Widerstände und Potenziometer: E-Reihen, Kennzeichnung, Belastbarkeit, Bauformen, Digitalpotenziometer

Widerstände und Potenziometer: E-Reihen, Kennzeichnung, Belastbarkeit, Bauformen, Digitalpotenziometer

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Widerstand, E-Reihe, Farbcode, SMD-Code, Toleranz, Belastbarkeit, Widerstandsnetzwerk, Potenziometer, Trimmer, Digitalpotenziometer, SPI, I2C

tl/dr; (ca. 24 min Lesezeit): Widerstände sind die häufigsten Bauteile auf jeder Platine. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, welche Bauarten es gibt, wie Du Farbcode und SMD-Aufdruck liest, berechnete Werte einer E-Reihe zuordnest, Widerstände nach Toleranz und Belastbarkeit auswählst und zusammenschaltest, wie Potenziometer und Trimmer eine Schaltung verändern und wie Du ein Digitalpotenziometer nach Datenblatt einstellst und ansteuerst [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 11.11.2026)

Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste des Artikels Der Spannungsteiler auf.

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Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … Widerstandsarten und Bauformen (Schicht-, Draht-, SMD-Widerstand, Widerstandsnetzwerk) unterscheiden, Vorteile von Widerstandsnetzwerken nennen und die Aufgabe von Widerständen im Stromlaufplan (Vorwiderstand, Pull-up, Strombegrenzung, Schutz) erkennen.

• … Widerstandswert und Toleranz aus dem Farbcode und dem SMD-Aufdruck bestimmen und für einen gegebenen Wert die Farbkennzeichnung angeben.

• … einen berechneten Widerstandswert einem Normwert der E-Reihen E12, E24 und E96 zuordnen und die Auswahl begründen.

• … Auswahlgrößen neben dem Nennwert (Toleranz, Belastbarkeit, Grenzspannung, Temperaturkoeffizient, Temperaturbereich) nennen, die Verlustleistung berechnen und Widerstände mit Reserve und ungünstigster Toleranzlage auswählen.

• … Widerstände so zusammenschalten, dass Widerstandswert und Belastbarkeit eingehalten werden, und die zulässige Spannung paralleler Widerstände bestimmen.

• … Bauarten von Potenziometern und Trimmern (linear, logarithmisch, Stereo, Spindeltrimmer) unterscheiden, ihre Funktion in einer Schaltung bestimmen und die Wirkung einer Verstellung auf Ströme und Spannungen beurteilen.

• … die Schleiferstellung eines Potenziometers für einen Sollwert berechnen und Messfühler und Umformstufe eines Sensors mit Potenziometer unterscheiden.

• … die Funktion eines Digitalpotenziometers beschreiben und Schrittzahl, Schrittweite und Einstellwert (dezimal, hexadezimal, binär) für einen geforderten Widerstand, eine Spannung oder eine Verstärkung berechnen.

• … Kenn- und Grenzwerte von Digitalpotenziometern (Betriebsspannung, Schleiferwiderstand, Schleiferstrom, Speicherart) aus dem Datenblatt ermitteln und Varianten vergleichen.

• … die Ansteuerung eines Digitalpotenziometers (Up/Down, SPI, I²C) und seine Beschaltung mit Impedanzwandler und Koppelkondensator erklären.

Kaum eine Baugruppe kommt ohne Widerstände aus: Sie begrenzen den Strom durch Leuchtdioden, legen offene Eingänge auf ein festes Potenzial, teilen Messspannungen herunter und bestimmen die Verstärkung von Operationsverstärkern. Für die Entwicklung und Reparatur zählt dabei nicht nur der Widerstandswert. Ebenso wichtig sind die Toleranz, die Verlustleistung, die das Bauteil verträgt, und die Bauform, die auf die Platine passt. Wo ein Wert einstellbar sein soll, kommen Potenziometer, Trimmer oder – digital gesteuert – Digitalpotenziometer zum Einsatz.

Widerstände werden nicht in beliebigen Werten hergestellt, sondern in genormten Reihen. Das Bild zeigt die Normwerte der Reihen E12 und E24 in einer Dekade, jeweils mit dem Toleranzband, in dem der tatsächliche Wert liegen darf:

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Widerständen und Potenziometern.

Schritt 1: Widerstandsarten und Bauformen

Ein Festwiderstand besteht aus einem Widerstandsmaterial auf einem Träger, zwei Anschlüssen und einer Schutzschicht. Nach Material und Aufbau unterscheidet man:

SMD-Widerstände werden nach ihrer Baugröße benannt. Die vierstellige Zahl gibt Länge und Breite in Hundertstel Zoll an: Die Bauform 0805 ist 0{,}08 \times 0{,}05 Zoll groß (etwa 2{,}0 \times 1{,}25\ \mathrm{mm}). Je größer die Bauform, desto mehr Verlustleistung verträgt der Widerstand; typische Werte sind 0{,}063\ \mathrm{W} (0402), 0{,}1\ \mathrm{W} (0603), 0{,}125\ \mathrm{W} (0805) und 0{,}25\ \mathrm{W} (1206). Mehr zu Gehäusen und Ersatztypen steht im Artikel Gehäusebauformen und Ersatztypen.

Widerstandsnetzwerke

Ein Widerstandsnetzwerk fasst mehrere gleiche Widerstände in einem Gehäuse zusammen. Beim SIL-Netzwerk (eine Anschlussreihe) haben die Widerstände meist einen gemeinsamen Anschluss, der mit einem Punkt markiert ist; ein Netzwerk mit acht Widerständen hat dann neun Anschlüsse. Beim DIP-Netzwerk (zwei Anschlussreihen wie ein IC) sind die Widerstände meist einzeln herausgeführt: Jeder Widerstand liegt zwischen zwei gegenüberliegenden Anschlüssen.

Vorteile gegenüber Einzelwiderständen:

• weniger Platz auf der Platine und weniger Bestückungsschritte,

• alle Widerstände haben dieselbe Charge, also sehr ähnliche Werte und dasselbe Temperaturverhalten,

• übersichtlicher Schaltplan und weniger Lötstellen.

Typische Aufgaben sind Pull-up- oder Pull-down-Widerstände für mehrere gleichartige Eingänge (z. B. acht Taster oder die Leitungen eines Datenbusses; dafür eignet sich das SIL-Netzwerk mit gemeinsamem Anschluss an +U_\mathrm{B}) und Vorwiderstände für die Segmente einer Siebensegmentanzeige (dafür braucht man getrennte Widerstände, also ein DIP-Netzwerk).

Die Aufgabe eines Widerstands im Stromlaufplan erkennen

Im Stromlaufplan erkennst Du die Aufgabe eines Widerstands an seiner Lage:

• Vorwiderstand (Strombegrenzung): in Reihe mit einer Last, deren Strom begrenzt werden muss, z. B. vor einer LED oder einer Z-Diode.

• Pull-up / Pull-down: zwischen einem Eingang und +U_\mathrm{B} bzw. Masse; er legt den Pegel fest, solange kein Taster oder Ausgang den Eingang treibt.

• Schutzwiderstand: in Reihe vor einem Mikrocontroller-Eingang oder einem Transistor-Basisanschluss; er begrenzt den Strom, wenn interne Schutzdioden leiten oder ein Ausgang kurzgeschlossen wird.

• Spannungsteiler: zwei oder mehr Widerstände zwischen zwei Potenzialen, abgegriffen am Verbindungspunkt (siehe Der Spannungsteiler).

• Messwiderstand (Shunt): kleiner Widerstand im Laststromkreis, dessen Spannungsfall den Strom abbildet.

• Einschaltstrombegrenzung: Widerstand oder Heißleiter vor einem großen Ladekondensator.

Schritt 2: Kennzeichnung mit Farbcode und SMD-Aufdruck

Der Farbcode

Bedrahtete Widerstände tragen Farbringe nach IEC 60062. Der Ring, der näher am Rand liegt, ist der erste; der Toleranzring ist oft etwas abgesetzt oder breiter.

• 4 Ringe: 1. und 2. Ring Ziffern, 3. Ring Multiplikator, 4. Ring Toleranz (üblich bei ±5 % und ±10 %).

• 5 Ringe: 1. bis 3. Ring Ziffern, 4. Ring Multiplikator, 5. Ring Toleranz (üblich bei ±1 % und ±2 %, also für E48 und E96).

• 6 Ringe: wie 5 Ringe, der 6. Ring gibt den Temperaturkoeffizienten an.

Beispiele:

• gelb – violett – rot – gold: 47 \cdot 100\ \Omega = 4{,}7\ \mathrm{k\Omega}, ±5 %.

• rot – rot – schwarz – braun – braun: 220 \cdot 10\ \Omega = 2{,}20\ \mathrm{k\Omega}, ±1 %.

Umgekehrt zerlegst Du einen Wert in seine zwei (bzw. drei) gültigen Ziffern und den Zehnerexponenten: 390\ \Omega = 39 \cdot 10^{1} ergibt orange – weiß – braun, dazu gold für ±5 %. Ein Wert unter 10\ \Omega braucht gold als Multiplikator: 2{,}7\ \Omega = 27 \cdot 0{,}1 ergibt rot – violett – gold – gold.

Der SMD-Code

SMD-Widerstände tragen (ab Baugröße 0603) einen Zahlenaufdruck:

• 3 Ziffern (meist ±5 %): zwei gültige Ziffern und die Zahl der Nullen. 103 bedeutet 10 \cdot 10^3\ \Omega = 10\ \mathrm{k\Omega}.

• 4 Ziffern (meist ±1 %): drei gültige Ziffern und die Zahl der Nullen. 4702 bedeutet 470 \cdot 10^2\ \Omega = 47{,}0\ \mathrm{k\Omega}.

• Ein R steht für das Komma: 2\mathrm{R}2 = 2{,}2\ \Omega, \mathrm{R}10 = 0{,}10\ \Omega. Ein Aufdruck „0“ oder „000“ kennzeichnet eine Drahtbrücke (0\ \Omega).

• Bei sehr kleinen Präzisionswiderständen ist auch der EIA-96-Code üblich: zwei Ziffern als Index in der E96-Reihe und ein Buchstabe als Multiplikator (z. B. „01C“ = 100 \cdot 100\ \Omega = 10{,}0\ \mathrm{k\Omega}). Die Zuordnung schlägst Du in einer Tabelle nach.

Schritt 3: E-Reihen und Normwerte

Die Normwerte folgen IEC 60063. Eine E-Reihe teilt jede Dekade in n Schritte mit (annähernd) gleichem Verhältnis \sqrt[n]{10}. Dadurch überlappen sich die Toleranzbänder benachbarter Werte – jeder beliebige Widerstandswert liegt (fast) im Toleranzband eines Normwerts, und man kommt mit wenigen Sorten aus.

Die Werte jeder Reihe gelten in allen Dekaden: Aus 4,7 werden 4{,}7\ \Omega, 47\ \Omega, 470\ \Omega, 4{,}7\ \mathrm{k\Omega} usw. Die E96-Werte lassen sich näherungsweise berechnen: 10^{k/96} für k = 0 \dots 95, auf drei Stellen gerundet (einige Werte weichen in der Norm davon ab, deshalb immer in der Tabelle nachsehen).

Einen berechneten Wert zuordnen: Ergibt eine Rechnung z. B. R = 3{,}1\ \mathrm{k\Omega}, liegen in der E12-Reihe 2{,}7\ \mathrm{k\Omega} (−12,9 %) und 3{,}3\ \mathrm{k\Omega} (+6,5 %) daneben. Ohne weitere Vorgabe nimmst Du den nächstgelegenen Wert, hier 3{,}3\ \mathrm{k\Omega}. In der E24-Reihe gibt es 3{,}0\ \mathrm{k\Omega} (−3,2 %), in der E96-Reihe 3{,}09\ \mathrm{k\Omega} (−0,3 %).

Oft entscheidet aber die Funktion, in welche Richtung Du rundest. Muss ein Strom einen Höchstwert einhalten (LED-Strom, Basisstrom, Ladestrom), wählst Du den nächstgrößeren Widerstand; muss ein Strom mindestens fließen (Anzugsstrom eines Relais), den nächstkleineren. Bei Spannungsteilern prüfst Du nach der Auswahl, ob die Teilspannung noch im geforderten Bereich liegt. Diese Begründung gehört zur Auswahl dazu.

Schritt 4: Auswahlgrößen wie Toleranz und Belastbarkeit

Neben dem Nennwert bestimmen weitere Angaben aus dem Datenblatt, ob ein Widerstand geeignet ist:

• Toleranz: zulässige Abweichung vom Nennwert bei Auslieferung, z. B. ±5 %. Ein 1\ \mathrm{k\Omega}-Widerstand mit ±5 % darf zwischen 950\ \Omega und 1050\ \Omega liegen.

• Belastbarkeit (Nennleistung): höchste Verlustleistung im Dauerbetrieb bei einer Umgebungstemperatur bis meist 70\ ^\circ\mathrm{C}. Darüber muss sie nach der Derating-Kurve des Datenblatts verringert werden.

• Grenzspannung: höchste Spannung, die unabhängig von der Leistung am Widerstand anliegen darf (z. B. 200\ \mathrm{V} bei einem kleinen SMD-Widerstand). Sie begrenzt vor allem große Widerstandswerte.

• Temperaturkoeffizient (TK): Änderung des Widerstands mit der Temperatur in ppm/K (z. B. \pm 50\ \mathrm{ppm/K} bei Metallschicht); wichtig in Messschaltungen. Mehr dazu im Artikel Leiterwiderstand und Temperaturabhängigkeit.

• Temperaturbereich: zulässige Betriebstemperatur, z. B. -55 \dots +155\ ^\circ\mathrm{C}.

Für Kondensatoren gelten entsprechende Größen: Nennkapazität, Toleranz, Spannungsfestigkeit und Temperaturbereich.

Verlustleistung berechnen und Belastbarkeit wählen

Die Verlustleistung im Widerstand berechnest Du mit P = U \cdot I = I^2 \cdot R = \frac{U^2}{R}. Gewählt wird die nächstgrößere Belastbarkeitsstufe (z. B. 0{,}125 – 0{,}25 – 0{,}5 – 0{,}6 – 1 – 2 – 5\ \mathrm{W}), und zwar mit Reserve: Viele Firmen schreiben vor, Widerstände im Dauerbetrieb nur bis 50 bis 70 % der Nennbelastbarkeit zu belasten.

Beispiel: Durch einen Widerstand 150\ \Omega fließen 60\ \mathrm{mA}. Die Verlustleistung beträgt P = (0{,}060\ \mathrm{A})^2 \cdot 150\ \Omega = 0{,}54\ \mathrm{W}. Bei höchstens 70 % Auslastung brauchst Du \frac{0{,}54\ \mathrm{W}}{0{,}7} \approx 0{,}77\ \mathrm{W}, also einen Widerstand mit 1\ \mathrm{W}.

Die ungünstigste Toleranzlage

Muss eine Schaltung auch mit den Toleranzen sicher funktionieren, rechnest Du mit dem ungünstigsten Wert: Für den größten Strom mit dem kleinsten Widerstand (R_\mathrm{min} = R \cdot (1 - t)), für die kleinste Spannung am Abgriff eines Spannungsteilers mit der ungünstigen Kombination beider Widerstände. Den Spannungsteiler-Fall zeigt der Artikel Der Spannungsteiler.

Widerstände zusammenschalten

Gibt es den benötigten Wert oder die Belastbarkeit nicht als Einzelbauteil, schaltest Du mehrere Widerstände zusammen:

Zwei gleiche 0{,}25\ \mathrm{W}-Widerstände in Reihe vertragen zusammen 0{,}5\ \mathrm{W} und die doppelte Spannung. Gleiche Widerstände derselben Toleranz ergeben eine Kombination mit derselben prozentualen Toleranz, weil im ungünstigsten Fall alle in dieselbe Richtung abweichen.

An parallelen Widerständen liegt dieselbe Spannung. Die zulässige Spannung der Parallelschaltung ist deshalb die kleinste der zulässigen Einzelspannungen U_\mathrm{zul} = \sqrt{P_\mathrm{N} \cdot R} (und höchstens die Grenzspannung). Beispiel: 1\ \mathrm{k\Omega} und 470\ \Omega, beide 0{,}25\ \mathrm{W}, parallel: U_\mathrm{zul,1} = \sqrt{0{,}25\ \mathrm{W} \cdot 1000\ \Omega} \approx 15{,}8\ \mathrm{V}, U_\mathrm{zul,2} = \sqrt{0{,}25\ \mathrm{W} \cdot 470\ \Omega} \approx 10{,}8\ \mathrm{V}. Die Parallelschaltung darf an höchstens 10{,}8\ \mathrm{V} betrieben werden – der kleinere Widerstand wird zuerst überlastet.

Schritt 5: Potenziometer und Trimmer

Ein Potenziometer hat drei Anschlüsse: die beiden Enden der Widerstandsbahn (oft mit A und E bzw. 1 und 3 bezeichnet) und den beweglichen Schleifer (S bzw. 2). Zwischen den Enden liegt immer der volle Nennwert, zwischen Schleifer und einem Ende ein einstellbarer Teil davon. Bauarten:

• Drehpotenziometer und Schiebepotenziometer zur Bedienung am Gerät (Lautstärke, Helligkeit, Sollwert).

• Stereo- bzw. Tandempotenziometer: zwei Widerstandsbahnen auf einer Achse, z. B. für die gleichzeitige Lautstärkeeinstellung zweier Kanäle.

• Trimmer: kleine Potenziometer, die einmal beim Abgleich mit dem Schraubendreher eingestellt und danach nicht mehr verändert werden (Referenzspannung, Offset, Verstärkung).

• Spindeltrimmer (Mehrgangtrimmer): Der Schleifer wird über eine Spindel mit vielen Umdrehungen verstellt; der Wert lässt sich sehr fein und stabil einstellen.

Lineare und logarithmische Kennlinie

Bei einem linearen Potenziometer (Kennzeichnung „lin“) wächst der Widerstand zwischen Anfang und Schleifer proportional zum Drehwinkel. Bei einem logarithmischen („log“, positiv-logarithmisch) steigt er zuerst langsam und am Ende schnell; bei halbem Drehwinkel sind erst etwa 10 bis 20 % erreicht. Die Kennbuchstaben sind nicht einheitlich: Bei vielen Herstellern steht A für logarithmisch und B für linear, bei anderen umgekehrt – im Zweifel gilt das Datenblatt.

Logarithmische Potenziometer nimmt man für die Lautstärkeeinstellung: Das Ohr empfindet Lautstärke etwa logarithmisch. Mit einem linearen Potenziometer geschähe die ganze hörbare Änderung im ersten Viertel des Drehwegs, danach klänge es kaum noch lauter. Das logarithmische Potenziometer verteilt die empfundene Lautstärkeänderung gleichmäßig über den Drehweg. Für Sollwerte, Spannungen und Abgleich nimmst Du lineare Potenziometer.

Funktion in der Schaltung: Spannungsteiler oder einstellbarer Widerstand

Ein Potenziometer kann auf zwei Arten geschaltet sein:

• als Spannungsteiler: Beide Enden liegen an einer Spannung, der Schleifer liefert eine einstellbare Teilspannung. Mit Vor- und Nachwiderstand lässt sich der Einstellbereich einengen (siehe Der Spannungsteiler).

• als einstellbarer Widerstand (Rheostat): Nur ein Ende und der Schleifer werden genutzt. Das freie Ende verbindet man mit dem Schleifer: Hebt der Schleifer durch Verschmutzung kurz ab, fließt der Strom über die ganze Bahn, statt dass der Stromkreis unterbrochen wird.

Steht ein Potenziometer im Stromlaufplan als Spannungsteiler vor einem Verstärker oder Komparator, stellt es einen Sollwert oder eine Schaltschwelle ein. In Reihe mit einer Last (als einstellbarer Widerstand) stellt es einen Strom ein; ein fester Widerstand in Reihe begrenzt dabei den Strom, wenn der Trimmer auf null gedreht ist.

Wirkung einer Verstellung beurteilen: Du rechnest die Schaltung für beide Endstellungen durch. Beispiel: Ein Spannungsregler liefert U_\mathrm{A} = U_\mathrm{ref} \cdot \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) mit U_\mathrm{ref} = 1{,}25\ \mathrm{V} und R_1 = 1\ \mathrm{k\Omega}. R_2 besteht aus 2{,}2\ \mathrm{k\Omega} fest und einem Trimmer 0 \dots 1\ \mathrm{k\Omega} in Reihe. In den Endstellungen ergeben sich U_\mathrm{A} = 1{,}25\ \mathrm{V} \cdot 3{,}2 = 4{,}00\ \mathrm{V} und 1{,}25\ \mathrm{V} \cdot 4{,}2 = 5{,}25\ \mathrm{V}: Dreht man den Trimmer weiter auf, steigt die Ausgangsspannung, und ein Laststrom am Ausgang steigt mit. Die Formel zum Regler erklärt der Artikel Spannungsstabilisierung und Linearregler.

Schleiferstellung für einen Sollwert: Im unbelasteten Spannungsteiler fließt ein von der Schleiferstellung unabhängiger Strom I = \frac{U_0}{R_\mathrm{ges}}. Die Spannung am Schleifer ist U_\mathrm{S} = I \cdot (R_\mathrm{N} + R_x), wobei R_x der Teil der Bahn unterhalb des Schleifers ist. Daraus folgt R_x = \frac{U_\mathrm{S}}{I} - R_\mathrm{N}; geteilt durch den Potenziometerwert ergibt sich die Stellung in Prozent des Drehwegs (beim linearen Potenziometer).

Abgleich messen und dokumentieren

Wird ein Trimmer verstellt oder eine Schaltung geändert (z. B. ein Widerstand für eine andere Frequenz oder Ausgangsspannung ersetzt), weist Du die Wirkung durch eine Messung an den Messpunkten nach: Messgröße vorher und nachher, Sollwert mit Toleranz, Messgerät. Ergebnis und geänderte Bauteilwerte trägst Du in Messprotokoll, Schaltplan und Stückliste ein. Mehr dazu im Artikel Abgleich, Justage und Messprotokolle.

Potenziometer als Sensor

Auch in Sensoren stecken Potenziometer, z. B. im Füllstandsgeber mit Schwimmer: Der Schwimmer ist der Messfühler, er folgt dem Flüssigkeitsstand und setzt ihn in eine Bewegung um. Das Potenziometer ist die Umformstufe: Es wandelt den Hebelweg in einen Widerstand bzw. als Spannungsteiler in eine Spannung, die eine Anzeige oder ein A/D-Umsetzer auswertet. Das Potenziometer ist ein passiver Sensor, denn es braucht eine Hilfsenergie. Wie Sensoren eingeteilt werden und welche Temperatursensoren es gibt, zeigen die Artikel Sensoren und Temperatursensoren.

Schritt 6: Digitalpotenziometer

Ein Digitalpotenziometer ist ein IC, das ein Potenziometer nachbildet: Eine Kette aus gleichen Widerständen liegt zwischen den Anschlüssen A und B. Analogschalter verbinden den Schleiferanschluss W (wiper) mit genau einem Abgriff der Kette. Welcher Abgriff gewählt ist, legt ein Mikrocontroller über eine digitale Schnittstelle fest. Damit lassen sich Lautstärke, Verstärkung, Helligkeit oder Referenzspannungen per Programm einstellen und ohne mechanischen Verschleiß abgleichen.

Schrittzahl, Schrittweite und Einstellwert

• Die Auflösung in Bit bestimmt die Zahl der Schleiferstellungen: 7 Bit ergeben 2^7 = 128, 8 Bit 2^8 = 256 Stellungen (Einstellwerte D = 0 \dots 255). Manche Bausteine haben „krumme“ Werte, z. B. 100 Stellungen.

• Die Schrittweite ist der Widerstand eines Elements der Kette: R_\mathrm{S} = \frac{R_\mathrm{AB}}{N}. Ob N die Zahl der Stellungen (z. B. 256) oder die Zahl der Widerstandselemente (z. B. 255) ist, steht im Datenblatt; viele 8-Bit-Bausteine rechnen mit 256, viele 7-Bit-Bausteine mit 127.

• Als einstellbarer Widerstand zwischen W und B gilt R_\mathrm{WB} = D \cdot R_\mathrm{S} + R_\mathrm{W}, wobei R_\mathrm{W} der Widerstand der Schalter im Schleiferweg ist (Schleiferwiderstand, typisch 50 \dots 150\ \Omega).

• Als Spannungsteiler zwischen U_\mathrm{A} an A und 0\ \mathrm{V} an B gilt (unbelastet, der Schleiferwiderstand spielt dann keine Rolle) U_\mathrm{W} = U_\mathrm{A} \cdot \frac{D}{N}.

Beispiel: Ein 8-Bit-Digitalpotenziometer mit R_\mathrm{AB} = 50\ \mathrm{k\Omega} (N = 256) hat die Schrittweite R_\mathrm{S} = \frac{50\ \mathrm{k\Omega}}{256} \approx 195\ \Omega. Als Spannungsteiler an 3{,}3\ \mathrm{V} soll es 1{,}0\ \mathrm{V} liefern: D = \frac{1{,}0\ \mathrm{V}}{3{,}3\ \mathrm{V}} \cdot 256 \approx 77{,}6. Weil nur ganze Schritte möglich sind, wählst Du D = 78 und erhältst U_\mathrm{W} = 3{,}3\ \mathrm{V} \cdot \frac{78}{256} \approx 1{,}01\ \mathrm{V}. Übertragen wird der Einstellwert binär: 78 = 0100\,1110_2 = \mathrm{4E}_{16}. Wie Du zwischen den Zahlensystemen umrechnest, steht im Artikel Zahlensysteme und Codes.

Kennwerte aus dem Datenblatt

Beim Auswählen und Vergleichen von Digitalpotenziometern achtest Du auf:

Wie Du Datenblätter allgemein auswertest und Ersatztypen vergleichst, steht im Artikel Datenblätter auswerten.

Ansteuerung: Up/Down, SPI und I²C

• Up/Down-Schnittstelle (drei Leitungen): Mit \overline{\mathrm{CS}} (chip select, Low-aktiv) wird der Baustein ausgewählt, \mathrm{U}/\overline{\mathrm{D}} legt die Richtung fest (High = aufwärts, Low = abwärts), und jede fallende Flanke an \overline{\mathrm{INC}} verschiebt den Schleifer um einen Schritt. Bei Bausteinen mit EEPROM wird der aktuelle Wert gespeichert, wenn \overline{\mathrm{CS}} wieder auf High geht, während \overline{\mathrm{INC}} High ist. Der Mikrocontroller kennt die Stellung also nur, wenn er die Schritte selbst mitzählt.

• SPI (drei bis vier Leitungen): Bei $ = $ Low schiebt der Mikrocontroller mit dem Takt SCK ein Befehlsbyte und den Einstellwert über SDI in den Baustein; mit der steigenden Flanke von \overline{\mathrm{CS}} wird der Wert übernommen. Der Einstellwert wird direkt gesetzt.

• I²C (zwei Leitungen SDA und SCL mit Pull-up-Widerständen): Der Mikrocontroller sendet die Bausteinadresse, ggf. ein Befehlsbyte und den Einstellwert. Mehrere Bausteine teilen sich den Bus, wenn sie unterschiedliche Adressen haben.

Um eine Verstellung zu prüfen, misst Du die Signale zeitrichtig, also gleichzeitig auf mehreren Kanälen eines Oszilloskops oder Logikanalysators: Triggern auf die fallende Flanke von \overline{\mathrm{CS}}, dann Takt und Daten bzw. \mathrm{U}/\overline{\mathrm{D}} und \overline{\mathrm{INC}} in ihrer zeitlichen Lage vergleichen.

Beschaltung

• Impedanzwandler: Der Schleifer hat einen Innenwiderstand (Teil der Kette plus R_\mathrm{W}) und verträgt nur kleine Ströme. Soll die Schleiferspannung eine Last versorgen, entkoppelt ein OPV als Spannungsfolger: Er belastet den Schleifer praktisch nicht und liefert U_\mathrm{A} = U_\mathrm{W} niederohmig (siehe Bild oben).

• Koppelkondensator: Ein Wechselspannungssignal, z. B. ein Audiosignal, darf an A, B und W den Bereich 0 \dots U_\mathrm{DD} nicht verlassen. Bei einfacher Versorgung trennt deshalb ein Koppelkondensator den Gleichanteil der Quelle ab, und ein Spannungsteiler legt das Signal auf die Mittenspannung \frac{U_\mathrm{DD}}{2}.

• Verstärkung einstellen: Im Gegenkopplungszweig eines nichtinvertierenden Verstärkers ersetzt das Digitalpotenziometer (als einstellbarer Widerstand) den Widerstand R_2; die Verstärkung V = 1 + \frac{R_2}{R_1} wird damit per Einstellwert wählbar. Grundlagen dazu im Artikel Operationsverstärker.

Wie geht es weiter?

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Widerständen und Potenziometern

• Heißleiter, Kaltleiter, Fotowiderstand und Varistor: Veränderliche Widerstände

• Vorwiderstände für Leuchtdioden: Leuchtdioden

• Widerstandsnetzwerke im D/A-Umsetzer: D/A-Umsetzer

• Verstärker mit einstellbarer Gegenkopplung: Operationsverstärker

Leitfragen

1. Welche Vorteile hat ein Widerstandsnetzwerk, und wofür setzt man es ein? Antwort

Es spart Platz und Bestückungsschritte, und alle Widerstände haben sehr ähnliche Werte und dasselbe Temperaturverhalten. Typisch sind Pull-up-Widerstände für mehrere Eingänge (SIL mit gemeinsamem Anschluss) und Vorwiderstände für Anzeigesegmente (DIP mit Einzelwiderständen). siehe Abschnitt „Widerstandsnetzwerke“

2. Wie liest Du einen Widerstand mit fünf Farbringen und einen SMD-Widerstand mit dem Aufdruck „4702“? Antwort

Bei fünf Ringen sind die ersten drei Ziffern, der vierte der Multiplikator und der fünfte die Toleranz. „4702“ bedeutet drei Ziffern 470 und zwei Nullen, also 47{,}0\ \mathrm{k\Omega}. siehe Abschnitt „Schritt 2: Kennzeichnung mit Farbcode und SMD-Aufdruck“

3. Wie ordnest Du einen berechneten Widerstandswert einem Normwert zu? Antwort

Du suchst die beiden benachbarten Werte der geforderten E-Reihe und nimmst ohne weitere Vorgabe den nächstgelegenen. Muss ein Strom einen Höchstwert einhalten, wählst Du den nächstgrößeren Widerstand, muss er mindestens fließen, den nächstkleineren, und prüfst danach die Funktion. siehe Abschnitt „Schritt 3: E-Reihen und Normwerte“

4. Wie wählst Du die Belastbarkeit eines Widerstands, und welche Spannung verträgt eine Parallelschaltung? Antwort

Verlustleistung mit P = I^2 \cdot R bzw. U^2/R berechnen und die nächstgrößere Stufe mit Reserve (z. B. höchstens 70 % Auslastung) wählen. Parallele Widerstände haben dieselbe Spannung; zulässig ist die kleinste Einzelspannung \sqrt{P_\mathrm{N} \cdot R}. siehe Abschnitt „Schritt 4: Auswahlgrößen wie Toleranz und Belastbarkeit“

5. Wann setzt man ein logarithmisches Potenziometer ein, und warum verbindet man beim einstellbaren Widerstand den Schleifer mit einem Ende? Antwort

Für die Lautstärkeeinstellung, weil das Ohr logarithmisch empfindet und die Änderung so gleichmäßig über den Drehweg verteilt wird. Die Verbindung von Schleifer und Ende verhindert, dass der Stromkreis unterbrochen wird, wenn der Schleifer kurz abhebt. siehe Abschnitt „Schritt 5: Potenziometer und Trimmer“

6. Wie berechnest Du den Einstellwert eines Digitalpotenziometers für eine geforderte Spannung? Antwort

Als Spannungsteiler gilt U_\mathrm{W} = U_\mathrm{A} \cdot D/N; nach D umstellen, auf eine ganze Zahl runden, die tatsächliche Spannung nachrechnen und den Wert binär bzw. hexadezimal angeben. siehe Abschnitt „Schrittzahl, Schrittweite und Einstellwert“

7. Welche Grenzwerte eines Digitalpotenziometers musst Du in der Schaltung einhalten? Antwort

Die Spannungen an A, B und W müssen zwischen 0 V und der Betriebsspannung liegen, und der Schleiferstrom darf den Grenzwert (oft nur wenige Milliampere) nicht überschreiten. Deshalb entkoppelt man den Schleifer mit einem Impedanzwandler und legt Wechselsignale über einen Koppelkondensator auf die Mittenspannung. siehe Abschnitt „Beschaltung“

8. Wie verstellst Du ein Digitalpotenziometer mit Up/Down-Schnittstelle um einen Schritt? Antwort

\overline{\mathrm{CS}} auf Low legen, mit \mathrm{U}/\overline{\mathrm{D}} die Richtung wählen und eine fallende Flanke an \overline{\mathrm{INC}} erzeugen. Geht \overline{\mathrm{CS}} bei $ = $ High wieder auf High, speichern Bausteine mit EEPROM den Wert. siehe Abschnitt „Ansteuerung: Up/Down, SPI und I²C“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Widerstand (Bauelement)

• zum Nachschlagen der Normreihen: Wikipedia: E-Reihe

• zum Farbcode: Wikipedia: Widerstand (Bauelement), Abschnitt Farbcodierung

• zum Potenziometer: Wikipedia: Potentiometer

• zum Digitalpotenziometer: Wikipedia: Digitalpotentiometer

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