Präzisen Spannungsteiler mit Potentiometer bauen

TEILE UND MATERIALIEN

• Zwei 6‑Volt-Batterien
• Kohle-Bleistift „Mine“ (Graphit-Ton-Stab) für mechanischen Bleistift
• Eingängig, 5 kΩ – 50 kΩ, linearer Potentiometer (Radio Shack # 271‑1714 – 271‑1716)
• Mehrgängig, 1 kΩ – 20 kΩ, linearer Potentiometer (Radio Shack # 271‑342, 271‑343, 900‑8583, 900‑8587 – 900‑8590)

EINFÜHRUNG

Ein Potentiometer fungiert als variabler Spannungsteiler. Durch Drehen seiner Welle oder Verschieben seines Reglers setzen Sie das Verhältnis zwischen zwei Ausgangsspannungen.

Potentiometer sind in Panel-Mount- und Breadboard-(PCB)-Konfigurationen erhältlich. Für dieses Experiment funktioniert jeder Stil, aber ein linearer Potentiometer wird bevorzugt, da sich sein Widerstand proportional zur Position ändert. Audio-Taper (logarithmische) Potentiometer, oft aus Radios salvaged, zeigen ein nicht-lineares Verhältnis und eignen sich weniger für präzise Spannungsteilung.

QUERVERWEISE

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 6: „Divider Circuits and Kirchhoff’s Laws.“

LERNZIELE

• Ein Voltmeter nutzen, um Spannung über einem Widerstandsnetzwerk abzulesen.
• Ein Ohmmeter nutzen, um Widerstandswerte zu verifizieren.
• Einen Spannungsteiler entwerfen und analysieren.
• Demonstrieren, wie Spannungen in Reihe addieren.

SCHALTPLAN

ILLUSTRATION

ANWEISUNGEN

Beginnen Sie mit dem Graphit-Bleistift als provisorischem Widerstand. Verbinden Sie beide Enden des Stabs mit einer 6‑Volt-Batterie mittels Krokodilklemmen. Schließen Sie ein Voltmeter über den Stab an und bewegen Sie die rote Spitze entlang seiner Länge. Beobachten Sie, wie sich der Wert ändert; das Maximum tritt auf, wenn die Spitze in der Mitte ist und den Stab in zwei gleiche Widerstände teilt.

Als Nächstes verdrahten Sie das Voltmeter neu, um nur das obere Segment des Stabs zu messen. Bewegen Sie die schwarze Spitze entlang des Stabs und notieren Sie den Spannungsabfall. Die höchste Anzeige erscheint, wenn die Spitze nahe dem positiven Pol ist, was bestätigt, dass der Spannungsabfall über dem längsten Segment am größten ist.

Herstellerseitige Potentiometer kapseln einen Widerstandsstreifen in einem Gehäuse, mit einem Schleifer, der entlang des Streifens gleitet oder rotiert. Ein Drehpotentiometer nutzt oft eine Spiralbahn, die mehrere Umdrehungen für den vollen Bereich erfordert – ideal für Feinjustage. Lineare Potentiometer bewegen den Schleifer linear entlang des Streifens und können einen Schiebe- oder Schraubenmechanismus für Mehrgang-Präzision einsetzen.

Beim Einrichten eines echten Potentiometers messen Sie zuerst die Batteriespannung. Dann, mit angeschlossenem Potentiometer, messen Sie die Spannung zwischen Schleifer und negativem Ende der Batterie. Drehen Sie die Welle, bis das Voltmeter genau ein Drittel der Gesamtspannung anzeigt (≈ 2 V für eine 6‑V-Batterie). Wiederholen Sie die Messung mit zwei Batterien in Reihe (≈ 12 V). Das Verhältnis der Schleiferspannung zur Gesamtspannung sollte 1 : 3 bleiben, was die Genauigkeit des Teilers bestätigt.

ZUGEHÖRIGE ARBEITSBLÄTTER

• Potentiometers Worksheet
• Voltage Divider Circuits Worksheet
• Simultaneous Equations for Circuit Analysis Worksheet