Interaktive Animation zum Funktionsprinzip eines Spannungsteilers

Die folgende Animation stellt das Funktionsprinzip eines Spannungsteilers dar. Spannungsteiler haben für die elektrische Signalverarbeitung eine zentrale Bedeutung.

Beschreibung

Ein Spannungsteiler ist eine Reihenschaltung, die eine Eingangsspannung in zwei kleinere Ausgangsspannungen aufteilt. Die Größe der Ausgangsspannungen hängt vom Verhältnis der Widerstandswerte ab. Eine größere Spannung wird über den Widerstand abfallen, der einen höheren Widerstandswert hat. Spannungsteiler reduzieren die Spannung auf ein für nachfolgende Schaltungen geeignetes Niveau.

In der Animation wird dieser Zusammenhang durch die blauen Spannungspfeile neben der Schaltung veranschaulicht: Die Pfeile für U_RA und U_RPot teilen sich die Gesamtlänge des Pfeils für U_ges untereinander auf. Verändert man den Widerstandswert des variablen Bauteils über den Schieberegler links, passen die Pfeile ihre Länge sofort an. Der größere Spannungsanteil fällt stets über dem höheren Widerstand ab.

Grundlagen

Das Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsspannung wird durch das Verhältnis der Widerstandswerte bestimmt.

\[ U_a = U_e \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2} \]

U_a: Ausgangsspannung
U_e: Eingangsspannung
R₁, R₂: Widerstände des Spannungsteilers

Diesen Zusammenhang können Sie in der Animation direkt nachvollziehen: Über das Eingabefeld lässt sich der Wert von R_A zwischen 100 und 9000 Ω einstellen. Den zweiten Widerstand verändern Sie mit dem Schieberegler links. Die sich ergebenden Spannungswerte U_RA und U_RPot werden neben den Pfeilen numerisch angezeigt und summieren sich stets zu U_ges = 12 V. Über die Checkbox „I_ges“ lässt sich zusätzlich der Gesamtstrom als roter Pfeil einblenden.

Wo begegnet man Spannungsteilern?

Spannungsteiler finden sich in zahlreichen Anwendungen der Elektrotechnik und Elektronik. Oft begegnet man ihnen, ohne es bewusst wahrzunehmen:

Lautstärkeregler (Potentiometer): Ein Drehregler an einer Stereoanlage oder einem Verstärker ist ein variabler Spannungsteiler. Durch Drehen des Reglers wird das Widerstandsverhältnis verändert und damit die Signalspannung – also die Lautstärke – stufenlos eingestellt. In der Animation ist das Potentiometer als Standardbauteil ausgewählt. Der Schieberegler links stellt den Drehwinkel α dar. Im Koordinatensystem rechts ist der lineare Zusammenhang zwischen Drehwinkel und Widerstandswert R_Pot zu erkennen: Ein größerer Drehwinkel ergibt einen proportional größeren Widerstand.
Temperatursensoren: Ein NTC-Widerstand (Heißleiter) wird häufig zusammen mit einem Festwiderstand als Spannungsteiler geschaltet. Da sich der Widerstand des NTC mit der Temperatur ändert, ändert sich auch die Ausgangsspannung – ein Mikrocontroller kann so die Temperatur messen. Wählen Sie über die Radiobuttons am unteren Rand der Animation den „Thermistor“ aus. Der Schieberegler repräsentiert dann die Temperatur ϑ, und im Koordinatensystem zeigt die Kennlinie den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand R_Ther. Beobachten Sie, wie sich die Spannungsaufteilung dadurch anders verhält als beim linearen Potentiometer.
Lichtsensoren: Ganz ähnlich funktioniert es mit einem LDR (lichtabhängiger Widerstand). In Kombination mit einem Festwiderstand entsteht ein Spannungsteiler, dessen Ausgangsspannung von der Helligkeit abhängt – die Grundlage vieler Dämmerungsschalter. In der Animation kann dieses Verhalten über den Radiobutton „Fotodiode“ simuliert werden. Der Schieberegler steuert dann die Lichtstärke E, und die nichtlineare Kennlinie von R_Foto wird im Koordinatensystem rechts angezeigt.
Pegelwandlung bei Mikrocontrollern: Viele Sensoren arbeiten mit 5 V Logikpegel, während moderne Mikrocontroller (z. B. ESP32) nur 3,3 V vertragen. Ein einfacher Spannungsteiler mit zwei Widerständen kann die Signalspannung auf ein sicheres Niveau reduzieren. Der Grundgedanke lässt sich in der Animation nachstellen: Wählen Sie das Potentiometer und stellen Sie die Widerstandswerte so ein, dass U_RPot den gewünschten Zielwert erreicht – die angezeigte Spannung ändert sich dabei in Echtzeit.

Beim Umschalten zwischen den vier Bauteiltypen in der Animation fällt auf, dass sich das Schaltbild in der Mitte anpasst: Das Schaltzeichen des zweiten Bauteils wechselt entsprechend. Beim Transistor wird zusätzlich ein Basisstrom I_b als roter Pfeil angezeigt, da der Transistor über diesen Strom gesteuert wird.

Belasteter und unbelasteter Spannungsteiler

Die oben dargestellte Formel gilt streng genommen nur für den unbelasteten Spannungsteiler – also den Fall, dass kein Strom aus dem Ausgang entnommen wird. In der Praxis wird jedoch fast immer eine Last (ein Verbraucher) an den Ausgang angeschlossen.

Was passiert bei Belastung?

Wird ein Lastwiderstand R_L parallel zu R₂ angeschlossen, bilden R₂ und R_L eine Parallelschaltung. Der Gesamtwiderstand dieser Parallelschaltung ist kleiner als R₂ allein:

\[ R_{2,ges} = \frac{R_2 \cdot R_L}{R_2 + R_L} \]

R_2,ges: Gesamtwiderstand der Parallelschaltung
R₂: Widerstand des zweiten Widerstands im Spannungsteiler
R_L: Lastwiderstand

Da R_2,ges kleiner ist als R₂, sinkt die Ausgangsspannung U_a gegenüber dem unbelasteten Fall. Man spricht davon, dass die Spannung „einbricht“.

Wann kann man die Belastung vernachlässigen?

Als Faustregel gilt: Ist der Lastwiderstand R_L mindestens zehnmal so groß wie R₂, weicht die Ausgangsspannung nur geringfügig vom idealen Wert ab. Je kleiner R_L im Verhältnis zu R₂ ist, desto stärker bricht die Spannung ein – und desto weniger eignet sich ein einfacher Spannungsteiler als Spannungsversorgung.

Anforderungen

Plattform	PC/Mac bzw. Tablet
Auflösung (min)	1280 x 720

Weitere Informationen

Die in dieser Animationen verwendeten GUI-Elemente sind unter der MIT-Lizenz veröffentlicht:

https://github.com/sebriko/animiert

Mitwirkende

C. Hein, S. Rikowski