Spannungsteiler / Spannungsteilerschaltung
Ein Spannungsteiler besteht im Regelfall aus zwei Widerständen, an denen sich die Gesamtspannung Uges in zwei Teilspannungen aufteilt. Die Grundform ist der unbelastete Spannungsteiler, der einer Reihenschaltung aus zwei Widerständen entspricht.
Spannungsteiler werden verwendet, um Arbeitspunkte (Spannungsverhältnisse) an aktiven Bauelemente einzustellen. Zum Beispiel bei einer Transistor-Verstärkerschaltung. Dabei wird nur ein kleiner Stromfluss erzeugt. Hauptsächlich werden mit einem Spannungsteiler Spannungspotentiale erzeugt, die geringer sind als die Gesamtspannung.
Sobald man einen unbelasteten Spannungsteiler mit einem Verbraucher beschaltet, verändert sich die Spannungsverteilung im Spannungsteiler.
Spannungsteilerschaltung
- unbelasteter Spannungsteiler (Reihenschaltung aus zwei Widerständen)
- belasteter Spannungsteiler
Unbelasteter Spannungsteiler (theoretische Betrachtung)
Ein unbelasteter Spannungsteiler besteht aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen R1 und R2.
Die Strom- und Spannungsverteilung in unbelasteten Spannungsteilern ist identisch mit der Reihenschaltung. Hier gelten dieselben Formeln und Regeln.
Ein unbelasteter Spannungsteiler ist nur ein Hilfsmittel, um zu verstehen, wie sich die Spannung an den Widerständen aufteilt. Der einzige praktische Anwendungsfall ist, dass sich nicht nur die Spannungen, sondern auch die Verlustleistung (P = U x I) auf die Widerständen aufteilt. Ansonsten sind alle Spannungsteiler immer irgendwie belastet. Außer der abgezweigte Strom ist sehr gering und vernachlässigbar.
Unbelasteten Spannungsteiler berechnen
Die folgenden Formeln dienen zur Berechnung der Teilspannungen (Spannungsteilerregeln). Sie gelten aber nur, wenn durch beide Widerstände der selbe Strom fließt, also ein unbelasteter Spannungsteiler vorliegt. In diesem Fall rechnet man die Teilspannung über den Dreisatz aus.
Belasteter Spannungsteiler
Ein belasteter Spannungsteiler besteht aus der Reihenschaltung der Widerstände R1 und R2. Zusätzlich wird einer der beiden Widerstände durch einen Verbraucher, in diesem Fall vom Widerstand RL, belastet (Lastwiderstand).
Die Schaltung wird von einer Reihenschaltung zu einer gemischten Schaltung aus Parallelschaltung (R2 || RL) und Reihenschaltung (R1 + (R2 || RL)).
Wird der Spannungsteiler mit einem Widerstand belastet, so finden in der Schaltung folgende Änderungen statt:
- Der Gesamtwiderstand der Schaltung wird kleiner.
- Aufgrund dessen steigt der Gesamtstrom Iges.
- Die Teilspannung U1 am Widerstand R1 wird größer.
- Die Teilspannung U2 am Widerstand R2 wird kleiner.
Belasteten Spannungsteiler berechnen
Die folgende Formel dient zur Berechnung des Ersatzwiderstandes von R2 || RL im belasteten Spannungsteiler.
Wie groß müssen die Widerstände im Spannungsteiler sein?
Es ist nicht egal, ob die Widerstände niederohmig oder hochohmig gewählt werden. Denn einerseits muss man aufpassen, dass die Widerstände nicht zu klein sind. Sonst fließt ein zu großer Strom und es wird zu viel Leistung verbraucht. Andererseits dürfen die Widerstände auch nicht zu groß sein, da sonst die geteilte Spannung zu sehr vom Lastwiderstand abhängig ist.
Wie groß die Widerstände gewählt werden müssen, kommt auf die Anwendung an. Und dafür gibt es Faustregeln. Eine dieser Faustregel sagt, dass die Spannung U2 nur dann einigermaßen stabil bleibt, wenn der Strom durch den Spannungsteiler I2 etwa 3 bis 10 mal größer ist, als der Strom IL, der durch den Lastwiderstand fließt. Dann kann man den Spannungsabfall durch die Belastung des Spannungsteilers vernachlässigen. Das ist nur mit einem hochohmigen Lastwiderstand zu erreichen.
Wenn man mit dem Spannungsteiler einen besonders hochohmigen Eingang ansteuert, und das sollte die Regel sein, dann kann der Spannungsteiler aus Widerständen im kOhm- oder im 100-kOhm-Bereich, vielleicht sogar im MOhm-Bereich bestehen.
Generell sollte man die Widerstände ausrechnen und damit experimentieren. Nur so findet man heraus, was optimal ist.
Anwendungen
Hochohmige, veränderliche Verbraucher können durch niederohmige Spannungsteiler mit einer einigermaßen stabilen Spannung versorgt werden. Allerdings darf ein Spannungsteiler nicht durch einen sehr kleinen Widerstand belastet werden. Das führt zu erheblichen Veränderungen in der Strom- und Spannungsverteilung innerhalb der Schaltung. Dadurch wird der Spannungsteiler unbrauchbar.
Eine typische Anwendung eines Spannungsteilers ist die Arbeitspunkteinstellung bei Transistorschaltungen.
Eingangsbeschaltungen von Operationsverstärkerschaltungen werden häufig mit einem unbelasteten Spannungsteiler dimensioniert, wenn die Eingangsströme sehr klein sind.
Bei Sensoren, die über den ADC eines Mikrocontrollers gemessen werden, werden häufig mit einem Festwiderstand in Reihe geschaltet, wodurch ein Spannungsteiler entsteht.
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Spannungsteiler und Wechselspannungen
In der Regel wird ein Spannungsteiler unter den Bedingungen von Gleichspannung bzw. Gleichstrom betrachtet. Es gibt jedoch Anwendungsfälle in denen Wechselspannung bzw. Wechselstrom zum Einsatz kommt. In diesem Fall sollte man berücksichtigen, wie ein Spannungsteiler einen Einfluss auf hochfrequente Spannungen hat.
Wenn über einen sehr hochohmigen Spannungsteiler hochfrequente Spannungen übertragen werden, dann dämpfen parasitäre Kapazitäten diese Spannungen. Diese Kapazitäten bilden sich an Leitungen und Leiterbahnen, und zusammen mit dem Parallelwiderstand des Spannungsteilers entsteht ein passiver Tiefpassfilter, der die Frequenzbandbreite begrenzt.
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