Spannungsteilerschaltungen

Analysieren wir eine einfache Reihenschaltung und bestimmen die Spannungsabfälle an den einzelnen Widerständen:

Aus den gegebenen Werten der einzelnen Widerstände können wir den Gesamtwiderstand der Schaltung bestimmen, da sich die Widerstände in Reihe addieren:

Bestimmen Sie den Gesamtstromkreiswiderstand

Von hier aus können wir das Ohmsche Gesetz (I=E/R) verwenden, um den Gesamtstrom zu bestimmen, von dem wir wissen, dass er gleich jedem Widerstandsstrom ist, da die Ströme in allen Teilen einer Reihenschaltung gleich sind:

Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz, um den Strom zu berechnen

Da wir nun wissen, dass der Strom im Stromkreis 2 mA beträgt, können wir das Ohmsche Gesetz (E=IR) verwenden, um die Spannung an jedem Widerstand zu berechnen:

Es sollte offensichtlich sein, dass der Spannungsabfall an jedem Widerstand proportional zu seinem Widerstand ist, vorausgesetzt, der Strom durch alle Widerstände ist gleich. Beachten Sie, wie die Spannung an R₂ ist das Doppelte der Spannung an R₁ , ebenso wie der Widerstand von R₂ ist doppelt so groß wie R₁ .

Wenn wir die Gesamtspannung ändern würden, würden wir feststellen, dass diese Proportionalität der Spannungsabfälle konstant bleibt:

Auflösung nach Spannungsabfallverhältnissen

Die Spannung an R₂ ist immer noch genau das Doppelte von R₁ s-Abfall, obwohl sich die Quellenspannung geändert hat. Die Proportionalität der Spannungsabfälle (Verhältnis zueinander) ist streng eine Funktion der Widerstandswerte.

Bei etwas genauerer Betrachtung wird deutlich, dass auch der Spannungsabfall an jedem Widerstand einen festen Anteil an der Versorgungsspannung hat. Die Spannung an R₁ , betrug beispielsweise 10 Volt, wenn die Batterieversorgung 45 Volt betrug. Wenn die Batteriespannung auf 180 Volt (4-mal so hoch) erhöht wurde, fiel die Spannung an R₁ ebenfalls um den Faktor 4 erhöht (von 10 auf 40 Volt). Das Verhältnis zwischen R₁ Der Spannungsabfall und die Gesamtspannung haben sich jedoch nicht geändert:

Ebenso änderte sich auch keines der anderen Spannungsabfallverhältnisse mit der erhöhten Versorgungsspannung:

Spannungsteilerformel

Aus diesem Grund wird eine Reihenschaltung oft als Spannungsteiler bezeichnet für seine Fähigkeit, die Gesamtspannung in Bruchteile mit konstantem Verhältnis zu proportionieren – oder zu teilen. Mit ein wenig Algebra können wir eine Formel zur Bestimmung des Spannungsabfalls des Serienwiderstands ableiten, wenn nur Gesamtspannung, Einzelwiderstand und Gesamtwiderstand gegeben sind:

Das Verhältnis von Einzelwiderstand zu Gesamtwiderstand ist gleich dem Verhältnis Einzelspannungsabfall zur Gesamtversorgungsspannung in einer Spannungsteilerschaltung. Dies ist als Spannungsteilerformel bekannt , und es ist eine Abkürzungsmethode zur Bestimmung des Spannungsabfalls in einer Reihenschaltung, ohne die Stromberechnungen des Ohmschen Gesetzes durchzugehen.

Beispiel für die Verwendung der Spannungsteilerformel

Mit dieser Formel können wir die Spannungsabfälle der Beispielschaltung in weniger Schritten neu analysieren:

Spannung - Teilen von Komponenten

Spannungsteiler finden breite Anwendung in Stromzählerschaltungen, in denen spezielle Kombinationen von Serienwiderständen verwendet werden, um eine Spannung als Teil eines Spannungsmessgeräts in präzise Proportionen zu „teilen“.

Potentiometer als spannungsteilende Komponenten

Ein häufig als spannungsteilendes Bauteil verwendetes Gerät ist das Potentiometer , bei dem es sich um einen Widerstand mit einem beweglichen Element handelt, das durch einen manuellen Knopf oder Hebel positioniert wird. Das bewegliche Element, normalerweise als Wischer bezeichnet , Kontakt mit einem widerstandsbehafteten Materialstreifen (allgemein als Schleifdraht bezeichnet) wenn es aus widerstandsfähigem Metalldraht besteht) an einem von der manuellen Steuerung ausgewählten Punkt:

Der Schleiferkontakt ist das nach links gerichtete Pfeilsymbol, das in der Mitte des vertikalen Widerstandselements eingezeichnet ist. Wenn es nach oben bewegt wird, kontaktiert es den Widerstandsstreifen näher an Klemme 1 und weiter weg von Klemme 2, wodurch der Widerstand an Klemme 1 gesenkt und der Widerstand an Klemme 2 erhöht wird. Wenn es nach unten bewegt wird, ergibt sich der gegenteilige Effekt. Der zwischen den Klemmen 1 und 2 gemessene Widerstand ist für jede Wischerposition konstant.

Rotative vs. lineare Potentiometer

Hier sind interne Illustrationen von zwei Potentiometertypen gezeigt, rotatorisch und linear.

Lineare Potentiometer

Einige Linearpotentiometer werden durch geradlinige Bewegung eines Hebels oder Schiebeknopfes betätigt. Andere, wie die in der vorherigen Abbildung dargestellte, werden zur Feineinstellung durch eine Drehschraube betätigt. Letztere Einheiten werden manchmal als Trimpots bezeichnet weil sie gut für Anwendungen geeignet sind, bei denen ein variabler Widerstand auf einen bestimmten Wert „getrimmt“ werden muss.

Es ist zu beachten, dass nicht alle Linearpotentiometer die gleiche Klemmenbelegung haben wie in dieser Abbildung gezeigt. Bei einigen befindet sich die Schleiferklemme in der Mitte zwischen den beiden Endklemmen.

Drehpotentiometer

Das Bild unten zeigt den Gehäuseaufbau eines Drehpotentiometers.

Das folgende Foto zeigt ein echtes Drehpotentiometer mit freiliegendem Schleifer und Schleifdraht zur einfachen Betrachtung. Die Welle, die den Wischer bewegt, wurde fast vollständig im Uhrzeigersinn gedreht, sodass der Wischer fast das linke Ende des Schleifdrahts berührt:

Hier ist das gleiche Potentiometer, wobei die Wischerwelle fast vollständig gegen den Uhrzeigersinn bewegt wurde, sodass sich der Wischer nahe dem anderen äußersten Ende des Hubs befindet:

Auswirkungen von Einstellungen eines Potentiometers in einer Schaltung

Wenn zwischen den äußeren Klemmen (über die Länge des Schleifdrahts) eine konstante Spannung angelegt wird, greift die Schleiferposition einen Bruchteil der angelegten Spannung ab, messbar zwischen dem Schleiferkontakt und einem der anderen beiden Klemmen. Der Bruchwert hängt ganz von der physikalischen Position des Wischers ab:

Die Bedeutung der Potentiometeranwendung

Genau wie beim festen Spannungsteiler ist das Spannungs-Teilungsverhältnis . des Potentiometers ist strikt eine Funktion des Widerstands und nicht von der Größe der angelegten Spannung. Mit anderen Worten, wenn der Potentiometerknopf oder -hebel in die 50-Prozent-Position (genaue Mitte) bewegt wird, würde die zwischen dem Schleifer und einem der äußeren Anschlüsse abfallende Spannung genau die Hälfte der angelegten Spannung betragen, unabhängig davon, was mit dieser Spannung passiert sein, oder wie hoch der End-to-End-Widerstand des Potentiometers ist. Mit anderen Worten, ein Potentiometer fungiert als variabler Spannungsteiler, bei dem das Spannungsteilungsverhältnis durch die Schleiferposition eingestellt wird.

Diese Anwendung des Potentiometers ist ein sehr nützliches Mittel, um eine variable Spannung von einer Festspannungsquelle wie einer Batterie zu erhalten. Wenn ein Stromkreis, den Sie bauen, eine bestimmte Spannung erfordert, die niedriger ist als der Wert einer verfügbaren Batteriespannung, können Sie die äußeren Anschlüsse eines Potentiometers über diese Batterie verbinden und die benötigte Spannung zwischen den Potentiometern „einwählen“. Schleifer und einen der äußeren Anschlüsse zur Verwendung in Ihrem Stromkreis:

Bei dieser Verwendung wird der Name Potentiometer macht durchaus Sinn:sie messen (kontrolliere) das Potenzial (Spannung), die über sie angelegt wird, indem ein variables Spannungsteilerverhältnis erzeugt wird. Diese Verwendung des dreipoligen Potentiometers als variabler Spannungsteiler ist im Schaltungsdesign sehr beliebt.

Beispiele für kleine Potentiometer

Hier sind einige kleine Potentiometer gezeigt, wie sie üblicherweise in Unterhaltungselektronikgeräten und von Bastlern und Studenten beim Bau von Schaltungen verwendet werden:

Die kleineren Einheiten ganz links und ganz rechts sind zum Einstecken in ein lötfreies Steckbrett oder zum Einlöten in eine Leiterplatte vorgesehen. Die mittleren Einheiten sind für die Montage auf einem Flachbildschirm ausgelegt, wobei an jedem der drei Anschlüsse Drähte angelötet sind. Hier sind drei weitere Potentiometer, spezialisierter als das gerade gezeigte Set:

Die große „Helipot“-Einheit ist ein Laborpotentiometer zum schnellen und einfachen Anschluss an einen Stromkreis. Die Einheit in der unteren linken Ecke des Fotos ist die gleiche Art von Potentiometer, nur ohne Gehäuse oder Zählrad mit 10 Umdrehungen. Beide Potentiometer sind Präzisionseinheiten, die Widerstandsstreifen mit mehreren Windungen und Wischermechanismen verwenden, um kleine Einstellungen vorzunehmen. Die Einheit unten rechts ist ein Potentiometer zur Schalttafelmontage, das für den rauen Einsatz in Industrieanwendungen entwickelt wurde.

RÜCKBLICK:

• Reihenschaltungen proportional oder teilen , die gesamte Versorgungsspannung unter den einzelnen Spannungsabfällen, wobei die Anteile streng von den Widerständen abhängig sind:ERn =ETotal (Rn / RTotal)
• Ein Potentiometer ist ein Bauteil mit variablem Widerstand und drei Anschlusspunkten, das häufig als einstellbarer Spannungsteiler verwendet wird.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Spannungsteilerschaltungen