Weerstand (component)

Een weerstand is een elektrische component die de eigenschap elektrische weerstand heeft. Het is een voorwerp dat dient om de doorgang van elektrische stroom te bemoeilijken, er weerstand aan te bieden, met als gevolg een spanningsval over de weerstand.

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.

Soorten weerstanden

Constructie

Een weerstand ontleent zijn eigenschap aan een weerstandsmateriaal, waarvoor koolstof en metaallegeringen gebruikt worden. De meest voorkomende weerstanden zijn tegenwoordig koolstofweerstanden. 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. Metaalfilm- en koolstoffilmweerstanden lijken qua constructie veel op elkaar. Ze bestaan beide uit een dun opgedampt laagje koolstof of metaal (NiCr) waarin een spiraal is gesneden om de juiste weerstandswaarde te bereiken.

Weerstandswaarden

Hoe groter de tolerantie, hoe breder het bereik van de waarde is. Als er een serie weerstanden gewenst is, heeft het alleen zin om twee waarden te fabriceren waarvan het tolerantiegebied elkaar niet overlapt. Op basis van de voorkeursgetallen van Charles Renard zijn voor elektronische componenten, zoals weerstanden, de zogenaamde E-reeksen ontwikkeld. De E3-reeks kent drie waarden in elke decade, bijvoorbeeld tussen 10 en 100 (10, 22, 47). De E192-reeks bevat 192 weerstandswaarden in hetzelfde bereik. De bekendste reeks voor weerstanden is de E12: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82. De E12-serie gaat uit van een tolerantie van 10%. Weerstanden worden verkocht met standaardwaarden uit deze reeksen tussen enkele μΩ (micro-ohm) (voor hogestroommeting) en ten minste 56 GΩ (giga-ohm) (voor bijvoorbeeld hoogspanningsmeting). Deze getallenreeksen vormen bij benadering een meetkundige rij, waardoor de verhouding tussen twee opeenvolgende waarden binnen dezelfde reeks ongeveer constant is. Als het aantal stappen in de reeks n is, dan bedraagt deze verhouding ongeveer 10^1/n. Bij de E12-reeks is dat 10^1/12 ≈ 1,21. Elke volgende stap in deze reeks is dus ca. 20% hoger. Daaruit blijkt tevens dat een grotere tolerantie dan ±10% voor deze reeks zinloos is.

Tolerantie

Weerstanden kunnen bij productie niet oneindig nauwkeurig op een waarde worden gemaakt, de uiteindelijke waarde wijkt een bepaald percentage af. Dit wordt de tolerantie van de weerstand genoemd. De maximale afwijking in procenten van de aangegeven weerstandswaarde wordt meestal op de weerstand aangegeven met een getal of door middel van een kleurenring. Op kleurgecodeerde weerstanden geeft bij een codering van vier of vijf banden de meest rechtse band aan welke tolerantie de weerstand heeft. Bij een codering met zes banden is de vijfde band de tolerantie band. Weerstanden met een zeer kleine tolerantie worden precisieweerstanden genoemd. De meest gebruikelijke tolerantie voor hedendaagse weerstanden is 5% en wordt aangegeven met een gouden ring.

Maximale werkspanning en vermogen

Een weerstand heeft een maximale werkspanning en vermogen. Boven de maximale werkspanning kan doorslag optreden, wat het einde van de component betekent. Wordt het maximale vermogen overschreden gedurende een te lange tijd zal de weerstand veranderen, in sommige gevallen zelfs dramatisch, doordat de weerstand beschadigd raakt. Hoewel sommige weerstanden specifieke spanningsbeperkingen hebben, worden de meeste grenzen in de toepassing bepaald door het maximumvermogen. Dit hangt af van de bouw van de weerstand, zoals de afmetingen en het materiaal. 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.

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 zelfinductie en capaciteit die het wisselstroomgedrag van de weerstand beïnvloeden. Speciale inductie-arme weerstanden worden bifilair gewikkeld, zodat ze geschikt zijn voor hoogfrequent toepassingen.

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. Aangezien de elektronen zich ordeloos door elkaar bewegen zullen 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 is: ${\sqrt {4kTRB}}$
Daarin is:

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 in Ω

Bij een koolfilmweerstand is dit effect aanmerkelijk sterker dan bij een metaalfilmweerstand.

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 tevens spanningsverhoudingen instelbaar zijn.
reostaat: variabele weerstand, veelal voor hogere stromen.
LDR, lichtafhankelijke weerstand (light dependant resistor): weerstand omgekeerd evenredig met de lichtintensiteit
varistor, spanningsafhankelijke weerstand (VDR, voltage dependant resistor): weerstand neemt sterk af bij stijgende 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) lengteverandering

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 weerstanden in een serieschakeling 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 een parallelschakeling 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.

Dissipatie's

Het elektrische energieverlies in een weerstand wordt dissipatie genoemd. De gedissipeerde energie komt vrij als warmte. Het vermogen P in watt van dit verlies In een weerstand van R (in ohm) is af te leiden in afhankelijkheid van de stroomsterkte I (in ampère) en de spanning U (in volt) :