- und Nachteile:
Vorteile von Metallschichtwiderständen
Hohe Präzision: Die Schichtdicke ist leicht zu kontrollieren, der Herstellungsprozess ist ausgereift und die Leistung stabil.
Geringes Rauschen: Der Temperaturkoeffizient des Widerstands ist klein, ein mikrofonischer Effekt ist nur schwer zu erzeugen.
Hohe Stabilität: Der hochreine Keramikkern ist mit einem Film beschichtet, sodass kein Luftsauerstoff die Oberfläche des Widerstands oxidieren kann. Er verfügt über eine gute Anti-Vibrations- und Anti-Schock-Leistung.
Hohe Belastbarkeit: Metallschichtwiderstände lassen sich auch in Anwendungen mit relativ hoher Leistung bis etwa 5 Watt einsetzen. Mit ihrem niedrigeren Temperaturkoeffizienten eignen sie sich in Präzisionsschaltungen besser als Widerstände mit Kohleschicht.
Nachteile von Metallschichtwiderständen
Höhere Kosten: Metallschichtwiderstände sind teurer als Widerstände mit Kohleschicht, da die Kosten für die Präzisionsfertigung höher sind.
Temperaturempfindlichkeit: Metallschichtwiderstände können nur bis zu Temperaturen von etwa 200 Grad Celsius betrieben werden.
Nicht für Hochfrequenzen geeignet: Sie eignen sich nicht für den Einsatz in Hochfrequenzschaltungen, da sie aufgrund ihrer parasitären Kapazität keine Frequenzen über etwa 100 Megahertz verarbeiten können.
Metallschicht-Widerstände sind zwar auch in Einzelstückzahlen erhältlich, praxistauglicher ist allerdings der Erwerb von kompletten Sortimenten mit Reihen unterschiedlicher Widerstandswerte.
Für die Leiterplattenproduktion gibt es die Widerstände gegurtet in Großpackungen, damit lassen sie sich auch von Bestückungsautomaten verarbeiten.
Bei der Auswahl zu beachten sind – neben der Bauform und dem Widerstandswert – auf jeden Fall die maximale Belastung und die höchstmögliche Betriebstemperatur. Aufgrund ihrer Größe und Konstruktion sind diese Widerstände zudem nicht für Anwendungen geeignet, bei denen es zu Überspannungsspitzen kommen kann.
Widerstände mit Kohlenstoffzusammensetzung sind hier sinnvoller, da sie Transienten viel besser vertragen.
Können diese Widerstände auch eine Induktivität besitzen?
Durchaus, und zwar aufgrund des schraubenförmigen Schnitts, mit dem der Widerstand getrimmt wird. Obwohl sie für die meisten Anwendungen gut geeignet sind, kann ihre Leistung durch die Induktivität beeinträchtigt sein, wenn sie beispielsweise im Mikrowellenbereich eingesetzt werden.
Wie sind die Farbringe zu interpretieren?
Die ersten beiden Ringe zeigen die ersten beiden Ziffern des Wertes, der dritte Ring die Anzahl der Nullen nach diesen ersten Ziffern. Wenn der dritte Ring zum Beispiel rot ist, folgen auf die ersten beiden Ziffern zwei Nullen. Ist der Wert goldfarben, folgen auf die ersten beiden Ziffern fünf Nullen. Der vierte Bereich gibt die Toleranz in Prozent an. Ein brauner oder roter Streifen steht für eine Toleranz von 1 Prozent, während ein goldener oder silberner Streifen eine Toleranz von 10 Prozent angibt.
Welche Eigenschaften haben Metallschichtwiderstände im Vergleich zu anderen Typen?
Die Widerstandswerte von Metallschichttypen zeichnen sich durch hohe Langzeitstabilität und geringe Temperaturabhängigkeit aus. Letztere liegt im Bereich von weniger durchschnittlich 50 ppm/K, während sie bei Kohleschichtwiderständen um den Faktor 10 höher und sogar negativ sein kann. So bedeutet beispielsweise 100 ppm/K (Parts per Million pro Kelvin), dass der bei Raumtemperatur geltende Nennwert bei einer Temperaturerhöhung um 100 Grad um 0,01 % zunimmt. Wie alle anderen Widerstandstypen erzeugen auch Metallschichtwiderstände eine geringe Rauschspannung, verursacht von unregelmässigen Elektronenbewegungen im leitenden Material. Bei auf Kohlenstoff basierenden Widerstandstypen kann der Rauschpegel auf Grund anderer physikalischer Effekte allerdings deutlich höher sein. Metall reagiert ausserdem unempfindlicher gegen grosse Belastung. Deshalb sind Metallschichtwiderstände bei gleicher Baugrösse für grössere elektrische Leistung geeignet als Kohleschichtwiderstände.
Die häufigste Bauform ist der Typ 0207. Das sind axial bedrahtete zylinderförmige Bauelemente mit einer Länge von 6,3 mm und einem Durchmesser von 2,3 mm. Diese Ausführung ist für Leistungen zwischen 0,5 und 0,6 Watt geeignet. Die kleinere Bauform 0204 mit einer Länge von 3,4 mm und einem Durchmesser von 1,9 mm kann mit 0,25 W belastet werden. Diese Bauformen eigenen sich für die klassische THT-Bestückung („Through Hole Technology“) von Platinen im 0,1-Zoll-Raster sowie auch für die freie Verdrahtung.
Metallschichtwiderstände sind blau lackiert, und die Farbcodierung entspricht der Norm IEC 60757 (früher DIN 47002). Weil sich mit modernen Produktionsprozessen Metallschichtwiderstände mit sehr geringen Abweichungen zum jeweiligen Nennwert produzieren lassen, stehen diese praktisch in beliebigen Werten zur Verfügung. Mittlerweile sind Metallschichtwiderstände in der E96-Reihe mit einer maximalen Abweichung von +/-1 % der Standard. Die Werte sind in geometrischer Folge abgestuft und überlappen sich an ihren jeweiligen Toleranzgrenzen. Der standardmässige Wertebereich liegt zwischen 0 Ω und 10 MΩ. Um die genauen Werte mit Farbcode angeben zu können, reichen die früher üblichen vier Ringe nicht aus. Deshalb werden auf Metallschichtwiderständen fünf Ringe aufgebracht, deren Bedeutung nach der Norm DIN IEC 62 festgelegt ist. Ein hilfreiches Werkzeug ist das „Vitrometer“, mit dem sich vier- und fünffache Farbringe auf den Widerstandskörper entschlüsseln lassen.
Andere Widerstandstypen, z. B. Kohleschichtwiderstände, lassen sich in der Regel problemlos mit Metallschichtwiderständen ersetzen. Umgekehrt ist das nicht in allen Fällen möglich, weil sich bestimmte Parameter nur von Metallschichttypen erfüllen lassen.
Metallschichtwiderstände sind in Einzelstückzahlen erhältlich. Für die Produktion werden die Widerstände in Grosspackungen gegurtet geliefert, so dass sie sich auch von Bestückungsautomaten verarbeiten lassen. Für den Bedarf im Labor oder der Servicewerkstatt hat sich das Widerstands-Sortiment bewährt, bei dem in übersichtlicher Form die wichtigsten Werte für Experimente bzw. Reparaturen zur Verfügung stehen.