Kann ein Widerstand die Spannung senken, und ist das die richtige Methode, um einen Stromkreis mit niedrigerer Spannung zu versorgen? Ein Widerstand kann einen Spannungsabfall erzeugen, aber das Ergebnis hängt vom Strom ab, der durch ihn fließt. Wenn sich der Laststrom ändert, ändert sich auch die Ausgangsspannung, was eine widerstandsbasierte Spannungsreduktion für einige Schaltungen geeignet, aber für andere unzuverlässig macht. Dieser Artikel erklärt, wie man den Spannungsabfall mit einem Serienwiderstand oder Spannungsteiler berechnet, Lasteffekte und Leistungsverlust berücksichtigt und bestimmt, wann diese Methoden geeignet sind.
Reduziert ein Widerstand die Spannung und wie funktioniert er?
Ein Widerstand erzeugt einen Spannungsabfall, wenn Strom hindurchfließt. Die Größe dieses Spannungsabfalls hängt vom Wert des Widerstands und dem Strom ab, der durch die Schaltung fließt.
Die Beziehung wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben:
VR=I×R
Wobei:
• VR ist die Spannung über dem Widerstand
• I ist der Strom durch den Widerstand
• R ist der Widerstand
Zum Beispiel, wenn 20 mA durch einen 100-Ω-Widerstand fließt:
VR = 0,02A x 100Ω
VR =2V
Der Widerstand entwickelt einen Abfall von 2 V.
Wenn der Strom auf 10 mA sinkt, wird der Spannungsabfall:
VR=0.01 A×100Ω
VR=1V
Dies zeigt, dass ein Widerstand keine feste Ausgangsspannung unabhängig wählt. Es erzeugt einen stromabhängigen Spannungsabfall.
Ein Widerstand reduziert auch die Spannung nicht, wenn kein Strom durch ihn fließt. Bei null Strom ist der ideale Spannungsabfall über dem Widerstand null.
Spannungsreduktion mit einem einzelnen Serienwiderstand
Ein einzelner Widerstand kann die Spannung, die eine Last erreicht, senken, wenn er in Reihe mit dieser Last geschaltet wird.
Die Eingangsspannung wird zwischen Widerstand und Last aufgeteilt:
Vin=VR+Vload
Wobei:
• Vin ist die Versorgungsspannung
• VR ist die über den Widerstand abgefallene Spannung
• Vlast ist die Spannung über der angeschlossenen Last
Der erforderliche Widerstandswert ist:
R=Vin−VloadIload
Beispiel mit Serienwiderstand
Angenommen, eine Schaltung hat:
• Eingangsspannung: 5 V
• Typische LED-Vorwärtsspannung: 2 V
• Laststrom: 20 mA
Der Widerstand muss abfallen:
VR=5V−2V
VR=3V
Der erforderliche Widerstand ist:
R=3V0.02A
R=150Ω
Ein 150 Ω Widerstand erzeugt einen 3-V-Abbruch, wenn 20 mA durch den Stromkreis fließen.
Diese Methode ist nur geeignet, wenn der Laststrom bekannt ist und einigermaßen konstant bleibt. Wenn sich der Strom ändert, ändert sich auch die Spannung über dem Widerstand und der Last.
Zum Beispiel erzeugt derselbe 150-Ω-Widerstand:
• Ein 1,5-V-Abfall bei 10 mA
• Ein 3-V-Abfall bei 20 mA
• Ein 4,5-V-Abfall bei 30 mA
Ein Serienwiderstand wird daher häufig für vorhersehbare Stromlasten verwendet, nicht für Geräte mit wechselnder Leistungsbedarf.
Spannungsreduktion mit einem Widerstandsteiler
Ein Widerstandsteiler verwendet zwei in Reihe geschaltete Widerstände zwischen Eingangsspannung und Masse. Die Ausgangsspannung wird aus dem Übergang zwischen ihnen entnommen.
Der Stromkreis verwendet:
• R1 zwischen Eingang und Ausgang
• R2 zwischen Ausgang und Masse
Die unbelastete Ausgangsspannung ist:
Vout=Vin x R2R1+R2
Beispiel für Gleichwert-Teiler
Angenommen:
• Vin=12V
• R1=10KΩ
• R2=10KΩ
Die Ausgabe lautet:
Vout=12V x 10KΩ10KΩ+ 10KΩ
Vout=6V
Da die Widerstände gleiche Werte haben, beträgt der Ausgang die halbe Eingangsspannung.
Berechnung von Teilerwiderständen
Wenn R2 zuerst ausgewählt wird, kann R1 berechnet werden mit:
R1=R2 (VinVout−1)
Angenommen, ein 5-V-Signal muss auf etwa 3,3 V reduziert werden.
Auswählen:
R2= 10KΩ
Berechnen Sie dann R1:
R1=10KΩ (5V3,3V−1)
R1=5,15KΩ
Ein nahegelegener Standardwiderstandswert von 5,1 kΩ kann verwendet werden.
Die resultierende Spannung ist:
Vout=5V x 10KΩ5,1 kΩ+10KΩ
Vout=3,31 V
Spannungsteiler werden hauptsächlich für Signalskalierung, Messeingänge, Schwellenwerterzeugung und andere Schaltungen verwendet, die wenig Strom vom Ausgang ziehen.
Warum sich die Ausgangsspannung unter Last ändert
Die grundlegende Spannungsteilerformel geht davon aus, dass der Ausgang unbelastet oder mit einer Schaltung mit ausreichend hohem Eingangswiderstand verbunden ist.
Wenn eine Last verbunden ist, erscheint ihr Widerstand parallel zu R2. Dies verringert den effektiven Widerstand des unteren Teilers des Teilers.
Der effektive Widerstand ist:
REFFECTIVE=R2 || RL
Sie kann berechnet werden mit:
REFFECTIVE=R2RLR2+RL
Die belastete Ausgangsspannung wird dann:
Vout=Vin xREFFECTIVER1+ REFFECTIVE
Beispiel mit geladenem Teiler
Angenommen:
• Vin = 15V
• R1=10KΩ
• R2=10KΩ
• Lastwiderstand RL=10KΩ
Ohne Last beträgt die Ausgangsleistung 6 V.
Vout, unbelastet = Vin × R2 / (R1 + R2)
Vout, unbelastet = 15 V × 10 kΩ / (10 kΩ + 10 kΩ)
Vout, unbelastet = 7,5 V
Mit angeschlossener Last sind R2 und RL parallel geschaltet:
REFFECTIVE=R2 ll RL
REFFECTIVE=(R2×RL)/(R2+RL)
REFFECTIVE=(10KΩ×10KΩ)/(10KΩ+10KΩ)
REFFECTIVE=5V
Die Ausgangsspannung sinkt von 7,5 V auf 5 V, da die angeschlossene Last den effektiven Widerstand des unteren Teilerzweigs reduziert.
Ein Teiler liefert ein stabileres Ergebnis, wenn der angeschlossene Eingangswiderstand viel größer als R2 ist. Im Allgemeinen sollte der Lastwiderstand mehrere Male so hoch wie der Teilerwiderstand sein, wobei das erforderliche Verhältnis jedoch vom zulässigen Messfehler abhängt.
Große Teilwiderstande verringern den Dauerstromverbrauch, können aber die Empfindlichkeit gegenüber Leckstrom, Rauschen und Eingangskapazität erhöhen. Kleinere Widerstandswerte reduzieren den Lastfehler, verbrauchen aber mehr Strom.
Widerstandsleistung und Wattauswahl
Ein Widerstand wandelt elektrische Energie in Wärme um und erzeugt dabei einen Spannungsabfall. Die Leistungsabgabe muss vor der Auswahl eines Bauteils überprüft werden.
Die Leistung kann berechnet werden mit:
P=VI
Für einen Widerstand können auch folgende Formen verwendet werden:
P=I2R
Beispiel für Leistungsberechnung
Angenommen, ein 100-Ω-Widerstand führt 40 mA.
P=I2R
P= (0,04 A)2×100Ω
P=0,16 W
Obwohl ein 0,25-W-Widerstand über dem berechneten Wert bewertet wird, bleibt nur wenig thermischer Spielraum. Ein 0,5-W-Widerstand eignet sich möglicherweise besser für den Dauerbetrieb oder für die Installation in einer warmen oder geschlossenen Umgebung.
Die gewählte Wattzahl sollte Folgendes berücksichtigen:
• Maximale Versorgungsspannung
• Maximaler Betriebsstrom
• Startstrom
• Umgebungstemperatur
• Gehäusegröße des Widerstands
• PCB-Luftstrom und Abstand
• Kontinuierlicher oder intermittierender Betrieb
• Lieferanten-Minderungskurven
Ein Widerstand sollte nicht kontinuierlich mit seiner exakten maximalen Leistungsangabe betrieben werden. Zusätzliche Marge hilft, den Temperaturanstieg zu reduzieren und einen zuverlässigen langfristigen Betrieb zu gewährleisten.
Anwendungen der Widerstandsspannungsreduktion
LED-Strombegrenzung
Eine LED regelt ihren eigenen Strom nicht. Sobald die Vorwärtsspannung erreicht ist, kann der Strom schnell ansteigen. Ein Serienwiderstand senkt die ungenutzte Versorgungsspannung und steuert den LED-Strom.
Angenommen:
• Versorgungsspannung: 5 V
• LED-Vorwärtsspannung: 2 V
• Wunschstrom: 20 mA
Der Widerstandswert ist:
R= 5V−2V0.02A
R=150 Ω
Die Widerstandsleistung ist:
P=3 V×0,02 A
P=0,06W
Ein Standardwiderstand mit 0,25 W bietet für dieses Beispiel ausreichend Spielraum.
Signalpegelreduktion
Ein Spannungsteiler kann ein analoges 5-V-Signal reduzieren, bevor es einen 3,3-V-ADC, Komparator oder einen anderen hochohmigen Eingang erreicht.
Der Trenner muss so gestaltet sein:
• Maximal mögliche Signalspannung
• Eingangsspannungsgrenze des empfangenden Geräts
• Empfangseingangswiderstand
• Widerstandstoleranz
• Signalfrequenz
• Eingangskapazität
Ein Teiler kann für einige bidirektionale digitale Schnittstellen ungeeignet sein, da er nur die Spannung in eine Richtung reduziert und so das Signaltiming beeinflussen kann.
Batteriespannungsmessung
Ein Widerstandsteiler kann die Batteriespannung in den Messbereich eines Mikrocontroller-ADCs skalieren.
Angenommen, eine nominale 12-V-Batterie kann während des Ladens 14,4 V erreichen, während der ADC-Eingang unter 3,3 V bleiben muss.
Auswählen:
R2=10kΩ
Berechnen Sie R1:
R1= 10 kΩ (14,4V3,3V−1)
R1=33,64 kΩ
Ein nahegelegener Wert von 34 kΩ ergibt:
Vout= 14,4 V x 10kΩ34 kΩ+ 10kΩ
Vout=3,27 V
Der Teiler sollte auf der maximal erwarteten Batteriespannung basieren und nicht nur auf seinem Nennwert.
Vergleichs- und Bias-Referenzen
Zwei Widerstände können eine Referenzspannung für einen Komparator, einen Operationsverstärker oder ein Transistor-Bias-Netzwerk liefern.
Zum Beispiel erzeugen zwei gleich große Widerstände, die über eine 5-V-Versorgung geschaltet sind, einen nominalen Mittelpunkt von 2,5 V. Ein Komparator kann diese Spannung als Schaltschwelle verwenden.
Dieser Ansatz funktioniert, wenn der angeschlossene Eingang wenig Strom zieht und die Widerstandstoleranz eine akzeptable Genauigkeit bietet.
Kann ein Widerstand 12 V auf 5 V reduzieren?
Ein Widerstand kann einen 7-V-Abfall von einer 12-V-Versorgung erzeugen, jedoch nur bei einem bestimmten Strom.
Angenommen, eine Last erfordert:
• Eingangsversorgung: 12 V
• Erforderliche Spannung: 5 V
• Aktuell: 100 mA
Der Widerstandswert ist:
R= 12V−5V0,1A
R=70Ω
Die Widerstandsleistung ist:
P= 7V x 0,1A
P=0,7 W
Ein Widerstand mit einer Nennstärke über 0,7 W wäre erforderlich.
Allerdings ändert sich der Ausgang, wenn sich der Strom ändert.
Bei 50 mA:
VR=0,05A x 70Ω
VR=3,5V
Die Last empfängt:
12V − 3,5V = 8,5V
Bei 120 mA:
VR=0,12A x 70Ω
VR=8,4V
Die Last empfängt:
12V−8,4V=3,6V
Der Ausgang kann sich daher weit über oder unter 5 V bewegen, wenn sich der Laststrom ändert. Dies macht einen Serienwiderstand ungeeignet für die Stromversorgung der meisten 5-V-Elektronikgeräte.
Widerstand vs. andere Spannungsreduktionsmethoden
| Methode | Geeignete Verwendung | Hauptüberlegungen |
|---|---|---|
| Serienwiderstand | Vorhersehbare Stromlast | Spannungsänderungen mit Strom |
| Spannungsteiler | Hochimpedanz-Signaleingang | Der Lastwiderstand verändert den Ausgang |
| Linearregler | Kontrollierter Ausgang mit handhabbarer Wärme | Der Eingangs-Ausgabe-Unterschied ist dissipiert |
| Abwärtswandler | Effiziente Leistungsumwandlung | Erfordert das Schalten von Komponenten und eine sorgfältige Anordnung |
Ein linearer Regler kann für einen moderaten Strom und einen handhabbaren Ein- und Ausgangsspannungsunterschied geeignet sein. Ein Abwärtswandler kann effektiver sein, wenn der Strombedarf erheblich ist oder die Effizienz wichtig ist.
Wann man Widerstandsspannungsreduktion verwenden und vermeiden sollte
Ein Widerstand ist nützlich, wenn die Schaltung von einer bekannten Beziehung zwischen Spannung und Strom abhängt. Sie ist ungeeignet, wenn der Ausgang trotz wechselnder Betriebsbedingungen stabil bleiben muss.
| Ein Widerstand könnte geeignet sein, wenn | Verwenden Sie eine andere Methode, wenn |
|---|---|
| Der Laststrom ist vorhersehbar | Der Laststrom ändert sich während des Betriebs |
| Der Ausgang wird für die Signalskalierung verwendet | Der Ausgang versorgt ein digitales Gerät |
| Die Empfangsschaltung hat eine hohe Eingangsimpedanz | Eine präzise Versorgungsspannung ist erforderlich |
| Der Widerstand steuert den LED-Strom | Die Last hat einen erheblichen Startstrom |
| Die Leistungsabnahme ist handhabbar | Wärmeentwicklung ist ein Problem |
| Eingangsspannungsvariation ist akzeptabel | Der Eingangsstrom variiert erheblich |
| Ein Schwellenwert oder eine Referenz ist erforderlich | Kurzschlussschutz ist erforderlich |
| Kleine Ausgangsvariationen sind akzeptabel | Die Last hat einen engen Spannungsbereich |
Häufige Probleme in Widerstandsspannungsreduktionsschaltungen
Widerstandsbasierte Spannungsreduktionsschaltungen werden mit der tatsächlichen Last eingekoppelt und über den gesamten erwarteten Strombereich hinweggereicht.
| Problem | Wahrscheinliche Ursache | Empfohlener Check |
|---|---|---|
| Ausgangsspannung sinkt, wenn die Last angeschlossen wird | Die Last verändert das Spannungsteilerverhältnis | Beziehen Sie den Lastwiderstand in die Teilerberechnung mit |
| Ausgangsspannungsänderungen während des Betriebs | Der Laststrom variiert zwischen den Betriebsmodi | Messung von Start-, Aktiv-, Leerlauf- und Schlafstrom |
| Der Widerstand wird heiß | Der Leistungsverlust ist zu nah oder über dem Widerstand | Widerstandsleistung neu berechnen und ausreichende thermische Marge bereitstellen |
| Die gemessene Spannung weicht vom berechneten Wert | Widerstandstoleranz, Versorgungsvariation oder versteckte Last beeinflussen die Schaltung | Messung der tatsächlichen Versorgungsspannung, des Widerstands und des Laststroms |
| ADC-Messungen sind ungenau | Teilerimpedanz, ADC-Eingangskapazität oder Abtastzeit beeinflussen das Einsetzen | Überprüfen Sie die ADC-Quell-Impedanzgrenze und erhöhen Sie bei Bedarf die Abtastzeit |
| Die Ausgangsspannung steigt, wenn die Last getrennt wird | Wenig oder kein Strom fließt durch den Serienwiderstand, daher entsteht kaum oder gar kein Spannungsabfall | Verwenden Sie einen Spannungsregler, wenn ein stabiler Ausgang erforderlich ist, oder fügen Sie gegebenenfalls einen definierten Lastweg hinzu. |
Fazit
Ein Widerstand kann die Spannung senken, jedoch nur, wenn der Strom und das Lastverhalten der Schaltung verstanden sind. Verwenden Sie einen Serienwiderstand zur Strombegrenzung oder eine vorhersehbare Stromlast und verwenden Sie einen Spannungsteiler, um Signale in einen hochohmigen Eingang zu skalieren. Da sich der Spannungsabfall mit Strom und Last ändert, sind Widerstände ungeeignet für die Stromversorgung von Geräten, die eine stabile Versorgung benötigen. Für variable Stromlasten wählen Sie stattdessen einen linearen Regler oder einen Abwärtswandler.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
Q1. Reduziert ein Widerstand die Spannung oder den Strom?
Ein Widerstand beeinflusst beide Größen durch das Ohmsche Gesetz. Wenn Strom hindurchfließt, entwickelt der Widerstand einen Spannungsabfall. Die Schaltungsspannung und der Widerstand bestimmen auch die Menge des fließenden Stroms.
Q2. Kann ein Widerstand 12 V auf 5 V reduzieren?
Er kann bei einem bestimmten Strom einen 7-V-Abfall erzeugen. Wenn sich der Laststrom ändert, ändert sich auch die Ausgangsspannung, sodass diese Methode im Allgemeinen ungeeignet ist, um ein 5-V-Elektronikgerät zu versorgen.
Q3. Warum werden in einem Spannungsteiler zwei Widerstände verwendet?
Zwei Widerstände erzeugen ein definiertes Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Masse. Die Ausgabe wird von ihrer Verbindung entnommen.
Q4. Warum sinkt die Teilerspannung, wenn eine Last angeschlossen wird?
Der Lastwiderstand erscheint parallel zum unteren Widerstand. Dies verändert den effektiven Widerstand und reduziert die Ausgangsspannung.
10,5 Q5. Wann sollte stattdessen ein Spannungsregler verwendet werden?
Verwenden Sie einen Regler, wenn die Last eine kontrollierte Spannung benötigt, wechselnden Strom zieht, erheblichen Startbedarf hat oder durch Spannungsschwankungen beschädigt werden könnte.
Q6. Wie wähle ich die richtige Widerstands-Wattzahl aus?
Berechnen Sie die Leistung des Widerstands mit P = VI, P = I^2R oder P = V^2/R. Wählen Sie eine Wattzahl über der berechneten Dissipation und beziehen Sie die thermische Marge für kontinuierlichen Betrieb, Umgebungstemperatur und begrenzten Luftstrom ein.
