Spannungsteiler
Englisch: voltage divider
Eine einfache elektronische Schaltung, die eine Eingangsspannung um einen festen Faktor mittels in Reihe geschalteter Impedanzquellen wie Widerstände reduziert.
Spannungsteiler: Widerstandsnetzwerk zur Herabsetzung der Eingangsspannung
Ein Spannungsteiler ist eine Schaltung aus zwei oder mehr in Serie geschalteten Impedanzen über einer Spannungsquelle. Die Ausgangsspannung wird an der Verbindungsstelle zwischen diesen Komponenten abgegriffen und ist ein vorhersehbarer Bruchteil der Eingangsspannung. Die gebräuchlichste Form nutzt zwei Widerstände, aber auch Kondensatoren, Spulen oder deren Kombinationen funktionieren je nach Frequenz und Anwendung gleich gut.
Die Berechnung ist einfach. Bei einem Widerstandsteiler mit den Werten R1 und R2 in Serie gilt, wenn die Eingangsspannung Vin beträgt und die Ausgangsspannung über R2 gegen Masse gemessen wird: Vout = Vin mal R2 geteilt durch (R1 plus R2). Eine 10 V Eingangsspannung mit gleichen Widerständen ergibt 10 V Ausgangsspannung. Das Verhältnis ist fest; es hängt nur von den Bauteilwerten ab, nicht von der Eingangsspannung. Dadurch sind Spannungsteiler zuverlässig für die Erzeugung von Referenzspannungen, die Abschwächung von Signalen oder die Erzeugung von Bias-Punkten für Transistorschaltungen geeignet.
Die kritische Einschränkung ist die Last-Impedanz. Die Formel setzt voraus, dass fast kein Strom von der Ausgangsanzapfung fließt. Wenn Sie eine niederohmige Last anschließen, zieht diese Strom durch R2 und ändert damit die effektive Spannung. Ingenieure arbeiten dies um, indem sie die Teilerwiderstände klein gegenüber der Last dimensionieren oder den Ausgang mit einer hochohmigen Verstärkerstufe puffern. Kapazitive Teiler haben ähnliche Effekte und führen zusätzlich zu Frequenzabhängigkeit; die kapazitive Reaktanz muss bei der Betriebsfrequenz bekannt sein.
Praktische Anwendung und Ausfallmodi
Spannungsteiler finden sich in Sensor-Signalverarbeitungsschaltungen, bei der Messsignalanpassung und beim Schutz von Analog-Digital-Wandler-Eingängen. Sie werden verwendet, um Signalpegel zwischen inkompatiblen Stufen anzupassen und um Bias-Spannungen für Verstärker zu erzeugen. In Messketten schwächen sie Signale ab, die sonst Eingangsbereiche überschreiten würden; ein 100:1 Teiler ermöglicht die Messung von Spannungen, die zehnmal größer sind als die direkt vom Messinstrument erfassbaren.
Häufige Probleme entstehen durch thermische Drift, da sich Widerstandswerte mit der Temperatur ändern und die Ausgangsspannung variiert. Präzisionsanwendungen nutzen temperaturkompensierte Widerstände oder Thermistor-basierte Teiler, um das Verhältnis konstant zu halten. Bei hochohmigen Teilern werden Lecklströme durch die Widerstände selbst oder über die Leiterplattenfläche bedeutsam, besonders in feuchter Umgebung oder bei hohen Spannungen. Bei AC-Signalen erzeugt die Kapazität im Teiler Phasenversatz und frequenzabhängige Abschwächung, was sorgfältige Planung von Bauteilanordnung und Schirmung erfordert.