Der Widerstand: Wer braucht „dicke Dinger“?

Artikelfoto Widerstand - www.michael-floessel.deIch schreibe diesen Artikel vornehmlich wieder für all jene Elektronikbegeisterte, die gerne mit diesem Hobby ihre Freizeit verbringen. Die gerne löten und sich an kleinen Schaltungen erfreuen, welche man eben im eigenen Hobbykeller realisieren kann. Soweit möglich, umgehe ich die tiefe Theorie der Physik. Es geht mir, wie oft, eher darum, etwas Transparenz zu schaffen. Na, zumindest einen kleinen Teil dazu beizutragen ;-)

Ehrlich ist es doch auch so: Um eine LED leuchten zu lassen, muss nicht unbedingt ein Elektronenmodell bemüht werden. Kann man machen, muss man aber nicht. Umgekehrt ist es aber leider auch so, dass ständiges „Try & Error“ eher frustrierend und unter Umständen auch gefährlich ist. Meist kommt man über einen gewissen Grad an Zufallserfolgen nicht hinaus.

Ist auch ziemlich egal, ich schreib‘ das jetzt hier mal auf. Auslöser für den Gedanken diesen Blogpost nun zu tippen, sind mal wieder die Frage- und Kritikmails. Um genau zu sein, eine bestimmte.

Über die Weihnachtstage habe ich erneut die elektrische Post etwas sortiert und bemerkt, dass neben den Leuchtdioden, auch die Widerstände mit einigen Fehleinschätzungen verwendet werden. Im Gegensatz zur LED, quittiert ein Widerstand nicht gleich den Dienst bei fehlerhaftem Einsatz, weshalb falsche Anwendungen oder Dimensionierungen oft unbemerkt bleiben. Die Ausnahme bildet natürlich eine extreme Überlastung, dann haben auch diese Bauelemente keine Chance :-) Die lange Vorgeschichte schreibe ich jetzt übrigens nur, weil ich natürlich wieder die, sicherlich manchmal angebrachten aber zum Artikelumfang unpassenden, Bemerkungen in der Art von „…wer das nicht weiß, sollte die Finger von der Elektronik lassen“ vor mir sehe. Ihr versteht vielleicht, was ich meine…

Leider sind viele Fehlinformationen sehr tief verankert, wie ich mit dem folgendem Beispiel mal anführen möchte.

KFZ Buchse mit USB-AdapterDas Ding mit der Dimensionierung

 

Der Beginn eines längeren Nachrichtenaustausches, war in etwa der folgende Satz: „… da ja die Batterie im Auto so viele Ampere hat, muss ein Widerstand rein, der eben auch sehr groß sein dürfte.“

Planerisch war vom Schreiber der permanente Anschluss eines USB-Ladeadapters beabsichtigt der, parallel zum Zigarettenanzünder, fest angeschlossen werden sollte. Als sozusagen „Spannungsreglung“, hatte der Schreiber einen Hochlastwiderstand in Reihe zum Ladeadapter vorgesehen. Weil die zu ladenden Geräte keine 46 Ampere benötigen und seine Batterie ja immer soviel Power bringt, muss man wohl was gegen den Strom unternehmen. Kern der Frage war eine Bezugsquelle für entsprechende, in den Abmessungen kleine, Hochlastwiderstände. Besser mit noch mehr Power, eben wegen der vielen Ampere. Das der wohl bereits vorhandene Ladeadapter schon alles notwendige mitbringt, ging zunächst völlig unter.

Der Schreiber hatte schon in diversen (Facebook?) Gruppen gefragt, war aber mit den Antworten nicht einverstanden. Ich kann mir natürlich gut vorstellen, was da los war.

Die Fehleinschätzung, dass eine Autobatterie zu viel Strom für orgnungsgemäß betriebene und dafür vorgesehene Geräte liefert, ließ sich noch gut mit Erklärungen korrigieren. Das aber grundsätzlich nicht die Belastungsfähigkeit einzelner Bauteile, der Leitsungsfähigkeit der Stromquelle überlegen sein muss, wollte er mir nicht glauben.

Lediglich die Erkenntnis, dass ja der Ladeadapter schon die Wandlung von 12V zu 5V vornimmt, leuchtete ein. Ebenso der Umstand, dass es doch ein wenig anderer Technik bedarf, wenn die bekannten Adapter größenmäßig durchaus in die geschlossene Faust passen. Pure Widerstände können das nicht sein.

Der Gedankenfehler lag eher bei der Tatsache, dass das Teil eben nicht an der Steckbuchse des Autos, sonder fest verdrahtet montiert werden sollte. Irgendwie war da wohl etwas Verwirrung über die Regelelekronik entstanden. Prinzipiell kam der Fehler eben daher, dass er eigentlich nicht über einen Laderegler, sondern über einen Vorwiderstand nachgegrübelt hat, die von ihm gefundenen Bauteile aber bestenfalls zum Maschinenraum der Titanic gepasst hätten. Da lief dann alles irgendwann durcheinander. Im Grunde sollte eigentlich nur das besagte Ladegerät aus dem Gehäuse entfernt und irgendwo im Fahrzeug montiert werden. Die Diskussion zog sich allerdings über einige Tage hin, immer wieder endete alles mit Fragen zum Vorwiderstand.

Klar, wenn die Grundvoraussetzungen falsch interpretiert werden, kann man sogar mit unpassenden Zahlen zu überprüfbaren Rechenergebnissen kommen.

In der Rechnung des Schreibers, liefert eben die Batterie besagte 46 Ampere bei 12 Volt. USB-Schnittstellen in solchen Ladeadaptern stellen 5V zur Verfügung, sein Adapter maximal 2 Ampere pro Port, 2 Ports besitzt das Teil. Er ging nun von folgendem aus:

12V – 5V = 7V, die zuviel sind. Die Batterie bringt 46 Ampere, bleiben abzüglich der 2 x 2 Ampere für die beiden Ladebuchsen 42 Ampere übrig. U * I = P soll also konkret bedeuten: 7V  * 42 A = 294 Watt. Tja, und er suchte eben Widerstände, die das „verpacken“. Uff! Am Ende ist das Projekt übrigens gescheitert, die eckigen Löcher für die USB-Buchsen waren wohl doch die ärgste Hürde, nun gut.

Um die Sache abzurunden noch eine kleine Erläuterung, wo welcher Wert bei solchen Berechnungen hingehört. Der Stom muss dem entsprechen, was im Maximalfall fließen kann. Daneben ist entscheidend, welche Spannung dann real am Widerstand abfällt.

Einfache LED Schaltung mit VorwiderstandBeispiel:

Eine klassische grüne LED, max. 20mA

Spannung an der LED = 2V

Speisespannung 12V

Spannungsabfall am Vorwiderstand dann folgerichtig 10V

Bei U * I = P, sind dies dann 10V x 0,02A = 0,2W = 200mW. Der klassische 1/4 Watt Widerstand, würde bestens passen. Man muss eben das in die Berechnung einbeziehen, was auch real ist.

Würde der Vorwiderstand so gewählt, dass nur 10mA fließen, wäre auch die Leistung halbiert, welche in dem Widerstand in Wärme umgesetzt wird. Dann sind es eben nur noch 100mW, die das Bauteil an Belastung ertragen muss. Völlig unabhängig davon, ob die Batterie oder das Netzteil nun 1 oder 10 Ampere liefern könnten.

Es käme ja auch niemand auf die Idee, Widerstände in die Zuleitungen zum Fernseher zu installieren, nur weil der Power auf der Leitung, auch für die Waschmaschine ausreicht, oder?

Ich habe schon des öfteren ausführlichere Hinweise zur Berechnung von Bauteilen hier veröffentlicht, zum Abschluss eine kleine Liste, bzw. die Links dazu:

Strom, Spannung, Widerstand, Kennzeichnungen – 1

Strom, Spannung, Widerstand, Kennzeichnungen – 2

Lampen, LEDs, Helligkeit, Poti, Trimmer…

Berechnung des Stromverbrauchs mal zerlegt

Eselsbrücke: Farbcodes auf Widerständen

 

 

 

Berechnung LED Vorwiderstand

OK, offensichtlich gibt es Bedarf… ;-)

Grüne LED

Vorweg, eine LED sollte IMMER einen Vorwiderstand haben! Ich weiß, das es auch z.B. Fernbedienungen gibt, in denen die Sende IR-LED direkt über einen FET an der Betriebsspannung hängt. In diesen Fällen ist einfach der Innenwiderstand der Batterie ausgenutzt worden oder der RDSon des FET’s. Trotzdem keine ’saubere‘ Lösung…

Also gehen wir mal von folgendem Schaltbild aus:
Einfache LED Schaltung mit VorwiderstandEinfacher LED Anschluss mit Vorwiderstand

 

 

 

Hat man keine eindeutigen Daten zur LED zur Hand, kann man von folgenden Kerndaten ausgehen:

  • Blau Weiß:         3V, max. 20mA
  • Rot, Grün,Gelb:  2V, max.20mA

Mir ist klar, das es nicht immer genau 2V oder 3V sind, aber da man ohnehin meist auf einen Standardwiderstand einer E-Reihe zurückgreifen muss und diesen immer eine Stufe über dem berechneten Wert nehmen sollte wird, kommt das auf ’nen Schnapps‘ nicht an! Ich empfehle ohnehin, nur mit 10-15 mA zu rechnen, das schont die Stromquelle (spart Energie! ;-) ) und man ist eben auf der sicheren Seite!

Ebenso sind moderne LEDs hell genug, man muss sie nicht immer am Limit betreiben. Wenn man wirklich alles herausholen möchte, ist das Datenblatt zur LED Pflicht! Hier im Beispiel gehe ich aber von normalen 3 bzw. 5mm LEDs aus!

Wobei ich für den schnellen Einsatz mit folgenden Werten immer klar gekommen bin:

  • -5V    220R
  • -12V  560R
  • -24V 1500R

OK, zum Rechnen :-)

Man nimmt die Betriebsspannung, zieht den zu erwartenden Spanungsabfall der LED ab und Teilt das Ergebnis durch den max. Strom -> U=R*I

Darauf achten, das man richtig mit den Kommastellen umgeht! 1Ampere = 1000mA.

Beispiel mit 12V, 2V LED Spannung und 15mA LED Strom:

12V-2V = 10V (Die sollen am Vorwiderstand abfallen!)

10V:15mA = 666,6 Ohm

Im Taschenrechner ist aber 10:0,015 einzugeben, die 0,015 sind 15mA (in Ampere!)

nächstliegender Wert in z.B. der E12 Reihe wären 680 Ohm.

 

 

Android App: ElectroDroid

electrodroid_screenshot_app_android_www.michael-floessel.deAls Elektroniker hat man ja des öfteren (wenn nicht immer) auch mit Mathematik und Berechnungen zu tun. Daneben gibt es auch Farbcodes, Simulatoren und andere Dinge, die man nicht immer im Kopf hat. Hier gibt’s ElectroDroid (Goolge Play), eine nette App, die sich als Helferlein für diese Sachen bereitstellt. Zusätzlich noch der Link zur Entwicklerseite, es gibt wohl weitere Versionen für andere Betriebssysteme. Ich habe mich allerdings nur um die Androidversion gekümmert, schaut am besten selber mal nach ;-)

Das Tool gibt es in einer kostenlosen und einer Pro Version, welche dann 1,99€ kosten will. Bisher habe ich nur die Free-Version installiert, sie hat bislang für mich völlig ausgereicht.

Einige der Funktionen:

  • Widerstandsfarbcode
  • SMD Widerstandscode
  • Spulenfarbcodes
  • Ohmsches Gesetz
  • Blindwiderstand
  • Spannungsteiler
  • Vorwiderstände LED
  • NE 555
  • LM 317
  • Verlustleistung
  • noch einige mehr!

Eine gute Wahl, um einige Dinge von seinem Androiden erledigen zu lassen :-)

 

Wenn man darüber hinaus noch günstiges Elektronikzubehör sucht, ist Reichelt immer eine gute Wahl: 



reichelt elektronik – Elektronik und PC-Technik


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Strom, Spannung, Widerstand, Kennzeichnungen – 1

IRUStrom, Spannung und Namen

Bei relativ vielen Anfragen die ich bekomme, werden die Begriffe Strom und Spannung bunt durcheinander gemischt. Nebenbei, in Radio + TV kommt das auch gern‘ vor :-D

Jedenfalls ist es sinnvoll, diese Begriffe richtig einzuordnen. Wenn man selber etwas elektronisches aufbauen möchte und dazu vielleicht auch eine kleinere Berechnung nötig ist, kommt man um ein sauberes trennen der Begriffe nicht herum. Es ist nicht möglich einen Vorwiderstand zu berechnen, wenn der Unterschied zwischen Strom, Spannung und Widerstand nicht klar ist.

In einer der letzten Emails stand z.B. in etwa das folgende:

‚In meiner Platine fließen 12 Volt bei 2 Ampere‘.

Laut mitgesendetem Stromlaufplan war es ein mit dem NE555 aufgebautes Lauflicht. 3x NE 555 mit jeweils 2 LEDs parallel, einfach Schaltung für Schaltung hintereinander geschaltet, kaskadierbar. Kann man so machen, sollte auch funktionieren, braucht aber niemals 2 Ampere, jedenfalls nicht, wenn alles richtig aufgebaut ist. Gemeint war, wie so oft, es stehen 2 A zur Versorgung zur Verfügung. Deswegen benötigt die Schaltung diese aber nicht. Man KANN dann die Stromversorgung bis zu 2 Ampere belasten, das heißt nicht, dass die Elektronik diese auch braucht. Gilt übrigens auch für PC-Netzteile! Ein 400W Netzteil KANN diese Leistung bringen, muss aber nicht. Braucht der PC weniger Strom, wird auch das Netzteil nur das liefern, was benötigt wird.

Jedenfalls ist es dann auch per Ferndiagnose via Email schwierig, den richtigen Faden zu finden. Wenn 2 LEDs 2 Ampere ziehen (mehr als 2 sind nie gleichzeitig in der Schaltung aktiv), denke ich zuerst an Kurzschluss oder ähnliches. War da aber nicht der Fall, es waren einfach falsch verbaute LEDs.

Ich versuche, URI mal aufzudröseln:

  • Die Spannung ist das, was in einer Schaltung zwischen 2 Punkten zur Verfügung steht. Die Betriebsspannung z.B. liegt nach dem Einschalten an. Dort, wo sie in die Schaltung eingespeist wird. Egal, ob schon ein Strom fließt oder nicht. Sie wird in Volt angegeben, in den Formeln kurz ‚U‘.
  • Der Strom fließt innerhalb einer Schaltung. Er kann niemals fließen, wenn kein geschlossener Stromkreis zur Verfügung steht. Würde man z. B. die Leiterbahn unterbrechen, die von den Klemmen der Stromversorgung zur eigentlichen Elektronik führt, wird auch kein Strom durch die Schaltung fließen. Die Spannung würde an den Einspeisepunkten aber trotzdem zur Verfügung stehen. Der Strom wird in Ampere gemessen, in Formeln ‚I‘.
  • Der Widerstand reduziert den Stromfluss! Je höher ein Widerstand ist, desto weniger Strom wird fließen. Das können auch lange oder dünne Leitungen sein, es muss nicht unbedingt der Widerstand als Bauteil sein. Sobald ein Strom durch einen Widerstand fließt, wird vom Eingang zum Ausgang des Widerstandes auch ein Spannungsabfall messbar sein. Das ist physikalisch einfach so, wenn man sich nicht näher mit dem Elektronenfluss beschäftigen möchte, einfach so hinnehmen :-D Der Widerstand hat die Einheit Ohm, Formelzeichen ‚R‘. Zum Thema Rechnen & Elektronik steht auch immer wieder was hier im Blog, einfach die Suche nutzen oder in der Kategorie ‚Elektronik‘ schauen.

O.K., soviel wollte ich gar nicht schreiben. Aber zur Verdeutlichung schicke ich nachher wohl noch einen Artikel hinterher :mrgreen: