Die Sache mit dem Widerstand

Nils Jäger | 27. April 2023

Den Begriff Widerstand kennen die meisten Menschen noch aus dem Physikunterricht. In der Elektrotechnik hingegen ist der Begriff nicht nur gängig, sondern auch wichtig für das Verständnis. Auch in Bezug auf Leitungen ist es wichtig, sich die Thematik des Widerstandes genauer anzusehen. Die Sache mit dem Widerstand und den Zusammenhang von Leitungen und Widerstand schauen wir uns im heutigen Beitrag an.

Der Widerstand

Fangen wir vorne an. In den Grundlagen der Elektrotechnik lernt man, dass es elektrische Ladungen gibt. Durch deren Bewegung erhalten wir elektrischen Strom. Die elektrische Spannung sorgt für den Antrieb. Wird die Bewegung der Ladung behindert, haben wir einen Widerstand.

Es gibt also einen Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand. Grundsätzlich gibt der Widerstand eines Bauteils an, wie stark der elektrische Strom in ihm behindert wird. Das Zeichen für den Widerstand ist R. Die Einheit des Widerstandes ist Ohm. Festgehalten wird dieser Zusammenhang mit dem Ohm’schen Gesetz.

Welche Widerstandsarten sind bei Leitungen relevant?

Der Leiterwiderstand – Widerstand des Kupferleiters

Der Leiterwiderstand ist abhängig von verschiedenen Faktoren. So ist zum Beispiel die Länge, aber auch der Querschnitt und Aufbau des Leiters relevant. Auch das verwendete Leitermaterial spielt eine Rolle, da zum Beispiel Kupfer eine andere Leitfähigkeit hat als Aluminium.

Dieser Leiterwiderstand ist in der DIN VDE 0295 für jeden Querschnitt spezifiziert. Da bei Kabel und Leitungen der Leiterquerschnitt über den elektrischen Widerstand definiert wird, sprechen wir vom elektrischen Querschnitt.

Der mechanische, oder auch optische Querschnitt kann somit vom elektrischen Querschnitt abweichen. Dies ist abhängig davon, ob es sich um Massivleiter, mehrdrähtige Leiter, feindrähtige oder sogar feinstdrähtige Litzenleiter handelt. In der Elektrotechnik spielt der mechanische Querschnitt aber nur eine untergeordnete Rolle, da die Leitfähigkeit hier mehr von Relevanz ist.

Installationsmaterialien wie z.B. Aderendhülsen und Presskabelschuhe werden ebenso für den elektrischen Querschnitt ausgelegt, wie die Leiter, für die sie hergestellt werden.

Besonders gut kann man dies erkennen, wenn man Kabelschuhe für mehrdrähtige Leiter und für feinstdrähtige Leiter nebeneinanderlegt.

Isolationswiderstand – Widerstand der Aderisolation

Der Isolationswiderstand von Kabeln und Leitungen wird in Ω/km angegeben, da dieser längenabhängig ist. Im Idealfall hat eine Isolation einen unendlichen Widerstand, um eine möglichst große Sicherheit gegen Kurzschluss zu geben.

Dies ist nur theoretisch möglich. Daher ist in der DIN VDE 0100 Teil 600 ein Mindestwiderstand von 1 MΩ/km spezifiziert. Generell gilt, je kürzer die Leitungslänge, desto höher der gemessene Isolationswiderstand. So kann der Isolationswiderstand bei kurzen Leitungen im GΩ Bereich liegen.

Zusätzlich beeinflussen aber auch die verwendeten Isolationsmaterialien die Höhe des Isolationswiderstands.

Wellenwiderstand/Kabelimpedanz

Mit dem Leitungswellenwiderstand wird das Verhältnis der sich in eine gemeinsame Richtung ausbreitenden Strom- und Spannungswellen beschrieben. Der Wellenwiderstand ist frequenzabhängig und betrifft im Grunde jede Leitung. Vor allem bei Busleitungen kann man sehr gut die Zusammenhänge erkennen.

Um bei der Busübertragung Reflexionen der zu übertragenden Signale zu verhindern, ist es wichtig, dass ein spezifischer Wellenwiderstand definiert wird, damit das Leitungsende diesem entsprechend abgeschlossen werden kann. Wird dies nicht getan, kann es zu Übertragungsfehlern kommen, welche sogar zum Ausfall des jeweiligen Bussystems führen können.

Je nach Bussystem können die erforderlichen Wellenwiderstände unterschiedlich sein. Zur besseren Verständlichkeit hier einige Beispiele:

• Ethernet, Profinet, EtherCat 100 Ω
• Profibus 150Ω
• CAN-Bus 120Ω
• CC-Link 110Ω
• USB 90Ω

Fazit

Auch ein Kabel ist ein elektrotechnisches Produkt, welches passend für den Anwendungsfall konstruiert werden muss. Eine besondere Herausforderung sind bewegte Leitungen, da sich durch die Bewegung die Positionen von Adern zueinander, aber auch zum Leitungsmittelpunkt verändert. Dies hat Auswirkung auf Kapazitäten und somit auch auf den Wellenwiderstand. Die Adern einer bewegten Leitung können irgendwann durch die dauerhaften Strapazen brechen. Dies geschieht jedoch schleichend. Die Folge ist ein sich stetig erhöhender Leiterwiderstand und somit auch ein steigender Spannungsfall. Auch das hat Auswirkungen auf das zu übertragende Signal.

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