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Power

Spannungsteiler-Rechner

Berechnen Sie die Ausgangsspannung, den Strom, die Thévenin-Impedanz und die Verlustleistung des Spannungsteilers aus Vin, R1 und R2. Ideal für Bias-Netzwerke und Level-Shifting.

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Formel

Vout=Vin⋅R2R1+R2V_{out} = V_{in} \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}
Vᵢₙ— Eingangsspannung (V)
R₁— Oberer Widerstand (Ω)
R₂— Unterer Widerstand (Ω)

Wie es funktioniert

Der Spannungsteiler-Rechner bestimmt Ausgangsspannung, Strom und Verlustleistung für Widerstandsteiler-Netzwerke — unverzichtbar für die Signalkonditionierung, ADC-Referenzskalierung und Logik-Pegelverschiebung. Leistungselektroniker, Embedded-Entwickler und Schaltungsdesigner verwenden dieses Tool, um Widerstände so zu dimensionieren, dass die angestrebten Spannungsverhältnisse erreicht werden und gleichzeitig der Ruhestrom minimiert wird. Laut Horowitz & Hills „The Art of Electronics“ (3. Aufl.) ziehen Spannungsteiler mit einem Gesamtwiderstand von 10 kΩ 500 µA aus einer 5-V-Versorgung — eine Reduzierung der Standby-Leistung um 40% im Vergleich zu 6-kΩ-Teilern. Die Thevenin-äquivalente Ausgangsimpedanz (R1 || R2) bestimmt direkt die Lastregulierung: Eine Quellenimpedanz von 1 kΩ verursacht bei einer Last von 10 kΩ einen Spannungsabfall von 9,1%. Der Anwendungshinweis SLVA079 von Texas Instruments empfiehlt, die Teilerimpedanz unter 1/10 der Lastimpedanz zu halten, um einen Ausgangsfehler von < 1% aufrechtzuerhalten. Bei Präzisionsanwendungen reduzieren Widerstände mit einer Toleranz von 0,1% den Verhältnisfehler von ± 2% auf ± 0,14%. Dies ist besonders wichtig, wenn 12-Bit-ADCs gespeist werden, bei denen 1 LSB 0,024% des Skalenendwerts entspricht.

Bearbeitetes Beispiel

Ein Batterieüberwachungssystem erfordert eine Skalierung der 12,6-V-Lithium-Ionen-Batteriespannung auf einen 3,3-V-ADC-Eingang. Zielspezifikationen: Ruhestrom <10 µA, < 0,5% Fehler bei der Lastregulierung bei einer ADC-Eingangsimpedanz von 1 MΩ. Schritt 1: Verhältnis berechnen — Vout/Vin = 3,3/12,6 = 0,262, also R2/ (R1+R2) = 0,262. Schritt 2: Ruhestrom einstellen < 10 µA at 12.6 V, total resistance > — Für Iq 1,26 MΩ. Wählen Sie R1 + R2 = 1,5 MΩ. Schritt 3: Suchen Sie nach Widerständen — R2 = 0,262 × 1,5 MΩ = 393 kΩ (verwenden Sie den Standardwert 390 kΩ), R1 = 1,5 MΩ — 390 kΩ = 1,11 MΩ (verwenden Sie 1,1 MΩ). Schritt 4: Überprüfen — Vout = 12,6 × 390 k/ (1,1 M + 390 k) = 3,30 V. Thevenin-Impedanz = 1,1 M || 390 k = 288 kΩ. Lastregulierung mit 1 MΩ ADC: Fehler = 288 k/ (288 k+ 1 M) = 22,4% — inakzeptabel. Lösung: Fügen Sie einen Unity-Gain-Puffer (TI OPA333, 17 µA) hinzu, um den hochohmigen Teiler vom ADC zu trennen.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie gemäß der „Precision Labs“ -Serie von TI 0,1% Dünnschichtwiderstände (z. B. die TNPW-Serie von Vishay) für ADC-Referenzen — ein Temperaturkoeffizient von ±25 ppm/°C sorgt für eine Verhältnisabweichung von < 0,1% von -40 °C bis +85 °C
  • ✓Fügen Sie einen 100-nF-Keramikkondensator über R2 hinzu, um einen Tiefpassfilter mit fc = 1/ (2π × R1||R2 × C) zu erzeugen, der Schaltrauschen über dem 10-fachen der ADC-Abtastrate unterdrückt
  • ✓Verwenden Sie für Hochspannungsteiler (>50 V) mehrere Widerstände in Reihe, um die individuellen Nennspannungen nicht zu überschreiten — typische 0805-SMD-Widerstände sind für maximal 150 V ausgelegt

Häufige Fehler

  • ✗Ignorieren der Lastimpedanz — ein 10-kΩ-Teiler mit R2 = 5 kΩ verliert 33% seiner Ausgangsspannung, wenn eine 10-kΩ-Last betrieben wird, nicht die erwarteten 0%
  • ✗Verwendung von Widerständen mit einer Toleranz von 5% in Präzisionsanwendungen — im schlimmsten Fall liegt der Verhältnisfehler bei ± 10%, was zu einem Fehler von 328 mV an einem 3,3-V-Ausgang führt
  • ✗Überschreitung der Widerstandsnennwerte — ein 1-kΩ-Teiler bei 12 V leitet insgesamt 144 mW ab; Widerstände mit 1/8 W (125 mW) überhitzen sich und driften

Häufig gestellte Fragen

Der maximale Strom entspricht Vin/ (R1+R2) nach dem Ohmschen Gesetz. Für einen 12-V-Eingang mit einem Gesamtwiderstand von 10 kΩ ist Imax = 1,2 mA. Dadurch wird der Stromverbrauch im Ruhezustand auf 14,4 mW festgelegt. Batteriebetriebene Designs zielen in der Regel auf 120 <100 µA (> kΩ (insgesamt) ab, um die Laufzeit zu verlängern — eine 2000-mAh-Batterie hält 833 Tage bei 100 µA im Vergleich zu 69 Tagen bei 1,2 mA.
Ja, Widerstandsteiler behalten das gleiche Verhältnis für Gleichstrom bis ~1 MHz bei. Oberhalb von 1 MHz erzeugt die parasitäre Kapazität (typischerweise 0,1—0,5 pF pro Widerstand) eine frequenzabhängige Impedanz. Analog Devices MT-210 empfiehlt kompensierte Teiler mit parallelen Kondensatoren (C1/C2 = R2/R1) für Oszilloskop-Tastköpfe, die einen flachen Frequenzgang bis 500 MHz erreichen.
Beginne mit dem Zielverhältnis R2/ (R1+R2) = Vout/Vin. Wählen Sie dann den Gesamtwiderstand auf der Grundlage der Beschränkungen aus: niedrigeres R (1—10 kΩ) für Antriebslasten, höheres R (100 kΩ—1 MΩ) für minimale Stromaufnahme. Gemäß IEEE Std 1118 verwenden Präzisionsinstrumente angepasste Widerstandsnetzwerke (z. B. die Vishay MPM-Serie) mit einem Verhältnis von 0,01%.
Die Eingangsimpedanz entspricht R1 + R2 in Reihe. Ein Teiler mit R1 = 10 kΩ und R2 = 10 kΩ liefert der Quelle 20 kΩ. Bei minimaler Quellenbelastung sollte die Eingangsimpedanz das Zehnfache der Quellenimpedanz überschreiten — ein 50-Ω-Signalgenerator benötigt eine Teilereingangsimpedanz von >500 Ω.
Ja, Spannungsteiler wandeln 5-V-Logik in 3,3-V-Logik mit R1 = 1,8 kΩ und R2 = 3,3 kΩ (Vout = 3,24 V) um. Für bidirektionale Pegelwechsel sind jedoch aktive Schaltungen erforderlich — der TXB0108 von TI bietet eine 8-Kanal-Übersetzung mit 100 Mbit/s und automatischer Richtungserkennung.
R2/ (R1+R2) = 3,3/5 = 0,66. Standardwerte: R2 = 6,8 kΩ, R1 = 3,3 kΩ ergibt ein Verhältnis von 0,673 (3,37 V Ausgang, +2,1% Fehler). Für eine engere Toleranz verwenden Sie R2 = 33 kΩ, R1 = 18 kΩ (Verhältnis 0,647, 3,24 V, -1,8% Fehler). Insgesamt 10 kΩ verbrauchen 500 µA bei 5 V (2,5 mW). Kritisch: Stellen Sie sicher, dass die Lastimpedanz 100 kΩ überschreitet, oder fügen Sie einen Pufferverstärker hinzu.
Ja — verwenden Sie R1 = 1 kΩ, R2 = 2 kΩ für Vout = 3,33 V. Die niedrige Ausgangsimpedanz der MCU (<50 Ω) gewährleistet eine genaue Division. Halten Sie bei Signalen über 1 MHz (SPI bei 10 MHz) den Gesamtwiderstand auf <500 Ω, um die RC-Zeit mit der Eingangskapazität möglichst konstant zu halten (normalerweise 5 pF). Für die Übersetzung von 3,3 V auf 5 V sind aktive Pegelschieber erforderlich — passive Teiler können die Spannung nicht erhöhen.
Die Ausgangsimpedanz (R1 || R2) bildet mit der Last einen Spannungsteiler. Für R1 = R2 = 10 kΩ, Zout = 5 kΩ. Bei einer Last von 10 kΩ sinkt die Ausgangsleistung um 33% (Vout × 10k/ (5k+10k) = 0,67 × Vout). Laut Horowitz & Hill sollte der Lastwiderstand bei einem Durchhang von < 10% das 10-fache der Ausgangsimpedanz überschreiten, bei einem Durchhang von < 1% das 100-fache. Verwenden Sie einen Operationsverstärker-Spannungsfolger (z. B. TI LM324, 0,15$), wenn Sie Lasten mit niedriger Impedanz betreiben.

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