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Widerstände gehören zweifellos zu den grundlegendsten elektronischen Bauelementen und sind ein entscheidender Bestandteil einer jeden elektronischen Schaltung. Manche Widerstände werden in Form altmodischer Drahtspulen von Hand auf Leiterplatten (PCBs) gelötet, andere hingegen als Polysiliziumbahnen direkt in integrierte Schaltkreise (ICs) eingebunden.

In diesem Blogbeitrag betrachten wir die Bedeutung von Widerständen in modernen elektronischen Designs und untersuchen, wie Ingenieure ihre Produkte mit den neuesten Widerständen von Panasonic kostengünstiger und effizienter gestalten können.

Widerstände in der Geschichte

Einer der ältesten serienmäßig hergestellten Widerstände ist der Kohlemassewiderstand. Hierbei handelt es sich um einen in Harz gebundenen Zylinder aus Kohle- und Keramikpulver, der an beiden Enden mit Metallkappen und Anschlussdrähten versehen ist. Diese Widerstände waren in Verstärkern, Radios und anderen frühen elektronischen Geräten durchaus nützlich, stießen aus verschiedenen Gründen aber rasch an ihre Grenzen.

In der Folge hatte die Industrie schon bald eine breite Palette verschiedenartiger Widerstände mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen entwickelt. Drahtgewickelte Widerstände findet man häufig in Leistungsanwendungen, bei denen ein normaler Kohlewiderstand verdampfen würde, während für Präzisionsschaltungen, die Widerstandstoleranzen von weniger als 1 Prozent erfordern, besonders gerne Metallschichtwiderstände verwendet werden.

Heute ist das Angebot an Widerständen in verschiedensten Formen und Größen für die unterschiedlichsten Anwendungen selbst für erfahrene Ingenieure kaum noch zu überblicken. Hinzu kommt, dass der technische Fortschritt die Nachfrage nach IoT-Anwendungen und -Lösungen vorantreibt, für die immer kleinere Schaltungen benötigt werden. Ganz zu schweigen vom Bereich der „Wearable Electronics“, der flexible und für immer höhere Leistung auf immer kleinerem Raum ausgelegte Steuer- und Stromschaltungen erfordert.

Eine neue Reihe Standardwiderstände von Panasonic

Panasonic weiß um die Bedeutung von Widerständen und stellt eine neue Baureihe vor, die die Entwicklung noch kleinerer und effizienterer Designs erlaubt. Für das neue Angebot hat Panasonic die Widerstände der älteren Baureihe (Serie ERJ) bei gleicher oder höherer Leistung verkleinert oder ihre Verlustleistung bei gleichem Platzbedarf gesteigert.

Bei genauerem Hinsehen erkennt man, dass Panasonic eine verbesserte Trimmtechnik verwendet hat, um die Verlustleistung seiner Widerstände für die Oberflächenmontage zu steigern. Wie Sie sehen, wird ein üblicher SMD-Widerstand (Surface Mount Device) mithilfe einer geradlinigen, L-förmigen Bahn auf seinen Nennwert getrimmt. Das Problem ist, dass bei dieser Bauweise scharfe Materialkanten entstehen, an denen sich „Hotspots“ bilden. Während der Widerstand ansonsten deutlich mehr Leistung aufnehmen könnte, begrenzen diese Hotspots die maximale Verlustleistung ebenso wie den maximalen Pulsstrom (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Abbildung zeigt die Strombelastbarkeit der herkömmlichen und der neuen Panasonic-Widerstände im Vergleich. (Quelle: Panasonic)

Bei seiner neuen Trimmtechnik verwendet Panasonic von beiden Seiten des Widerstands gekrümmt einlaufende Bahnen. Dadurch wird das Leistungsverhältnis um insgesamt 64 Prozent reduziert, sodass praktisch keine Hotspots mehr auftreten (Abbildung 2). Zudem verbessert diese Trimmtechnik das Pulsverhalten der Serie ERJP, wobei sich die Strombelastbarkeit insgesamt bei gleicher Gehäusegröße typischerweise verdoppelt.

Abbildung 2: Die Leistungsverhältnisse der neuen und der herkömmlichen Panasonic-Widerstände im Vergleich. (Quelle: Panasonic)

Dank der gekrümmten und mäandernden Trims weisen die Widerstände der neuen Serie bei geringerer Größe eine deutlich höhere Strombelastbarkeit auf. Außerdem sind die neuen, kleineren Widerstände von Panasonic erheblich leichter. So kann ein Produkt mit 10.000 SMD-Standardwiderständen des Typs 1206 beispielsweise stattdessen mit 0805-Hochleistungsbauteilen ausgestattet werden. Dadurch sinkt das Gesamtgewicht der Widerstände um 60 Prozent auf 40 g, während sich der Platzbedarf halbiert.

Erwähnenswert ist auch, dass die Widerstände der neuen Panasonic-Serie in verschiedenen Varianten erhältlich und damit für die unterschiedlichsten Anwendungen geeignet sind. Der ERJUP6 beispielsweise ist ein 0,5-W-Widerstand in einem 0805-Gehäuse mit Anti-Schwefel- und Anti-Stromstoß-Eigenschaften, während der ERJT06 als 0,25-W-Widerstand – ebenfalls im 0805-Gehäuse – speziell für Anti-Puls-Anwendungen ausgelegt ist.

Die Widerstände der neuen ERJP-Reihe weisen Toleranzen von lediglich ±0,5 Prozent auf und sind mit 1 Ω bis 10 MΩ und einem Temperaturkoeffizient (TCR) von ±100 ppm/°C für Temperaturen zwischen -55 und +155 °C geeignet.

Implementierungsbeispiele für Widerstände der neuen Serie

ERJPA2

Der ERJPA2 ist ein 0402-SMD-Widerstand mit einer Verlustleistung von 0,2 W und kann als Ersatz für den älteren ERJ2 verwendet oder anstelle des ERJ3 oder ERJ6 eingesetzt werden, wenn ein kleineres Pad und höhere Verlustleistung erforderlich sind.

ERJPA3

Der ERJPA3 ist ein 0603-SMD-Widerstand mit einer Verlustleistung von 0,25 W und kann als Ersatz für den älteren ERJ3 verwendet oder anstelle des ERJ6 eingesetzt werden, wenn ein kleineres Pad und höhere Verlustleistung erforderlich sind.

ERJP03

Der ERJP03 ist ein 0603-SMD-Widerstand mit einer Verlustleistung von 0,2 W und kann als Ersatz für den älteren ERJ3 verwendet oder anstelle des ERJ6 eingesetzt werden, wenn ein kleineres Pad und höhere Verlustleistung erforderlich sind.

ERJP06

Der ERJP06 ist ein 0805-SMD-Widerstand mit einer Verlustleistung von 0,5 W und kann als Ersatz für den älteren ERJ6 verwendet oder anstelle des ERJ8 eingesetzt werden, wenn ein kleineres Pad und höhere Verlustleistung erforderlich sind.

ERJP08

Der ERJP08 ist ein 1206-SMD-Widerstand mit einer Verlustleistung von 0,66 W und kann als Ersatz für den älteren ERJ8 verwendet oder anstelle des ERJ14 eingesetzt werden, wenn ein kleineres Pad und höhere Verlustleistung erforderlich sind.

Wie man sieht, sind die Widerstände der neuen Serie bei gleicher Leistung nicht nur kleiner, sondern weisen auch eine höhere Strombelastbarkeit auf. Doch welche Vorteile bieten geringere Größe und höhere Verlustleistung für den Designer und was können Ingenieure von den Widerständen der neuen Panasonic-Serie erwarten?

Die Vorteile kleinerer, leistungsfähigerer Widerstände

Kleinere Teile mit höherer Strombelastbarkeit bieten viele Vorteile, von denen nicht alle auf den ersten Blick erkennbar sind.

Widerstände wie der ERJP03 dienen nicht nur als Ersatz für den älteren ERJ3 (d. h. sie können ohne Änderungen an der Grundfläche älterer PCB-Designs ausgetauscht werden), sie können auch mehr Leistung aufnehmen und damit sowohl anstelle größerer Widerstände eingesetzt als auch in Gruppen kombiniert werden, um die Verlustleistung zu steigern. Eine geringere Teileanzahl kann dazu beitragen, die Stücklistenkosten und damit die Herstellungskosten insgesamt zu senken.

Der Austausch älterer Widerstände (z. B. ERJ8) durch kleinere Widerstände (z. B. ERJP06) mit gleicher oder höherer Verlustleistung wirkt sich auf das Design der gesamten Leiterplatte aus. Kleinere Komponenten sparen wertvollen Platz auf der Leiterplatte und machen diese dadurch billiger. Außerdem wird die Schaltung dadurch insgesamt kleiner und das bringt eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich. Erstens sind die Leiterbahnen kleinerer Schaltungen häufig kürzer, was in EMV-kritischen Umgebungen sehr hilfreich sein kann. Zweitens lassen sich kleinere Schaltkreise einfacher portieren und in enge Umgebungen beispielsweise im Bereich Wearable Electronics integrieren. Wenn kleinere Komponenten zur Verfügung stehen, kann der Designer auf derselben Leiterplatte mehr Funktionen unterbringen und so den Leistungsumfang seines Produkts erweitern.

Die Verwendung kleinerer Teile in geringerer Stückzahl wirkt sich auch auf die Fertigung aus. Da weniger Komponenten weniger Platz beanspruchen, passen auch mehr Leiterplatten auf ein Panel, sodass diese vom Bestückungsautomaten schneller montiert werden können. Weniger Lötstellen bedeuten auch weniger potenzielle Fehlerquellen während der Herstellung und im Betrieb. Außerdem sinkt mit der Anzahl der Lötstellen auch der Zeitaufwand für die automatische optische Inspektion (AOI), sodass in derselben Zeit mehr Komponenten geprüft werden können.

Fazit

Die Auswahl des richtigen Widerstands für Ihr Design ist eine wichtige und angesichts des vielfältigen Angebots nicht gerade einfache Aufgabe. Panasonic weiß um die Bedeutung von Widerständen und hat neue Technologien für die Herstellung noch kleinerer und effizienterer Widerstände entwickelt.

Der Blogbeitrag Höhere Standards für Widerstände festlegen wurde von Panasonic geschrieben und ursprünglich auf na.industrial.panasonic.com veröffentlicht.