Vorwiderstand

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Ein Vorwiderstand ist ein elektrischer Widerstand, der in Reihe zu einem elektronischen Bauteil geschaltet wird, um die Spannung bzw. den Strom auf zulässige Werte zu begrenzen. Die gesamte elektrische Spannung muss höher sein als die Betriebsspannung des Bauteils. Bauelemente mit negativem differentiellen Widerstand (Gasentladungsröhren, Lichtbogen oder Tunneldioden) werden ohne Vorwiderstand zerstört. Weitere Anwendungen:

Beispiel mit einem frequenzunabhängigen Vorwiderstand[Bearbeiten]

Beispiel eines Vorwiderstandes

Ein ohmscher Vorwiderstand wird meist nur bei einfachen Schaltungen und geringer Leistung als Mittel zur Strombegrenzung eingesetzt, da unerwünschte Verlustwärme entsteht.

Aus der Eingangsspannung sowie dem Strom und der Spannung des zu schützenden Bauteils ergibt sich der Widerstandswert und die Verlustleistung (joulesche Wärme) des Vorwiderstandes. Die Verlustleistung muss kleiner als die maximale thermische Belastbarkeit des Vorwiderstandes sein. Soll zum Beispiel eine Leuchtdiode R mit einer Durchlassspannung UR von 2,2 Volt an einer Spannung U von 12 Volt betrieben werden, muss am Vorwiderstand RV eine Spannung UV von 9,8 V abfallen. Soll der Strom durch die Leuchtdiode 15 mA betragen, ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz für RV ein Widerstandswert von 653 Ohm. Die Verlustleistung an RV ist das Produkt aus Strom und Spannung und beträgt 147 Milliwatt, der Wirkungsgrad der Gesamtschaltung liegt bei nur 33/(147 + 33) = 18 %.

Die Begrenzung des Einschaltstromes eines Schaltnetzteiles auf 46 Ampere würde bei 230 V einen Vorwiderstand von 5 Ohm in der Netzzuleitung erfordern, der bei einem Betriebsstrom von 2 Ampere eine Verlustleistung von 20 Watt erzeugt.

Beispiel mit einem frequenzabhängigen Vorwiderstand[Bearbeiten]

Werden leistungsstarke Bauelemente wie Leuchtstofflampen mit Wechselspannung betrieben, lässt sich ein guter Wirkungsgrad durch einen vorgeschalteten Blindwiderstand erreichen, der den Strom begrenzt, ohne Wärme zu entwickeln. Geeignete Bauelemente sind Kondensator und Drossel. Die Berechnung des gesamten Wechselstromwiderstandes erfolgt nach folgender Formel:

Z = \sqrt{R^2 + X^2} =  \frac {u_{\rm max}}{i_{\rm max}}=  \frac {u_{\rm eff}}{i_{\rm eff}}

und sei an folgendem Beispiel erläutert: Eine 60-W-Leuchtstofflampe benötigt etwa 1 A bei 60 V; das entspricht R ≈ 60 Ohm. Damit der 230-V-Steckdose (f = 50 Hz) 1 A entnommen wird, muss Z = 230 Ohm sein. Durch Umstellen der obigen Gleichung erhält man

X = \sqrt{Z^2 - R^2} = \sqrt{(230 \,\Omega)^2-(60 \,\Omega)^2} = 222 \,\Omega

Mit der Gleichung für eine Drossel

X_L = 2 \pi f \cdot L

erhält man L = 0,71 H. Würde man statt der Drossel einen Kondensator verwenden, müsste dieser den Wert 14 µF haben.

Alternativen[Bearbeiten]

Bei größeren Strömen und Leistungen sind Verlustleistungen besonders problematisch, da sie Energiekosten verursachen und eine Wärmeabführung nötig ist. Daher gibt es zu Vorwiderständen folgende Alternativen:

Spannungsanpassung:

  • DC-DC-Wandler (Wirkungsgrad bis ca. 95 %): er erzeugt eine niedrigere oder höhere Gleichspannung.
  • Transformatoren erzeugen eine höhere oder niedrigere Wechselspannung.

Stromstabilisierung:

  • Spezielle DC-DC-Wandler können auch den Ausgangsstrom regeln, zum Beispiel zum effizienten Betrieb von Leuchtdioden-Leuchten.

Einschaltstrombegrenzung:

  • Zur Einschaltstrombegrenzung gibt es temperaturabhängige Vorwiderstände (Einschaltstrombegrenzer), die aufgrund ihrer Eigenerwärmung ihren Widerstand verringern, siehe Heißleiter (NTC).
  • Zur Strombegrenzung, auch zur Drehzahlsteuerung von Motoren siehe Anlasswiderstand.

Kurzschlussschutz:

  • Zur Strombegrenzung bei Kurzschluss oder Überlastung kann anstelle einer Sicherung auch ein selbstrückstellendes Sicherungselement (kurz PTC, siehe Kaltleiter) dienen. Ein Kaltleiter als Vorwiderstand zum Überlastschutz hat bei Raumtemperatur und Nennstrom einen geringen elektrischen Widerstand, der bei Überstrom aufgrund von Eigenerwärmung steil ansteigt.

Literatur[Bearbeiten]

  • Klaus Tkotz: Fachkunde Elektrotechnik. 28. Auflage, Verlag – Europa – Lehrmittel, Wuppertal, 2012, ISBN 978-3808531891