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Spannungsteiler

Das Video zum Kapitel


Konstante Widerstände

Spannungsteiler
Abbildung 1:
Im Kapitel zu Schaltungen mit ohmschen Widerständen haben wir die theoretischen Grundlagen zu Spannungsteilern kennengelernt. Hier möchte ich ein paar praktische Anwendungen für diese simplen elektrischen Netzwerke aufzeigen. Spannungsteiler sind hilfreich, wenn ein fester Bruchteil der Versorgungsspannung für ein spezielles Bauteil in einem Schaltkreis benötigt wird. Zum Beispiel haben wir im Kapitel zu Verstärkerschaltkreisen eine Vorspannung an die Basis eines Bipolartransistors gelegt. Diese Vorspannung betrug circa 0.67V, während die Versorgungsspannung des Akkus 12V betrug. Somit ist das Spannungsverhältnis 0.67V : 12.00V. Wird ein 1kΩ Widerstand verwendet, ergibt sich für den Wert des zweiten Widerstands: R2 = (1kΩ * 0.67V) / (12.00V - 0.67V) = 59Ω.
Was passiert, wenn sich die Batteriespannung ändert? Die Ladeschlussspannung von 12V Bleiakkus beträgt 14V und mit dem Entladen sollte man beim Erreichen einer Spannung von 11.2V stoppen, womit die Spannung an R2 zwischen Umax = 14.0V * 59Ω / (59Ω + 1000Ω) = 0.78V und Umin = 11.2V * 59Ω / (59Ω + 1000Ω) = 0.62V variiert. Solltet ihr also beabsichtigen, einen Verstärker hoher Güte zu bauen, solltet ihr für eine konstantere Eingangsspannung sorgen als ein Bleiakku bereitstellen kann.

Berechnung Spannungsteiler
Abbildung 2:
Ein Spannungsteiler kann aus mehr als nur 2 Widerständen bestehen. Weiter unten wird eine Spannung von 0.75V bei einer Eingangsspannung von 12V benötigt, wobei der Gesamtwiderstand auf 528Ω festgelegt ist. Ein 33Ω und ein 495Ω Widerstand erfüllen die Bedingungen, jedoch werdet ihr einen 495Ω-Widerstand kaum kaufen können. Die Lösung des Problems besteht darin, einen 470Ω, einen 15Ω und einen 10Ω-Widerstand zu nehmen (einen 25Ω-Widerstansd werdet ihr ebenfalls nicht finden).
Der Spannungsabfall an den einzelnen Widerständen errechnet sich wie folgt:
Rx = 12V * Rx / RTotal
Somit erhalten wir 10.68V an R1, 0.34V an R2, 0.23V an R3 und schließlich 0.75V an R4.

Ausgangswiderstand

Verwendet ihr einen Spannungsteiler als Spannungsquelle für ein bestimmtes Bauteil, solltet ihr den Spannungsabfall im Auge behalten, wenn ihr eine Last parallel zu einem der Widerstände schaltet. Im Kapitel zu elektronischen Schaltern haben wir gesehen, dass eine Basisspannung von 0.75V an einem BD135 ausreicht, um einen Motor einzuschalten. Ein Spannungsteiler aus einem 2.7kΩ und einem 180Ω Widerstand ergibt diese Spannung, wenn keine Last parallel zu R2 geschaltet ist. Wird der Transistor angeschlossen, sinkt die Spannung an R2 auf nur noch 0.68V, was nicht ausreicht, den Motor zu schalten. Der Widerstand der Emitter-Basis-Strecke beträgt etwa 1800Ω.
Um eine stabilere Ausgangsspannung zu erhalten, muss der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers reduziert werden. Mit einem 495Ω und einem 33Ω Widerstand (siehe obiges Beispiel), erhalten wir eine Spannung von 0.75V an R2 ohne eine Last und 0.74V wenn der Transistor an das Netzwerk angeschlossen wird. Der Nachteil beim Verringern des Gesamtwiderstandes liegt darin, dass der größte Teil der Eingangsleistung in Hitze verwandelt wird. 256mW werden von R1 und 17mW von R2 in Hitze verwandelt, während nur 375μW von dem Transistor benötigt werden.

Potentiometer

Potentiometer als variabler Spannungsteiler
Abbildung 3:
Im Prinzip ist ein Potentiometer ein einstellbarer Spannungsteiler. Üblicherweise wir dabei das Widerstandselement in Form eines Kreisbogens ausgeführt, nur geringfügig kleiner als ein Vollkreis. Die Ausgangsspannung liegt zwischen Null Volt und der Eingangsspannung des Teilers.
Ein Stück Widerstandsdraht mit einer als Schleifkontakt verwendeten Klemme kann als einfache Konstruktion eines geraden Potentiometers verwendet werden.
Die Ausgangsspannung eines Spannungsteilers kann als Eingangsspannung eines Regelkreises verwendet werden, wobei Potentiometer als Sensoren für Positionierungsaufgaben fungieren. Servos verwenden üblicherweise drehbare Potentiometer, um Rotationsbewegungen zu steuern. Entsprechend können lineare Potentiometer verwendet werden, um geradlinige Bewegung zu erkennen beziehungsweise zu steuern.

Variabler Spannungsteiler
Abbildung 4:
Wird der mittlere Pin, der intern mit dem Schleifkontakt verbunden ist und einer der äußeren Pins kurzgeschlossen, so wird ein Potentiometer zu einem einstellbaren Widerstand. Das ist hilfreich, wenn eine sich nur leicht ändernde Ausgangsspannung für eine Anwendung benötigt wird. Eine Vorspannung von 0.6V bis 0.7V einzustellen ist einfach, wenn ein 1kΩ Potentiometer (P1) und ein 100kΩ sowie ein 10kΩ (R1, R2) Widerstand verwendet werden.

H-Brücke

H-Brücke aus Potentiometern
Abbildung 5:
Eine H-Brücke ist ein elektronischer Schaltkreis, der es ermöglicht eine Spannung mit wechselnder Polarität an eine Last zu legen. Eine einfache H-Brücke besteht aus zwei Potentiometern mit der Last an den beiden Schleifkontakten.
Ist die Ausgangsspannung an beiden Potentiometern gleich (z. B. beide sind in Mittelstellung), liegt keine Spannung an der Last an.
H-Brücke aus Potentiometern, Minuspol links
Abbildung 6:
Ist die Ausgangsspannung von Potentiometer Nummer zwei positiver als die von Potentiometer Nummer eins, befindet sich der positive Pol auf der rechten Seite.
H-Brücke aus Potentiometern, Minuspol rechts
Abbildung 7:
Ist die Ausgangsspannung von Potentiometer Nummer zwei hingegen weniger positiver als die von Potentiometer Nummer eins, befindet sich der negative Pol auf der rechten Seite.

Dioden

Spannungsteiler mit Dioden
Abbildung 8:
Die Strom-Spannungs-Kennlinie von Halbleiterdioden unterscheidet sich von der ohmscher Widerstände. Der Widerstand einer in Vorwärtsrichtung gepolten Siliziumdiode sinkt ab einer Spannung von etwa 0.6V deutlich. Wird R2 durch eine in Vorwärtsrichtung gepolte Diode ersetzt, steigt der Spannungsabfall nicht wesentlich über 0.6V, auch wenn die Eingangsspannung deutlich höher liegt.
Werden mehrere in Durchlassrichtung gepolte Dioden in Serie geschaltet, beträgt die Ausgangsspannung ein vielfaches von 0.6V. Diese beträgt zum Beispiel etwa 1.8V wenn drei Dioden verwendet werden.


Spannungsteiler mit Zenerdiode
Abbildung 9:
Eine spezielle Art Dioden sind die sogenannten Zenerdioden. In Durchlassrichtung sind die elektrischen Eigenschaften identisch denen einer normalen Diode. Im Gegensatz dazu fließt bei einer Zenerdiode auch dann ein Strom wenn diese in Sperrrichtung gepolt ist und eine charakteristische Spannung, die man auch als Durchbruchspannung oder Zenerspannung bezeichnet, überschritten wird. Der Spannungsabfall an einer 3.0V Zener-Diode übersteigt diese spannung nur leicht, wenn diese in Sperrrichtung gepolt ist, weswegen der Gesamtstrom durch den Spannungsteiler bei Eingangsspannungen größer als 3.0V fast nur durch den Widerstand von R1 bestimmt wird.
Wird eine Last parallel zur Zenerdiode angeschlossen, kommt es zu fast keinem Spannungseinbruch, so lange der Widerstand der Last nicht unter einen bestimmten Wert fällt:
Rload = Uzener * R1 / (Utotal - Uzener)
Ein Spannungsteiler aus einem konstanten Widerstand und einer Zener-Diode ist daher ideal, um eine Referenzspannung zu generieren, oder als Spannungsstabilisierung für Anwendungen mit einem niedrigen Laststrom.

Veränderlicher Widerstand

Spannungsteiler mit variablem Widerstand als Sensor
Abbildung 10:
Der Widerstand einiger Bauteile ändert sich deutlich unter dem Einfluss von Licht oder Temperatur. Ein Spannungsteiler bestehend aus einem konstanten und einem variablen Widerstand kann als Sensor verwendet werden. Der Spannungsabfall an dem variablen Widerstand ändert sich dabei in Abhängigkeit der zu untersuchenden physikalischen Größe. In der Zeichnung werden ein Phototransistor und ein konstanter Widerstand verwendet, um sich ändernde Lichtintensität in eine sich ändernde Spannung zu wandeln. Wird der Phototransistor beleuchtet, sinkt die Spannung an diesem Bauteil.


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