Automatischer Widerstand: Von der Umgebung gesteuerte Widerstände

Widerstände sind eine der grundlegenden Komponenten, die in elektronischen Schaltkreisen verwendet werden. Sie tun eines: Sie widerstehen dem Fluss von elektrischem Strom. Es gibt mehr als eine Möglichkeit, eine Katze zu häuten, und es gibt mehr als eine Möglichkeit, wie ein Widerstand funktioniert. In früheren Artikeln habe ich sowohl über Festwertwiderstände als auch über variable Widerstände gesprochen.

Es gibt eine weitere große Gruppe variabler Widerstände, auf die ich nicht näher eingegangen bin: Widerstände, die ihren Wert ohne menschliches Eingreifen ändern. Diese verändern sich durch Umwelteinflüsse: Temperatur, Spannung, Licht, Magnetfelder und körperliche Belastung. Sie werden häufig zur Automatisierung eingesetzt und ohne sie wäre unser Leben ganz anders.

Es gibt sie in zwei Arten:

Viele Hackaday-Leser kennen möglicherweise NTC-Thermistoren in 3D-Druckern, wo sie zur Messung der Temperatur am heißen Ende des Extruders verwendet werden. Wenn Ihr Drucker über ein beheiztes Bett verfügt, wird es wahrscheinlich auch von einem NTC überwacht.

Und es gibt viele weitere Anwendungen, in denen sie zur Temperaturmessung eingesetzt werden, beispielsweise in digitalen Thermometern, Toastern, Kaffeemaschinen, Gefrierschränken usw.

Neben der Temperaturmessung werden NTC-Thermistoren aber auch zur Strombegrenzung eingesetzt. Als Einschaltstrombegrenzer begrenzen sie jeden Hochstromstoß beim ersten Einschalten eines Geräts. Grundsätzlich ist der Thermistor beim Einschalten des Geräts noch relativ kühl und fungiert daher als hoher Widerstand, der den Strom begrenzt. Mit der Zeit, wenn mehr Strom durch den Thermistor fließt, steigt seine Temperatur und damit sinkt sein Widerstand. Dadurch kann mehr Strom durchfließen, was in Ordnung ist, da der anfängliche Hochstromstoß zu diesem Zeitpunkt beendet ist.

Meine einzige Erfahrung mit NTC-Thermistoren bestand darin, mit einem Thermistor herumzuspielen, der Teil eines Automobilsensors war. Der Sensor sollte möglicherweise zur Messung der Kühlmittel- oder Öltemperatur in den Motorraum eingeschraubt werden. Natürlich misst dies nicht direkt die Temperatur. Stattdessen wird eine Spannung angelegt. Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich der Widerstand und damit auch die Spannung. Der Computer des Fahrzeugs verwendet dann eine Tabelle oder Formel, um diese Spannung einer Temperatur zuzuordnen.

Ich konnte das Datenblatt für das Automobilteil nicht finden und kannte den Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Widerstand des Thermistors nicht, also stellte ich ihn in einen Topf mit Wasser auf dem Herd. Während ich das Wasser langsam zum Kochen brachte, maß ich die Wassertemperatur und den Widerstand des Thermistors und erhielt das hier gezeigte Diagramm.

Auch Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), deren Widerstand mit zunehmender Temperatur zunimmt, haben ihre Verwendung.

Ein Beispiel ist der Ersatz einer Sicherung. Wenn der Strom in einem Stromkreis zunimmt, steigt die Temperatur des Thermistors aufgrund der normalen Widerstandserwärmung. Diese Wärme geht an die Umgebung verloren. Aber wenn der Strom höher ist als er sein sollte, wird es irgendwann schneller aufheizen, als es diese Wärme verlieren kann. An diesem Punkt erhöht sich der Widerstand, wodurch der Strom begrenzt wird.

Mit dem Aufkommen von Flachbildschirmen gibt es immer weniger CRT-Bildschirme, aber einige Leser werden sich daran erinnern, dass in den Entmagnetisierungsspulenschaltungen der Bildschirme PTC-Thermistoren verwendet wurden. Die Entmagnetisierungsspule müsste kurzzeitig mit Strom versorgt und dann allmählich ausgeschaltet werden. Der Strom durch die Spule würde das für die Entmagnetisierung erforderliche Magnetfeld erzeugen und außerdem den Thermistor erwärmen. Dabei würde sich der Widerstand des Thermistors in der gewünschten allmählichen Weise erhöhen und den Strom durch die Spule verringern, bis der Stromkreis abschalte.

Die meisten Anwendungen für Varistoren liegen im Überspannungsschutz und schützen Schaltkreise vor Netztransienten, induktiven Lasten und vor Blitzschlag. Sie werden normalerweise über den zu schützenden Stromkreis gelegt, sodass der Varistor leitet und als Kurzschluss für den Strom fungiert, wenn die Spannung dort hoch genug ansteigt, anstatt dass der Strom durch den Stromkreis fließt.

Meine eigenen Erfahrungen mit Varistoren stammen aus meiner Zeit als Solarunternehmer. Wir brachten Blitzableiter an verschiedenen Komponenten des Solarsystems an: zwei Ableiter für den Wechselrichter, wobei ein Kabelsatz nach draußen zu einem Generator und ein anderer Satz zu den Verbrauchern in der Hütte führte, und ein Ableiter für den Laderegler Drähte liefen zu den Solarmodulen. Hierbei handelt es sich ausschließlich um Leitungsstränge, bei denen durch nahegelegene Blitze Spannungen auf schädliche Werte induziert werden können.

Jeder dieser Blitzableiter enthält einen Metalloxid-Varistor (MOV). Der Varistor wird zwischen den Drähten und Erde angeschlossen. Solange die Spannung niedrig genug ist, fließt kein Strom. Wenn jedoch irgendwo in der Nähe ein Blitz einschlägt, steigt die Spannung an den Drähten und erreicht einen Punkt, an dem der Varistor zur Erde leitet (z. B. 385 Volt). Dadurch wird verhindert, dass die Spannung weiter ansteigt. Solange die Solarkomponente dieser Spannung standhält, ist sie geschützt. Bei einigen Standards ist die Solarkomponente für eine Spannung von bis zu 2300 Volt an der Stelle ausgelegt, an der diese Drähte angeschlossen sind.

Der Widerstand eines Fotowiderstands nimmt mit zunehmender Lichtintensität ab. Möglicherweise wird es auch als LDR (Lichtabhängiger Widerstand) bezeichnet. Sein Widerstand im Dunkeln kann im Megaohm-Bereich liegen, bei den richtigen Wellenlängen und ausreichender Lichtintensität kann er jedoch nur wenige Ohm betragen.

Fotowiderstände eignen sich nicht zur Erkennung schneller Änderungen der Lichtintensität. Beim Übergang von völliger Dunkelheit zu Licht kann es eine Verzögerung von bis zu 10 Millisekunden geben, bevor der Widerstand vollständig abnimmt. Und beim Übergang von hell zu völliger Dunkelheit kann es bis zu 1 Sekunde dauern, bis der Widerstand in den Megaohm-Bereich ansteigt. Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen diese Verzögerung wünschenswert ist, beispielsweise bei der Audiokomprimierung. Hier wird eine LED oder ein Elektrolumineszenzpanel verwendet, um den Widerstand des Fotowiderstands zu steuern und die Audiosignalverstärkung zu beeinflussen. Dadurch soll der Klang weicher klingen, da Anschlag und Freigabe weicher sind, als ohne Fotowiderstand.

Eine weitere typische Anwendung besteht darin, dass ein Lichtsensor erkennt, ob ein Nachtlicht eingeschaltet werden sollte.

In meinem Fall habe ich einen Laserkommunikator gebaut, der ein Audiosignal verwendet, um die Ausgabe eines Spielzeuglasers aus einem Dollar-Laden zu modulieren. Dann richtete ich den jetzt schwankenden Laserstrahl auf einen entfernten Fotowiderstand. Der Fotowiderstand war Teil einer Schaltung, die einen Verstärker speiste, und das Ergebnis war das durch Licht übertragene und über den Lautsprecher des Verstärkers wiedergegebene Audiosignal. Dies verstieß gegen das, was ich oben erwähnt habe, nämlich, sie nicht für schnelle Änderungen der Lichtintensität zu verwenden, aber als unterhaltsames Experiment funktionierte es ganz gut.

Der Widerstand eines Magnetwiderstands kann zur Erkennung der Position, Ausrichtung und Stärke eines Magnetfelds verwendet werden. Es nutzt den Magnetowiderstandseffekt. Der im 19. Jahrhundert entdeckte anisotrope Magnetowiderstandseffekt (AMR) reagiert empfindlich auf die Stärke des Magnetfelds und den Winkel zwischen einem elektrischen Strom und dem Magnetfeld. Es gibt andere, erst kürzlich entdeckte Effekte, aber die meisten herkömmlichen Widerstände nutzen den AMR-Effekt. Magnetoresistive Sensoren, die um diese Widerstände herum aufgebaut sind, sind unter anderem von Digikey und Mouser erhältlich.

Ich habe selbst keine magnetoresistiven Sensoren verwendet, aber eine häufige Anwendung sind Radgeschwindigkeitssensoren in Automobilen. Andere sind Magnetometrie, verschiedene Sensoren für Winkel, Rotation und lineare Positionen sowie zur Erkennung von Fahrzeugen auf der Straße.

Für diese Sensoren gibt es viele interessante Einsatzmöglichkeiten. Auf dem Open Hardware Summit 2013 wurde von einer Gruppe aus Stanford ein 1-DOF-Haptik-Feedback-Kit namens Hapkit demonstriert. Sie nutzten einen magnetoresistiven Sensor, um die Position eines Pendels zu erkennen. Diese Position wird dann von einem Mikrocontroller verwendet, um einen Motor anzutreiben, damit sich das Bewegen des Pendels von Hand anfühlt, als ob Sie eine Feder oder ein Klickrad bewegen würden.

Da die Widerstandsänderung sehr gering ist, ist der Dehnungsmessstreifen zur einfacheren Messung in eine Wheatstone-Brücke integriert. Über Dehnungsmessstreifen und ihre Verwendung in Wheatstone-Brücken könnte man einen ganzen Artikel schreiben, daher hier nur ein kurzer Überblick.

Die Wheatstone-Brücke besteht aus zwei Spannungsteilern, wobei R1 und R2 einer davon und R3 und R4 der andere sind. Die Eingangsspannung, Erregerspannung (VEx) genannt, liegt an der Außenseite der Brücke, und die resultierende Ausgangsspannung (Vo) wird von den Mittelpunkten der beiden Spannungsteiler abgenommen.

Die Ausgangsspannung Vo kann mit der gezeigten Formel berechnet werden. Wenn das Verhältnis R1/R2 gleich dem Verhältnis R4/R3 ist, erhalten Sie bei der Berechnung von Vo 0 Volt. Wenn jedoch einer der Widerstände durch einen Dehnungsmessstreifen ersetzt wird, wird Vo bei Belastung ungleich Null. Weitere Formeln können verwendet werden, um dies in einen Wert in einer Einheit umzuwandeln, die eigentlich „Dehnung“ genannt wird.

Zur weiteren Verstärkung der Werte und zur Temperaturkompensation können auch mehrere Dehnungsmessstreifen eingesetzt werden.

Dehnungsmessstreifen finden sich in Wägezellen und Drucksensoren, die beide häufig in Wheatstone-Brücken eingebaut sind. Drucksensoren werden üblicherweise aus Silizium, Polysilizium, Metallfilm, Dickfilm oder Verbundfolie hergestellt.

Und damit ist diese Serie über Widerstände abgeschlossen. Die anderen beiden Artikel befassen sich mit Festwertwiderständen und variablen Widerständen, die durch menschliches Eingreifen manipuliert werden. Schauen Sie sie sich an, wenn Sie sie verpasst haben. Und teilen Sie uns in den Kommentaren alle Widerstände mit, die wir unterwegs übersehen haben, oder was Sie hinzufügen möchten.