Falls Ihnen der Begriff „Null-Ohm-Widerstand“ nicht geläufig ist, könnte er Ihnen wie eine Art Witz erscheinen, den man neuen oder naiven Schaltungsentwicklern auftischt. Schließlich stehen sie unter ständigem Druck, ihre Konstruktionen zu vereinfachen und die Stückliste (BOM) zu reduzieren. Der Null-Ohm-Widerstand ist jedoch keineswegs ein Witz. Ein Beweis ihrer Existenz ist, dass Digi-Key zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels 150.000 Exemplare einer bestimmten Version auf Lager hat. Offensichtlich werden sie genutzt.
Warum sollten Sie überhaupt einen haben wollen? Was kann er zu einem Design beitragen, dem vielleicht besser damit gedient wäre, wenn man ihn loswerden und so Kosten und Platz auf der Leiterplatte sparen könnte?
Es gibt mindestens drei Gründe, warum diese scheinbar „nutzlose“ Komponente sinnvoll ist. Zwei beziehen sich auf Design, Test und Herstellung, während das dritte... nun, sagen wir einfach erst einmal, dass es mit diesen wenig zu tun hat.
1: Layout der gedruckten Schaltung
Abbildung 1: Diese einseitige Phenol-Leiterplatte aus einem Mikrowellenherd von 2010 enthält die Stromversorgungen (Nieder- und Hochspannung), den Transformator und die Leistungskomponenten; beachten Sie die Verwendung von Brücken auf der Oberseite entlang der Oberkante auf etwa einem Drittel des Weges von der linken Seite. (Bildquelle: Amazon.com)
Beginnen wir mit einem älteren Grund, der noch tragfähig ist. Vor etwa fünfzig Jahren, als „Leiterplatten“ oder „Platinen“ noch neu waren, gab es unsere branchenüblichen FR4-Glasepoxidplatten, die auf zwei Seiten beschichtet waren, noch nicht. Stattdessen bestanden diese frühesten Platinen aus gepresstem Phenolpapier mit Kupfer auf nur einer Seite. Die Komponenten wurden von Hand eingesetzt, was möglich war, da die meisten von ihnen groß waren, wie z.B. Vakuumröhrensockel, diskrete Transistoren, passive Bauelemente, Transformatoren und Steckverbinder.
Es erforderte großes Geschick, die Verdrahtung einer Platine mit Leiterbahnen auf nur einer Seite anzulegen, und es gab Zeiten, in denen dies einfach unmöglich war. Die Lösung: Drahtbrücken wurden hinzugefügt, um die Verbindung zwischen zwei Leiterbahnen zu ermöglichen. Als die maschinelle Bestückung übernahm, wurde die einfache Drahtbrücke durch einen diskreten, standardmäßigen Null-Ohm-Widerstand ersetzt, der die gleiche Funktion erfüllt.
Einseitige Phenolharzplatinen und Brücken sind immer noch in Gebrauch. Selbst moderne Geräte wie Kaffeemaschinen oder Mikrowellenherde verwenden immer noch einseitige Phenolplatinen, wenn größere Komponenten wie Transformatoren zu montieren sind, und Brücken zur Lösung von Topologieproblemen (Abbildung 1).
2: Flexibilität von Schaltungen und Platinen
Null-Ohm-Widerstände haben nach wie vor ihren Platz in unserem modernen mehrschichtigen FR-4-Leiterplattendesign. Es kann Fälle geben, in denen die Leiterbahnführung so kompliziert ist, dass einige Pfadverbindungen einfach nicht hergestellt werden können. Die Lösung besteht darin, an dieser kritischen Stelle über einen Null-Ohm-Widerstand eine zusätzliche Schicht zu „kaufen“.
Diese Widerstände können auch die Neukonfiguration der Verbindung und des Betriebs einer Schaltung erleichtern. Sie ermöglichen eine vollständige elektrische Trennung zwischen den Teilschaltungen einer Leiterplatte zum Debuggen und Testen, da es einfacher ist, selbst einen winzigen SMT-Null-Ohm-Widerstand auszulöten/zu verlöten, als eine haarfeine Leiterbahn aufzuschneiden und dann zu versuchen, sie wiederherzustellen. Sie können auch zum Kurzschließen von Funktionen wie zusätzlichen Filterstufen verwendet werden, die nicht in allen Konfigurationen benötigt werden oder für Test- und Kalibrierzyklen möglicherweise deaktiviert werden müssen.
Eine weitere Verwendung besteht darin, dass diese Widerstände es ermöglichen, ein einzelnes Leiterplatten-Layout auf verschiedene Konfigurationen zuzuschneiden, auch nachdem die Leiterplatte bestückt und gelötet ist. Im einfachsten Fall betrachten Sie einen Signalpfad, der entweder 0 Ohm oder 10 Ohm (Ω) in einer Dämpfungsschaltung benötigt, wobei der korrekte Wert durch die Besonderheiten der Last bestimmt wird, die das Produkt antreibt. Die Platine kann so ausgelegt werden, dass sie einen einzelnen Widerstand von entweder 0 Ohm oder 10 Ω aufnehmen kann, und der entsprechende Wert für diesen Bestückungslauf auf die Stückliste gesetzt oder von Hand eingesetzt und verlötet wird. Alternativ können die Schaltung und die Leiterplatte so gestaltet werden, dass sowohl die Null-Ohm- als auch die 10Ω-Widerstände parallel geschaltet sind und der Null-Ohm-Widerstand entfernt wird, wenn 10 Ω der richtige Wert ist.
Es gibt eine weitere Möglichkeit: Erstellen Sie zwei Leiterplattenlayouts, eines mit einem Widerstand und eines ohne Widerstand. Es ist jedoch billiger, intelligenter und besser, nur eine Platine zu haben und den Null-Ohm-Widerstand nach Bedarf einzusetzen/zu entfernen.
3: Ein dünner Schleier über der Schaltung
Schließlich gibt es noch eine weniger offensichtliche Begründung für Null-Ohm-Widerstände: die Funktion einer Schaltung zu komplizieren und zu verbergen und jemanden zu verwirren, der versucht, ein Design zurückzuverfolgen und somit ein Reverse-Engineering durchzuführen. Während dies in der Anfangszeit einfacherer einseitiger Leiterplatten mit meist analoger Schaltung eher üblich war, wird es immer noch für Bereiche mit geringerer Dichte wie z.B. Leistungsfunktionen gemacht. Wenn ein Schaltplan auf diese Weise skizziert wird, besteht der erste Schritt darin, den Schaltplan nachzuzeichnen, gefolgt von dem Versuch, die verschiedenen Komponenten und ihre Rollen zu identifizieren. Das Hineinschieben einiger Null-Ohm-Widerstände macht diesen zweiten Schritt komplizierter (er ähnelt in gewisser Weise dem „schmutzigen“ Software-Trick der Verwendung von NOPs zur Anpassung des Programm- und Schleifen-Timings).
Null Ohm, mehrere Pakete
Null-Ohm-Widerstände sind sowohl als Einzel- als auch als Mehrfacheinheiten erhältlich. Zum Beispiel ist der SR1-0805-000 von NTE Electronics, Inc ein einzelner Chipwiderstand in einem branchenüblichen 0603-SMT-Gehäuse mit den Abmessungen 1,5 × 0,8 Millimeter (mm) (0,06 × 0,03 Zoll) (Abbildung 2).
Abbildung 2: Der SR1-0805-000 von NTE Electronics, Inc. ist ein Null-Ohm-Widerstand in einem 0603-Gehäuse, der wie jedes andere SMT-Chipbauteil aussieht und sich wie dieses behandeln lässt. (Bildquelle: NTE Electronics)
Für Situationen, in denen mehrere Null-Ohm-Widerstände in unmittelbarer Nähe zueinander benötigt werden, steht das Array EXB-28VR000X von Panasonic mit vier Widerständen in einem 0804-Gehäuse zur Verfügung (Abbildung 3).
Abbildung 3: Das EXB-28VR000X von Panasonic ist ein Array mit vier Null-Ohm-Widerständen in einem branchenüblichen 0804-Gehäuse. (Bildquelle: Digi-Key Electronics, basierend auf Ausgangsmaterial von Panasonic)
Interessanterweise haben Null-Ohm-Widerstände in ihren Spezifikationen zwei ungewöhnliche Eigenschaften. Erstens haben sie keine Toleranzvorgabe. Dieser Wert wird normalerweise als Prozentsatzes des Nennwertes des Widerstandes angegeben, der bei Null Ohm aber bedeutungslos ist. Zweitens haben diese Brücken einen maximalen Nennwert, was unnötig erscheint, da ihre Verlustleistung, definiert durch I2R und R hier 0 Ohm beträgt. Doch selbst ein Null-Ohm-Widerstand ist nicht perfekt: Die meisten geben einen maximalen tatsächlichen Widerstand wie 50 Milliohm an (mΩ), woraus sich maximale Stromstärken ergeben (Tabelle 1).
Tabelle 1: Selbst ein Null-Ohm-Widerstand ist nicht perfekt: Die meisten geben einen maximalen tatsächlichen Widerstand an, wie z.B. 50 mΩ, woraus sich maximale Stromstärken ergeben. (Tabellenquelle: Panasonic)
Fazit
Der Null-Ohm-Widerstand ist ein hervorragendes Beispiel für ein Bauelement, dessen Funktion auf den ersten Blick unnötig und vielleicht sogar nutzlos erscheint. Er ist jedoch recht nützlich für Designer, die sich dessen bewusst sind und verstehen, wie er helfen kann, Schaltungs- und Layout-Probleme zu sehr niedrigen Kosten ohne oder mit minimalen Komplikationen zu lösen. Aus diesen Gründen bieten die Anbieter sie in verschiedenen Konfigurationen an.
Empfohlene Literatur:
Verwendung von feingerasterten Board-zu-Board-Verbindern zur Optimierung des Systems
Platinen: So viel Verantwortung, so wenig Respekt
Verwenden Sie direkt steckbare Isolierverdrängungs-Steckverbinder, um die Montage zu optimieren und die Stückliste zu reduzieren
Über den Autor
Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.
Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.
Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.
Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.
