Widerstandsnetzwerke und -arrays

Acht Pull-up-Widerstände an einem Datenbus, sieben Vorwiderstände für eine Siebensegmentanzeige, vier gleiche Widerstände für einen Differenzverstärker – immer wieder brauchst du mehrere Widerstände mit demselben Wert nebeneinander. Statt sie einzeln zu bestücken, kannst du ein Widerstandsnetzwerk nehmen: mehrere Widerstände in einem gemeinsamen Gehäuse. Das spart Platz und Bestückungszeit, und bei Präzisionsnetzwerken bekommst du etwas, das einzelne Widerstände kaum leisten: Werte, die exakt zueinander passen und sich mit der Temperatur gemeinsam ändern.

Aufbau und Schaltungsarten

Ein Widerstandsnetzwerk enthält zwei bis sechzehn Widerstände auf einem gemeinsamen Keramikträger. Sie entstehen im selben Arbeitsgang aus derselben Dick- oder Dünnschicht, wie bei einem SMD-Widerstand. Entscheidend für die Anwendung ist, wie die Widerstände intern verschaltet sind:

• Gemeinsamer Anschluss (bussed): Ein Ende aller Widerstände liegt auf einem gemeinsamen Pin, die anderen Enden sind einzeln herausgeführt. Ein Netzwerk mit acht Widerständen hat dann neun Pins. Typisch für Pull-up- und Pull-down-Widerstände.
• Isoliert (isolated): Jeder Widerstand hat zwei eigene Pins, die Widerstände sind nicht miteinander verbunden. Acht Widerstände brauchen sechzehn Pins. Geeignet für Vorwiderstände und alles, wo jeder Widerstand für sich wirkt.
• Spannungsteiler und Sonderschaltungen: Widerstandspaare mit Mittelabgriff, Abschlussnetzwerke für Busleitungen oder R-2R-Leitern für Digital-Analog-Wandler.

Im Schaltplan zeichnet man ein Netzwerk entweder als Gruppe einzelner Widerstandsrechtecke mit gemeinsamer Bezeichnung (RN1A, RN1B …) oder als ein Rechteck mit allen Pins. Wie du Widerstände aus einem Netzwerk zu einer Reihenschaltung oder Parallelschaltung kombinierst, folgt denselben Regeln wie bei Einzelwiderständen.

Bauformen

• SIL (Single In-Line): eine Reihe bedrahteter Pins im 2,54-mm-Raster, flaches Gehäuse, 4 bis 14 Pins. Pin 1 ist mit einem Punkt oder Strich markiert und ist bei der Bussed-Variante der gemeinsame Anschluss. Auf alten Mainboards und in Bastelprojekten weit verbreitet.
• DIL (Dual In-Line): zwei Pinreihen wie ein IC, meist 14 oder 16 Pins, oft mit isolierten Widerständen.
• SMD-Chip-Arrays: zwei, vier oder acht Widerstände nebeneinander in einem Chip, etwa vier 0603-Widerstände auf der Fläche eines 1206 (3,2 × 1,6 mm). Es gibt Varianten mit konvexen und konkaven Anschlüssen; der Footprint muss genau passen.
• SMD-Netzwerke in IC-Gehäusen: SOIC, MSOP oder SOT-23 für Präzisionsnetzwerke. Die Gehäuseformen kennst du von IC-Gehäusen.

Auf SIL-Netzwerken steht oft ein Code wie „A103J“: der Buchstabe für die Schaltungsart (hersteller­abhängig, A häufig für gemeinsamen Anschluss), dann der Wert im dreistelligen Code (103 = 10 kΩ, wie unter SMD-Codes beschrieben) und die Toleranz (J = 5 %). Die Bedeutung des ersten Buchstabens prüfst du im Datenblatt.

Belastbarkeit: Element und Gehäuse

Ein Netzwerk hat zwei Leistungsgrenzen: die Leistung je Widerstand und die Leistung des ganzen Gehäuses. Die zweite ist kleiner als die Summe der ersten, weil sich alle Widerstände denselben Körper teilen und gemeinsam heizen.

Werte gelten bei 70 °C Umgebung; darüber gilt wie bei jedem Widerstand ein Derating (siehe Wärme und Kühlung).

Den Vorwiderstand selbst rechnest du mit dem Rechner:

Typische Anwendungen

• Pull-up und Pull-down: Acht Eingänge eines Mikrocontrollers oder ein Datenbus brauchen definierte Ruhepegel. Ein Netzwerk mit gemeinsamem Anschluss an der Versorgung erledigt das mit einem Bauteil. Für I²C-Leitungen hilft der I²C-Pull-up-Rechner bei der Wertwahl.
• Vorwiderstände für Anzeigen: Eine Siebensegmentanzeige braucht für jedes Segment einen Vorwiderstand; ein isoliertes Netzwerk oder ein Bussed-Netzwerk mit dem gemeinsamen Pin an der Versorgung spart sieben Einzelteile.
• Serienwiderstände in Datenleitungen: 22 bis 33 Ω vor schnellen Ausgängen dämpfen Überschwinger; Arrays mit vier isolierten Widerständen passen genau zwischen IC und Steckverbinder.
• R-2R-Leiter: Aus nur zwei Werten, R und 2R, entsteht ein einfacher Digital-Analog-Wandler. Gemeinsam gefertigte Widerstände halten das Verhältnis besser als Einzelteile (siehe AD- und DA-Wandler).
• Präzisions-Spannungsteiler und Differenzverstärker: Hier zählt das Verhältnis der Widerstände, nicht ihr absoluter Wert – das Spezialgebiet gepaarter Netzwerke.

Gepaarte Netzwerke: das Verhältnis zählt

Bei einem Spannungsteiler hängt die Ausgangsspannung nur vom Verhältnis der Widerstände ab. Ändern sich beide um denselben Faktor – durch Toleranz, Temperatur oder Alterung –, bleibt das Ergebnis gleich. Widerstände auf demselben Träger aus derselben Schicht tun genau das: Sie liegen dicht beieinander, haben dieselbe Temperatur und denselben Temperaturkoeffizienten. Datenblätter nennen deshalb neben der absoluten Toleranz die Verhältnistoleranz (Matching) und den Gleichlauf des TK (Tracking).

Ein gängiges Beispiel ist das LT5400 von Analog Devices: vier Widerstände im MSOP-Gehäuse, absolute Toleranz 7,5 %, aber Matching 0,01 % in der besten Klasse, und das Verhältnis driftet typisch nur 0,2 ppm/K, während der Absolutwert 8 ppm/K wandert.

Besonders deutlich wird der Nutzen beim Differenzverstärker aus einem Operationsverstärker und vier Widerständen. Er soll die Differenz zweier Spannungen verstärken und eine gemeinsame Gleichtaktspannung unterdrücken. Wie gut das gelingt, bestimmen fast nur die Widerstände. Für Verstärkung G und eine Widerstandstoleranz ε gilt im ungünstigsten Fall näherungsweise:

Fertige Differenz- und Instrumentenverstärker haben solche Widerstände bereits auf dem Chip. Baust du selbst einen, ist ein gepaartes Netzwerk der einfachste Weg zu guter Gleichtaktunterdrückung. Die Verstärkung selbst rechnest du mit dem OPV-Rechner.

Auswahl und Praxistipps

Kläre zuerst die Schaltungsart: gemeinsamer Anschluss oder isoliert. Dann Wert, Toleranz und Leistung je Element, danach die Gesamtleistung des Gehäuses. Bei Präzisionsanwendungen schaust du auf Matching und Tracking statt auf die absolute Toleranz.

Häufige Fehler:

• SIL-Netzwerk verkehrt eingesetzt: Wird ein Bussed-Netzwerk umgedreht, liegt der gemeinsame Anschluss am falschen Pin, und ein Signal wird mit allen anderen verbunden. Der Punkt markiert Pin 1.
• Gesamtleistung übersehen: Jeder Widerstand einzeln passt, alle zusammen überlasten das Gehäuse.
• Falsche Schaltungsart bestellt: Bussed und isoliert haben oft dieselbe Bauform; nur die Typbezeichnung unterscheidet sie.
• Übersprechen unterschätzt: In hochohmigen Präzisionsschaltungen koppeln benachbarte Widerstände über die Kapazität zwischen den Pins ein wenig. Bei Gleichspannung egal, bei schnellen Signalen merkbar.
• Array-Footprint verwechselt: Konvexe und konkave Chip-Arrays haben unterschiedliche Pad-Formen.

Selbsttest