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Wie man einen Widerstand testet
Widerstände gehören zu den gebräuchlichsten Komponenten in elektronischen Schaltungen, werden aber bei der Fehlerbehebung oft übersehen. Ein Widerstand, der in einem Schaltplan oder einer Simulation einwandfrei erscheint, kann unter realen Bedingungen aufgrund von Hitze, Feuchtigkeit, Alterung oder elektrischer Belastung anders funktionieren.
Die Kenntnis der Widerstandsprüfung ist eine grundlegende, aber wesentliche Fähigkeit für Ingenieure, Techniker und Elektronikfachleute. Ob Sie ein Produkt entwickeln, ein Schaltungsproblem diagnostizieren oder Produktionskontrollen durchführen, eine genaue Prüfung hilft, Fehldiagnosen und unnötige Bauteilaustausche zu vermeiden.
Dieser Leitfaden erklärt, wie ein Widerstand mit grundlegenden und fortgeschritteneren Methoden getestet werden kann. Neben Standard-Widerstandsmessungen werden auch reale Faktoren behandelt, die die Leistung beeinflussen können, um Ihnen zu helfen, fundiertere Entscheidungen in praktischen Anwendungen zu treffen.
Das Verständnis des Widerstandstestens
Bevor ein Widerstand getestet wird, ist es hilfreich zu verstehen, welche Art von Problem Sie zu finden versuchen. Unterschiedliche Ausfallmodi erfordern unterschiedliche Testmethoden, und die Anwendung des falschen Ansatzes kann leicht zu falschen Schlussfolgerungen führen.
Es gibt vier häufige Probleme, die es wert sind zu überprüfen.
- Der erste ist Widerstandsdrift. Dies geschieht, wenn der tatsächliche Wert des Widerstands außerhalb des im Datenblatt angegebenen Toleranzbereichs liegt.
- Die zweite ist eine intermittierende Unterbrechung oder ein Kurzschluss. Dies weist üblicherweise auf physische Beschädigungen, Risse, schwache interne Verbindungen oder instabilen Kontakt innerhalb des Widerstandskörpers oder seiner Anschlüsse hin.
- Der dritte ist der Spannungskoeffizient des Widerstands (VCR). Hierbei ändert sich der Widerstand geringfügig mit Änderungen der angelegten Spannung. Dieser Effekt ist besonders wichtig in Präzisions- und Analogschaltungen.
- Die vierte ist die temperaturabhängige Widerstandsänderung. Der Wert eines Widerstands ändert sich naturgemäß mit der Temperatur, aber eine übermäßige Änderung kann auf einen ungeeigneten Temperaturkoeffizienten, eine schlechte Teileauswahl oder ein zugrunde liegendes Zuverlässigkeitsproblem hinweisen.
Jede dieser Bedingungen erfordert eine andere Prüfmethode. Wenn sie als dasselbe Problem behandelt werden, kann ein Widerstand bei einer einfachen Messung normal erscheinen, während der tatsächliche Fehler unentdeckt bleibt.
Messung des Widerstands mit einem Multimeter
Für viele Standardwiderstandsprüfungen ist diese Methode einfach, schnell und für den praktischen Gebrauch genau genug.
Bei einer einfachen Widerstandsmessung legt das Messgerät einen kleinen Prüfstrom an und misst den daraus resultierenden Spannungsabfall über dem Widerstand. Anschließend berechnet es den Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz. Für die meisten Widerstände mit Werten über etwa 100 Ohm ist eine Standard-Zwei-Draht-Messung in der Regel ausreichend.
Messungen bei niedrigen Widerständen (unter 10 Ohm) stellen jedoch eine größere Herausforderung dar, da der Widerstand der Messleitungen (0,05 Ohm bzw. 0,5 Ohm pro Leitung) zu erheblichen Messfehlern führen kann. Wird beispielsweise ein 0,3-Ohm-Shunt-Widerstand bei einem Leitungswiderstand von 0,2 Ohm gemessen, zeigt das Messgerät möglicherweise 0,5 Ohm an, was einen erheblichen Fehler darstellt.
Aus diesem Grund werden Niedrigwiderstände häufig mit der Vierleitertechnik, auch Kelvin-Messung genannt, gemessen. Bei dieser Anordnung führt ein Leitungspaar den Teststrom, während ein zweites Leitungspaar die Spannung direkt über den Widerstandsanschlüssen abtastet. Da die spannungsabfühlenden Leitungen praktisch keinen Strom führen, hat der Leitungswiderstand nur sehr geringen Einfluss auf das Endergebnis. Diese Methode wird üblicherweise in Milliohmmeter, LCR-Meter und hochpräzise digitale Multimeter angewendet.
Nehmen wir als Beispiel das Messgerät Agilent 34401A. Es weist im 100-Ω-Messbereich eine Widerstandsgenauigkeit von ±0,003% + 0,001% des Messbereichs auf. Diese Genauigkeit ist für die meisten Präzisionsarbeiten ausreichend.
Ein wichtiger Punkt ist, dass die Messung des Widerstands in einem Stromkreis oft unzuverlässig ist. Andere Komponenten im Stromkreis können parallele Strompfade erzeugen, die dazu führen, dass der gemessene Widerstand normalerweise niedriger erscheint als der tatsächliche Wert des Widerstands. Für das genaueste Ergebnis sollte der Widerstand vor der Prüfung vom Stromkreis getrennt werden. In der Praxis bedeutet dies in der Regel, eine Anschlussleitung anzuheben oder das Teil gegebenenfalls vollständig auszulöten.
Messung eines Widerstands im Stromkreis
Ein wichtiger Punkt ist, dass die Messung des Widerstands in einem Stromkreis oft unzuverlässig ist. Andere Bauteile im Stromkreis können parallele Strompfade bilden, wodurch der gemessene Widerstand in der Regel niedriger erscheint als der tatsächliche Wert des Widerstands.
In vielen realen Situationen kann ein Widerstand jedoch nicht in vollständiger Isolation gemessen werden.
Wenn ein Widerstand parallel zu einem Kondensator in einer von der Stromversorgung getrennten Schaltung angeschlossen ist, kann der Prüfstrom des Multimeters beginnen, den Kondensator aufzuladen. Dies kann dazu führen, dass sich der angezeigte Wert kurzzeitig ändert, bevor er sich stabilisiert. Um diesen Effekt zu minimieren, entladen Sie den Kondensator vor der Messung sicher und warten Sie, bis sich der Messwert eingependelt hat.
Halbleiterbauelemente können eine weitere Fehlerquelle darstellen. Dioden, Transistorübergänge und andere PN-Übergänge können während der Messung leiten und das Messergebnis verfälschen. In diesen Fällen verfügen einige Multimeter über die Option, die Prüfspannung unter die Sperrspannung zu setzen.
Auch bei guter Technik sollten Widerstandsmessungen in der Schaltung normalerweise als Näherungswerte und nicht als vollständig verifizierte Werte behandelt werden. Wenn Präzision wichtig ist, ist die beste Vorgehensweise immer noch, eine Anschlussleitung zu lösen oder den Widerstand vollständig aus der Schaltung zu entfernen.
Prüfung auf den Temperaturkoeffizienten (TCR)
Der TCR, oder Temperaturkoeffizient des Widerstands, wird üblicherweise in Millionstelteile pro Grad Celsius (ppm/°C) ausgedrückt. Er beschreibt, wie stark sich der Wert eines Widerstands bei Temperaturänderungen verändert.
Beispielsweise kann ein Standard-Metallschichtwiderstand einen TCR von etwa ±100 ppm/°C aufweisen, während Präzisionswiderstände mit ±25 ppm/°C oder niedriger spezifiziert sein können. Einige Drahtwiderstände können, je nach Konstruktion und Verwendungszweck, sogar niedrigere TCR-Werte aufweisen.
Zur Überprüfung des TCR benötigen Sie eine kontrollierte Testumgebung. Typische Ausrüstung hierfür kann umfassen:
- Eine Tisch-Temperaturkammer
- eine Heizplatte mit einem Thermoelement oder einer Temperatursonde
- ein Vierleiter-Messaufbau für genaue Widerstandsmessungen
Das Grundverfahren besteht darin, zunächst den Widerstand bei einer Referenztemperatur, meist 25°C, zu messen. Erhöhen Sie dann die Temperatur auf einen höheren Wert, wie z. B. 85°C, lassen Sie den Widerstand stabilisieren und messen Sie den Widerstand erneut.
TCR kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
TCR (ppm/°C) = [(R₂ − R₁) / R₁] × [1 / (T₂ − T₁)] × 10⁶
Nehmen wir zum Beispiel an, ein 10 kΩ-Widerstand misst bei 25 °C 10.000 Ω und bei 85 °C 10.062 Ω. In diesem Fall beträgt der berechnete TCR etwa +103 ppm/°C, was nahe am erwarteten Bereich für einen Standardwiderstand von ±100 ppm/°C liegt.
Wenn der gemessene TCR deutlich höher als erwartet ist, kann dies auf Probleme wie thermische Schäden, mechanische Beanspruchung, Alterung oder Qualitätsprobleme des Bauteils hinweisen. In einigen Fällen kann der Widerstand auch ein instabiles oder nichtlineares Verhalten über die Temperatur zeigen, was darauf hindeutet, dass das Bauteil nicht mehr normal funktioniert.
Prüfung auf Spannungsabhängigkeitskoeffizient (VCR)
Einige Widerstände ändern ihren Wert geringfügig, wenn eine Spannung an ihnen anliegt. Dieser Effekt wird als Spannungsabhängigkeit des Widerstandes (VCR) bezeichnet und ist vom temperaturabhängigen Widerstandsänderung getrennt.
Der VCR wird üblicherweise in ppm/V ausgedrückt. Generell weisen Dickschichtwiderstände einen ausgeprägteren Spannungskoeffizienten auf, während Dünnschicht-, Metallschicht- und Drahtwiderstände in diesem Bereich im Allgemeinen besser abschneiden.
Nehmen wir beispielsweise an, ein 10-MΩ-Widerstand habe einen VCR von -100 ppm/V und werde bei einer Spannung von 200 V betrieben. In diesem Fall würde die Widerstandsverschiebung gegenüber seinem Wert bei niedriger Spannung etwa -20.000 ppm oder -2% betragen. In einer Präzisionsschaltung könnte eine derartige Abweichung inakzeptabel sein.
Zur Prüfung des VCR wird der Widerstand zunächst bei niedriger Spannung gemessen, dann bei höheren angelegten Spannungen erneut gemessen, wobei sowohl Spannung als auch Strom präzise überwacht werden. Der Widerstand wird in jedem Schritt berechnet und verglichen. Wenn sich der Widerstand systematisch mit steigender Spannung verändert, weist das Bauteil einen messbaren Spannungsabfallkoeffizienten auf, der die Schaltungsleistung beeinflussen kann.
Test von Widerstandsrauschen
In Präzisionsanwendungen kann auch das Rauschen von Widerständen eine Rolle spielen. Dies gilt insbesondere für rauscharmen Verstärker, Sensor-Frontend, Instrumentierungsschaltungen und andere empfindliche Analogdesigns. In allgemeineren Schaltungen ist das Rauschen von Widerständen normalerweise keine Hauptsorge.
Eine Art von Widerstandsrauschen ist das thermische Rauschen, auch Johnson-Rauschen genannt. Es kann mit folgender Formel geschätzt werden:
Vn = √(4kTRB)
Wo:
- k ist die Boltzmann-Konstante
- T ist die absolute Temperatur in Kelvin
- R ist der Widerstand in Ohm
- B ist die Bandbreite in Hertz
Bei Raumtemperatur erzeugt ein 10-kΩ-Widerstand über eine Bandbreite von 10 kHz etwa 1,3 µV RMS thermisches Rauschen. Da dies ein grundlegender physikalischer Effekt ist, kann er nur durch Verringerung des Widerstands, der Temperatur oder der Messbandbreite reduziert werden.
Ein weiterer Typ ist Rauschen, das oft als Stromrauschen oder 1/f-Rauschen bezeichnet wird. Im Gegensatz zum thermischen Rauschen hängt dieses stark vom Material und der Konstruktion des Widerstands ab. Metallschicht- und Drahtwiderstände weisen in der Regel ein sehr geringes Rauschen auf (normalerweise unter -30 dB), während Kohleschicht- und einige Dickschichtwiderstände zu höheren Werten neigen (normalerweise -10 dB oder mehr).
Das Testen auf übermäßige Geräusche erfordert in der Regel einen rauscharmen Verstärker, einen Spektrumanalysator oder ein gleichwertiges Messsystem sowie einen stabilen Gleichstrom-Bias-Strom. Der Widerstand wird mit einem festen Strom vorgespannt und das Rauschen über einen definierten Frequenzbereich, wie z.B. 10 Hz bis 10 kHz, beobachtet.
Diese Art von Prüfung wird hauptsächlich in der Präzisions-, Luft- und Raumfahrt sowie bei rauscharmen Analoganwendungen eingesetzt. Für die standardmäßige Eingangskontrolle von Widerständen ist sie in der Regel nicht erforderlich.
Fehlermodusuntersuchung
Die Überprüfung eines einzelnen Parameters ist nicht immer ausreichend, insbesondere wenn Widerstände in großen Mengen für den Produktionseinsatz bewertet werden. Ein breiterer Screening-Prozess hilft, Teile zu identifizieren, die unter normalen Bedingungen akzeptabel erscheinen, aber unter thermischer oder umweltbedingter Belastung instabil werden können.
Ein typischer Prüfvorgang beginnt mit der Widerstandsmessung bei Raumtemperatur. Bei niedrigohmigen Widerständen empfiehlt sich die Vierleiter-Messung zur Verbesserung der Genauigkeit. Der gemessene Wert sollte mit dem Nennwiderstand verglichen und zu Referenzzwecken protokolliert werden.
Die Bauteile können dann für eine kurze Zeit, beispielsweise 30 Minuten, einer erhöhten Temperatur, wie z. B. 125 °C, ausgesetzt werden. Während oder nach der Exposition wird der Widerstand erneut gemessen und mit dem ursprünglichen Wert verglichen. Jede signifikante Abweichung kann darauf hindeuten, dass das Bauteil nicht für einen zuverlässigen Betrieb geeignet ist.
Auch die Feuchtigkeitsempfindlichkeit lässt sich bewerten. Eine gängige Methode besteht darin, den Widerstand 48 bis 72 Stunden lang einer Temperatur von 85 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% auszusetzen und anschließend eine weitere Widerstandsmessung durchzuführen. Wenn der Widerstand Feuchtigkeit aufnimmt oder seine Schutzbeschichtung unzureichend ist, kann sich der Widerstand außerhalb des erwarteten Bereichs verschieben.
Prüfverfahren wie diese sind nützlich, um Teile mit versteckten Zuverlässigkeitsproblemen zu identifizieren, bevor sie in das Endprodukt eingebaut werden.
Abschließende Gedanken
Die ordnungsgemäße Prüfung eines Widerstands beschränkt sich nicht auf die Überprüfung einer Zahl auf einem Messgerät. Es geht darum, zu verstehen, wie sich ein Widerstand unter realen Betriebsbedingungen verhält, einschließlich Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Spannungsbelastung und Langzeitnutzung. Ein Widerstand, der bei einer einfachen Messung akzeptabel erscheint, kann dennoch zu Zuverlässigkeitsproblemen in einem tatsächlichen Produkt führen, wenn diese Faktoren ignoriert werden.
Bei PCBCool, die Qualitätskontrolle weit vor Beginn der Leiterplattenbestückung statt. Im Rahmen unseres Fertigungsprozesses führen wir eine Wareneingangskontrolle durch, um die Qualität der Komponenten vor der Produktion zu überprüfen. Wir bieten außerdem Dienstleistungen im Bereich der Komponentenbeschaffung und wir können bei Bedarf Ersatzteile von kundenspezifischen Marken beziehen. In Kombination mit unserer Leiterplattenherstellung und Leiterplattenbestückungsdienste, Dies hilft Kunden, das Lieferrisiko zu reduzieren, die Konsistenz zu verbessern und zuverlässigere Elektronikprodukte zu entwickeln.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
A: Nicht immer. Es hängt vom Hersteller, dem spezifischen Projekt und den Kundenanforderungen ab. Bei Projekten mit höheren Zuverlässigkeitsanforderungen, wie z. B. in der Medizintechnik und Automobilindustrie, wird AOI typischerweise auf jeder Platine durchgeführt.
Ja. Für Projekte mit besonderen Qualitätsanforderungen kann PCBCool kundendefinierte Inspektionsprioritäten, Abnahmekriterien, Toleranzbereiche oder spezifische Fehlerkontrollanforderungen befolgen.
Abraash Vnest arbeitet an verteidigungsbezogenen Elektronikprojekten, mit Schwerpunkt auf Schaltplanentwicklung, Fehlersuche, Prüfung und technischer Dokumentation. Er entwickelt zudem STM32-Firmware und implementiert industrielle Kommunikationsprotokolle wie CAN.
