Elektrische weerstand (component)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Drie weerstanden

Een weerstand is een elektrische component die de eigenschap elektrische weerstand heeft.

Weerstanden worden gebruikt als onderdeel in elektrische netwerken. Voor zo'n component is er volgens de wet van Ohm een vaste verhouding tussen de aangelegde spanning en de stroom die vloeit. Deze verhouding is de weerstandswaarde, die uitdrukt in welke mate de stroom hinder ondervindt. De weerstandswaarde, kortweg ook weerstand genoemd, wordt uitgedrukt in de afgeleide SI-eenheid ohm (symbool: Ω). Een weerstand heeft een waarde van 1 ohm als een spanning van 1 volt over de component leidt tot een stroom van 1 ampère.

[bewerken] Soorten weerstanden

[bewerken] Constructie

Een weerstand ontleent zijn eigenschap aan een weerstandsmateriaal, waarvoor koolstof en metaallegeringen gebruikt worden. De meeste weerstanden zijn op koolstof gebaseerd. Een massaweerstand bestaat volledig uit koolstof. Andere typen zijn uitgevoerd met een koolstoflaagje, al dan niet gespiraliseerd. Weerstanden met weerstandsdraad van een geschikte metaallegering worden gewikkeld om een kern, ten einde voldoende lengte van de draad in een klein volume te kunnen verwerken. Gewikkelde weerstanden hebben het nadeel dat bij hogere frequenties de zelfinductie van de wikkeling niet te verwaarlozen is. Naast precisieweerstanden van weerstandsdraad zijn er ook met een metaalfilm.

[bewerken] Weerstandswaarden

Weerstanden worden verkocht met standaardwaarden uit de zogenaamde E-reeksen van enkele μΩ (micro-ohm) tot ongeveer een GΩ (giga-ohm).

[bewerken] Tolerantie

Weerstanden worden meestal gemarkeerd met hun tolerantie, de maximale afwijking in procenten van de aangegeven weerstandswaarde. Op kleurgecodeerde weerstanden geeft de meest rechtse band aan welke tolerantie de weerstand heeft. Weerstanden met een zeer kleine tolerantie worden precisieweerstanden genoemd.

[bewerken] Maximale werkspanning/werkstroom

Een weerstand heeft een maximale werkspanning/werkstroom. Daarboven zal de weerstand veranderen, in sommige gevallen zelfs dramatisch, doordat de weerstand beschadigd raakt. Hoewel sommige weerstanden specifieke spannings- en stroombeperkingen hebben, worden de meeste gekenmerkt door hun maximum vermogen. Dit laatste hangt af van de afmetingen van de weerstand. Grotere weerstanden kunnen meer hitte dissiperen door hun grotere oppervlakte. De gebruikelijke vermogensbeperkingen voor weerstanden gebaseerd op koolstof zijn: 1/8 watt, 1/4 watt, 1/2 watt, 1 watt. Draadgewonden weerstanden en weerstanden gevuld met zand, hebben een veel hogere vermogensbeperking zoals 20 watt. Weerstanden met passieve of actieve koeling kunnen nog veel grotere vermogens verwerken. Zulke weerstanden worden bijvoorbeeld gebruikt om elektromotoren te regelen, zoals in elektrische locomotieven en treinen.

[bewerken] Inductie en capaciteit

In de praktijk zijn de discrete componenten die men verkoopt als weerstand geen ideale weerstand zoals boven gedefinieerd. Elke echte weerstand introduceert eveneens enige inductiviteit en capaciteit die het dynamische gedrag van de weerstand veranderen ten opzichte van de ideale weerstandsvergelijking. Speciale inductie-arme weerstanden worden bifilair gewikkeld, zodat ze geschikt zijn voor hoogfrequent toepassingen.

[bewerken] Ruisspanning

Elke weerstand veroorzaakt een zekere ruisspanning (thermische ruis). Als er een stroom doorheen loopt, wordt die ruisspanning veelal sterker (stroomruis). Wanneer een weerstand is opgewarmd tot kamertemperatuur, dan wordt een deel van de warmte energie omgezet in ruis. Gezien de elektronen zich ordeloos door elkaar bewegen zal er op een bepaald tijdstip meer elektronen aan de ene kant van de weerstand zitten, dan aan de andere kant. Hierdoor is er een (klein) potentiaalverschil en is er zonder een externe bron aan te sluiten, een ruisbron/ruisgenerator gemaakt.

De formule voor de thermische ruis: $\sqrt[2]{4kTRB}$

Waarbij:

k de constante van Boltzmann (1,38·10^-23 Ws/K)
T de absolute temperatuur in K
B de bandbreedte in Hz
R de weerstandswaarde

Bij een koolfilmweerstand is dit effect aanmerkelijk sterker dan bij een weerstand van metaalfilm.

[bewerken] Variabele weerstanden

Schematische weergave van enkele weerstanden

Een variabele weerstand is een weerstand waarvan de waarde veranderd kan worden door beweging, lichtinval, spanning, temperatuur of mechanische vervorming.

Enkele variabele weerstanden zijn:

potentiometer (ook: potmeter): weerstand afhankelijk van sledepositie (door rotatie of schuiven), waardoor spanningsverhoudingen instelbaar zijn.
rheostaat: Variabele weerstand, veelal voor hogere stromen.
LDR (light dependant resistor): weerstand omgekeerd evenredig met de lichtintensiteit
VDR (voltage dependant resistor): weerstand afhankelijk van spanning
NTC-weerstand (negatieve temperatuurcoëfficiënt): weerstand omgekeerd evenredig met de temperatuur
PTC-weerstand (positieve temperatuurcoëfficiënt): weerstand evenredig met de temperatuur
rekstrookje: weerstand afhankelijk van mechanische vervorming

[bewerken] Vervangingsweerstand

Als er meer weerstanden voorkomen in een elektrische kring, dan kan de globale weerstand of de vervangingsweerstand als volgt berekend worden:

Schakelt men een reeks van n weerstanden in serie dan geldt dat de vervangingsweerstand gelijk is aan de som van de te vervangen weerstanden:

$R_v = \sum_{k=1}^{n} R_k$

Schakelt men een reeks van n weerstanden in parallel dan geldt dat de vervangingsweerstand gelijk is aan het harmonisch gemiddelde van de te vervangen weerstanden, gedeeld door het aantal weerstanden:

$\frac 1{R_v} = \sum_{k=1}^{n} \frac 1{R_k}$

Waarbij $R v$ de vervangingsweerstand voorstelt.

De relatie tussen weerstand(R), spanning(U) en stroom(I) is:

$U=I\cdot R$

Deze relatie noemt men de Wet van Ohm.

Het omgekeerde van de weerstand noemt men de geleidbaarheid (G) of conductantie. Deze wordt uitgedrukt in Siemens (S):

$G = \frac{1}{R}$

De weerstand van een draad kan berekend worden met de Wet van Pouillet.

[bewerken] Dissipatie

Het elektrische energieverlies in een weerstand wordt dissipatie genoemd. De gedissipeerde energie komt vrij als warmte. In een weerstand is het vermogen in watt van dit verlies af te leiden via:

$P = \frac{U^2}{R}$