Spannungsteiler: Warum sie in Schaltkreisen wichtig sind und wie sie funktionieren

Einführung

A Spannungsteiler ist eine einfache elektronische Schaltung zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, die niedriger ist als die Eingangsspannung. Meistens beträgt die Ausgangsspannung nur einen Bruchteil der Eingangsspannung.

Spannungsteiler bestehen aus in Reihe geschalteten Widerständen, um ihre Funktionalität zu ermöglichen. Die Ausgangsspannung wird zwischen den Widerständen gemessen. Es ist zu erwarten, dass ein solches Gerät Anwendungen findet, bei denen es notwendig ist, die Spannung im Stromkreis auf ein für bestimmte Geräte geeignetes, handhabbares Niveau zu reduzieren.

Schlüsselkomponenten von Spannungsteilern

Die Hauptkomponenten von Spannungsteiler sind Widerstände. Diese sind für die Bestimmung der Spannungsteilung und der Spannungsausgabe im Schaltkreis verantwortlich.

Beispielsweise können zwei Widerstände, R1 und R2, in Reihe geschaltet werden. Das Verhältnis ihrer Widerstände bestimmt die Höhe der Ausgangsspannung.

Zusätzlich zu den Widerständen gibt es eine Spannungsquelle (Vin) und eine Ausgangsspannung (Vout). Der Ausgangsspannungswert über R2 ist normalerweise ein Bruchteil der Eingangsspannung.

Funktionsweise von Spannungsteilern

Wir betrachten das Beispiel zweier in Reihe geschalteter Widerstände, R1 und R2. Die Spannung wird an diese beiden Widerstände angelegt, um zu sehen, wie hoch der Spannungsabfall am Ende sein wird.

Der Stromfluss durch die beiden Widerstände ist gleich, da sie in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsabfall ist jedoch proportional zum Widerstandswert jedes Widerstands.

Um die Ausgangsspannung zu berechnen, verwenden Sie die Spannungsteilergleichung siehe unten.

Vout = Vin * (R2/(R1 + R2))

Vorteile der Verwendung von Spannungsteilern

A Spannungsteilerschaltung bietet wahrscheinlich mehr Vorteile als viele denken. Beispielsweise lässt sich die gewünschte Ausgangsspannung durch Anpassen der in der Schaltung verwendeten Widerstände erreichen. So lässt sich die Hochspannung auf das für ein bestimmtes Gerät erforderliche Niveau reduzieren.

A Widerstandsspannungsteiler Auch die Anpassung von Signalpegeln ist möglich. So lässt sich die Signalamplitude reduzieren und so als Eingangssignal für bestimmte Messgeräte verwenden.

Spannungsteiler können auch in Transistorschaltungen eingesetzt werden. Sie sind wichtig für die Einstellung der Basisspannung, die Transistoren für den ordnungsgemäßen Betrieb benötigen.

Die Verwendung eines Potentiometer-Spannungsteiler Ermöglicht die Variation der Ausgangsspannung durch Anpassung des Widerstands im Schaltkreis. Diese Funktion eignet sich gut zum Abstimmen von Schaltkreisen.

Was die Kosten betrifft, sind Spannungsteiler im Allgemeinen günstig in der Entwicklung und Implementierung. Dies liegt daran, dass für den Betrieb nur zwei Widerstände benötigt werden, was sie zu einer kostengünstigen Lösung macht.

Arten von Spannungsteilern

Spannungsteiler lassen sich in resistive, kapazitive und induktive Teile unterteilen. Um eine niedrigere Spannung als die Eingangsspannung zu erreichen, sind die im Schaltkreis verwendeten Komponenten entscheidend.

Resistive Spannungsteiler

Diese Teiler verfügen über Widerstände, die den Spannungsabfall erzeugen. Die Ausgangsspannung beträgt nur einen Bruchteil der Eingangsspannung. Dies wird durch das Verhältnis der Widerstandswerte bestimmt. Solche Teiler sind in Gleichstromkreisen zu finden und einfach zu implementieren.

Kapazitive Spannungsteiler

Diese Spannungsteiler nutzen Kondensatoren anstelle von Widerständen und fungieren als Spannungsteiler in den Wechselstromkreisen. Die Wechselstromfrequenz und die Kapazität der Kondensatoren bestimmen die Ausgangsspannung. Dadurch eignen sie sich ideal für Filter- und Signalverarbeitungsanwendungen.

Induktive Spannungsteiler

Induktivitäten sind die wichtigsten Komponenten zur Spannungsteilung im Schaltkreis. Sie sind besonders nützlich in HF-Anwendungen und Hochfrequenzschaltungen. Sie sind nicht so verbreitet wie resistive Spannungsteiler, eignen sich aber für HF-Verstärker und Antennenabstimmungen.

Einstellbarer Spannungsteiler

Die einstellbaren Spannungsteiler verwenden Potentiometer, mit denen sich die Ausgangsspannung einstellen lässt. Manchmal ist es notwendig, die Ausgangsspannung auf einen präzisen Wert zu variieren. Mit einem guten Aufbau eignet sich diese Schaltung ideal zur Kalibrierung von Geräten.

Einschränkungen von Spannungsteilern

Spannungsteiler sind zwar vielseitig einsetzbar, unterliegen aber auch einigen Einschränkungen. Nachfolgend finden Sie wichtige Einschränkungen, die Sie kennen sollten.

Stromineffizienz

Spannungsteiler können manchmal ineffizient sein. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung kleinerer Widerstände zur Bewältigung von Lastwiderstandsänderungen. Die Folge ist Energieverschwendung.

Lastvariation und Genauigkeit

Die Ausgangsspannung eines Spannungsteilers kann nur bei minimalem oder keinem Laststrom genau sein. Erhöht man den Laststrom, wird die Ausgangsspannung aufgrund des höheren Spannungsabfalls an den Widerständen ungenauer.

Hochfrequenzanwendungen

Für Hochfrequenzanwendungen sind resistive Spannungsteiler nicht optimal geeignet, da ihre Genauigkeit bei höheren Frequenzen stark nachlässt.

So entwerfen Sie Spannungsteiler für einen Schaltkreis

Bei der Gestaltung eines Kondensatorspannungsteiler oder ein resistiver SpannungsteilerFolgendes sollten Sie beachten:

1. Bestimmen Sie die gewünschte Ausgangsspannung. Dies ist entscheidend, da davon die für die Schaltung zu verwendenden Komponenten abhängen.
2. Kennen Sie Ihre Eingangsspannung. Wie hoch ist die Startspannung?
3. Berechne dein Widerstandsverhältnis. Dies erreichst du, indem du die Ausgangsspannung durch die Eingangsspannung dividierst. Der erhaltene Wert ist das gewünschte Spannungsreduzierungsverhältnis.
4. Wählen Sie den Wert für R1. Dies ist der mit Masse verbundene Widerstand. Wählen Sie einen beliebigen Wert für diesen Widerstand.
5. Sobald Sie den Wert von R1 haben, berechnen Sie damit den Wert für R2. Dies geschieht durch Multiplikation des Wertes von R1 mit dem Spannungsreduzierungsverhältnis.
6. Sie können die allgemeine Spannungsteilerformel um zu überprüfen, ob die Werte die gewünschte Spannung ergeben.

Häufige Fehler, die bei der Arbeit mit Spannungsteilern vermieden werden sollten

Der Prinzip des Spannungsteilers funktioniert für verschiedene Anwendungen recht gut, aber manchmal können Fehler die Spannungsteiler ineffizient machen. Hier sind einige davon.

Das Ignorieren der Ladeeffekte kommt häufiger vor, als man denkt. Bei der Verwendung eines Widerstand als SpannungsteilerNormalerweise wird von keiner Last ausgegangen, in der Realität kann jedoch eine Last am Ausgang angeschlossen sein, die das Verhalten des Spannungsteilers beeinflusst. Der Belastungseffekt kann zu hohen Spannungsabfällen führen.

Ein weiterer Fehler ist die Wahl ungeeigneter Widerstandswerte. Manche wählen oft niedrige Widerstandswerte, wodurch der Spannungsteiler zu viel Strom ziehen und die Widerstände überhitzen können. Umgekehrt führt die Verwendung sehr hoher Widerstandswerte dazu, dass der Spannungsteiler selbst bei kleinen Änderungen der Eingangsspannung zu empfindlich reagiert und somit unzuverlässig wird.

Werden Widerstandstoleranzen und Temperatureffekte ignoriert, kann dies zu unerwarteten Spannungsabfällen oder zu starken Schwankungen der Ausgangsspannung führen. Man muss sich darüber im Klaren sein, dass Widerstände Toleranzen aufweisen und ihre tatsächlichen Betriebswerte leicht von den Nennwerten abweichen können.

Dies sind nur einige der Fehler, die viele machen. Nehmen Sie sich die Zeit, die Anwendung zu verstehen und die richtigen Komponenten dafür auszuwählen.

Spannungsteiler vs. Spannungsregler

Wir wissen bereits, wie ein Spannungsteiler funktioniert. Es handelt sich einfach um eine Schaltung mit zwei oder mehr Widerständen in Reihe über einer Spannungsquelle. Die Aufgabe einer solchen Schaltung besteht darin, die Eingangsspannung entsprechend dem Widerstandsverhältnis zu teilen, was zu einer deutlich niedrigeren Ausgangsspannung führt.

Zu den Anwendungen für Spannungsteiler gehören Spannungsvorspannung, Pegelverschiebung und Signalaufbereitung.

Ein Spannungsregler ist eine aktive Schaltung, deren Aufgabe es ist, eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Dies gilt unabhängig von Schwankungen des Laststroms oder der Eingangsspannung. Es gibt zwei Haupttypen von Spannungsreglern: Linearregler und Schaltregler.

Zu den Anwendungen für Spannungsregler gehören Stromversorgungen, Batterieladungen und die Bereitstellung geregelter Spannungen für verschiedene Arten von Schaltkreisen.

Abschluss

Spannungsteiler sind in vielen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Sofern Sie eine niedrigere Ausgangsspannung benötigen, ist dies ein Beispiel dafür. Das Beste an Spannungsteilern ist ihre einfache Implementierung. Sobald Sie wissen, wie man die SpannungsteilerformelEs sollte nicht schwer sein, einen Spannungsteiler zu entwerfen und zu implementieren. Vermeiden Sie die oben genannten Fehler, um einen gut funktionierenden Spannungsteiler für Ihre Anwendung zu erhalten.